齊曉雪，郝 勇，唐宇峰

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

基于核心機(jī)的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)方案研究

齊曉雪，郝 勇，唐宇峰

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)具有部件效率高、噪聲低、級數(shù)少和質(zhì)量輕的特點(diǎn)，是未來大型民用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要發(fā)展方向之一。為加快后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，在現(xiàn)有核心機(jī)的基礎(chǔ)上，通過發(fā)動(dòng)機(jī)典型氣動(dòng)循環(huán)參數(shù)的匹配分析，完成GTF發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)方案。分析了涵道比、風(fēng)扇外涵壓比、低壓壓氣機(jī)壓比、傳動(dòng)比等參數(shù)對GTF發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，初步確定參數(shù)選取范圍。通過對比相同涵道比的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)與常規(guī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力和耗油率等性能指標(biāo)基本接近，但GTF發(fā)動(dòng)機(jī)具有低壓部件級數(shù)顯著減少的優(yōu)點(diǎn)；總結(jié)了GTF發(fā)動(dòng)機(jī)特有的關(guān)鍵技術(shù)。

齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)；民用發(fā)動(dòng)機(jī)；核心機(jī)；氣動(dòng)循環(huán)參數(shù)；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

齒輪傳動(dòng)渦扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)是在風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)中間引入減速齒輪箱，使風(fēng)扇在較低的轉(zhuǎn)速下工作，有效降低了噪聲；同時(shí)，可以提高低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪轉(zhuǎn)速，在降低負(fù)荷、提高效率的同時(shí)減少了級數(shù)和葉片數(shù)量?？紤]到GTF發(fā)動(dòng)機(jī)能有效降低噪聲和耗油率，且大部分技術(shù)都與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相同，國外發(fā)動(dòng)機(jī)公司已經(jīng)將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到GTF發(fā)動(dòng)機(jī)上，并取得了一定進(jìn)展。目前，中國在常規(guī)結(jié)構(gòu)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制方面已經(jīng)取得了一些成功經(jīng)驗(yàn)，但對GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的研究剛剛起步。為了加快未來發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，可以考慮在已有核心機(jī)基礎(chǔ)上，發(fā)展GTF發(fā)動(dòng)機(jī)。

本文以假設(shè)存在的核心機(jī)為基礎(chǔ)，配裝減速齒輪箱，通過總體性能參數(shù)匹配和優(yōu)化，確定最優(yōu)化方案。

1 國外GTF發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

與常規(guī)大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)相比，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)具有顯著優(yōu)勢，許多國外航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司從20世紀(jì)70年代就開始研制GTF發(fā)動(dòng)機(jī)和減速器，其中最為成功的是PW公司。

PW公司于20世紀(jì)80年代投資近3.5億美元，成功研制1臺傳動(dòng)功率為23860 kW、減速比約為3∶1（輸入轉(zhuǎn)速9160 rad/min，輸出轉(zhuǎn)速3250 rad/min）的減速器[1-2]。

隨后PW公司將新的高速低壓轉(zhuǎn)子與PW6000核心機(jī)整合為1個(gè)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，命名為“靜潔”PW1000G。該發(fā)動(dòng)機(jī)由1級風(fēng)扇、減速器、3級低壓壓氣機(jī)、8級高壓壓氣機(jī)、TALON技術(shù)燃燒室、2級高壓渦輪和3級低壓渦輪組成，如圖1所示。

該發(fā)動(dòng)機(jī)采用大量先進(jìn)技術(shù)，主要包括：

（1）高壓壓氣機(jī)采用先進(jìn)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，新型的整體葉盤，減輕質(zhì)量的同時(shí)提高防喘裕度和工作效率。

（2）高壓渦輪葉片采用高升力設(shè)計(jì)，葉尖吹氣的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，提高了渦輪效率；采用新一代單晶材料和熱障涂層，顯著增加發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。

（3）低壓渦輪采用高升力葉片設(shè)計(jì)，有效地提高效率，減輕質(zhì)量。

（4）采用最新的TALON X燃燒室，即富油－淬熄－貧油燃燒技術(shù)，極大地減少了氮氧化合物的排放，并減輕質(zhì)量，提高耐久性[3-4]。

該發(fā)動(dòng)機(jī)目前已完成大量的部件試驗(yàn)、整機(jī)地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果良好，發(fā)動(dòng)機(jī)性能和聲學(xué)特性達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，已被三菱重工MRJ支線客機(jī)、龐巴迪公司C系列客機(jī)和俄羅斯聯(lián)合飛機(jī)制造公司MS-21客機(jī)選為動(dòng)力裝置，計(jì)劃2013年投入市場，屆時(shí)將成為最先成熟的新一代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 方案研究總體技術(shù)要求

本方案研究使用的假設(shè)已有核心機(jī)基本參數(shù)見表1。

根據(jù)該核心機(jī)的壓比和流量初步估算，利用該核心機(jī)可發(fā)展推力級別為137.3～156.9 kN的常規(guī)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)或GTF發(fā)動(dòng)機(jī)。考慮到目前國際上GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的推力水平，以及減速齒輪箱功率對發(fā)動(dòng)機(jī)的限制，本方案的推力指標(biāo)初步選定為137.3 kN。

目前在役的常規(guī)結(jié)構(gòu)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率約為0.64～0.66 kg/(daN·h)，而PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)的指標(biāo)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上降低12%～15%，因此將本方案的耗油率指標(biāo)定為≯0.561 kg/(daN.h)。

另外根據(jù)目前大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體循環(huán)參數(shù)的水平，本方案的基本約束如下：冷卻氣量占核心機(jī)流量比例≮20%，涵道比為6～12，總增壓比為35～45，風(fēng)扇增壓比為 1.4～1.6。

3 總體設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化

3.1 方案設(shè)計(jì)原則

在與原準(zhǔn)機(jī)相同條件下，選取發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)，即H=10.668 km，Ma=0.785，標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下最大巡航狀態(tài)。以現(xiàn)有核心機(jī)為基礎(chǔ)發(fā)展新型發(fā)動(dòng)機(jī)，其設(shè)計(jì)原則是保證核心機(jī)氣動(dòng)負(fù)荷不變，核心機(jī)的實(shí)際物理轉(zhuǎn)速升高一般不超過2%；發(fā)動(dòng)機(jī)高壓工作點(diǎn)根據(jù)高壓進(jìn)口條件的變化相應(yīng)在原工作線上選取。

另外為對比發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，流道損失、冷卻引氣等參數(shù)保持不變。

3.2 總體氣動(dòng)方案

3.2.1 涵道比和低壓壓氣機(jī)壓比選取

在其他參數(shù)不變的條件下，涵道比與低壓壓氣機(jī)壓比變化對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響如圖2所示。從圖2中可見，隨涵道比和增壓級壓比的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低。但當(dāng)涵道比超過10、低壓壓氣機(jī)壓比超過一定值后，低壓渦輪膨脹比將超過6。根據(jù)低壓渦輪的設(shè)計(jì)水平，此時(shí)，低壓渦輪級數(shù)將由3級增加到4級[5]。

考慮到機(jī)械原因，風(fēng)扇進(jìn)口輪轂比一般不小于0.3。因此在保持核心機(jī)不變的情況下，增大涵道比即增加了風(fēng)扇進(jìn)口直徑和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙阻力，同時(shí)風(fēng)扇進(jìn)口與低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)的尺寸相差過大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)困難，流路加長，損失增加。

當(dāng)選定發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)壓比后，經(jīng)計(jì)算，高壓壓氣機(jī)前溫度T25升高20℃，保持高壓壓氣機(jī)物理轉(zhuǎn)速不變，其工作點(diǎn)沿共同工作線下移，高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速為96.83%。根據(jù)特性，選定該轉(zhuǎn)速下高壓壓氣機(jī)壓比和換算流量。

3.2.2 風(fēng)扇外涵壓比的選取

風(fēng)扇外涵壓比與低壓渦輪膨脹比隨涵道比變化的關(guān)系如圖3所示。在內(nèi)、外涵出口噴氣速度完全匹配的情況下，風(fēng)扇壓比隨著涵道比的增大而減小。當(dāng)涵道比為10時(shí)，風(fēng)扇外涵壓比為1.454。

圖3 風(fēng)扇外涵壓比與涵道比的關(guān)系

3.2.3 傳動(dòng)比的選取

影響齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)參數(shù)的另外1個(gè)重要參數(shù)是傳動(dòng)比，通過計(jì)算風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和低壓渦輪轉(zhuǎn)速來確定。

經(jīng)過上述參數(shù)選取和設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)算，可得發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇進(jìn)口換算空氣流量。根據(jù)目前風(fēng)扇設(shè)計(jì)水平，取風(fēng)扇單位流通面積為200 kg/（m2·s），輪轂比h約為0.3，計(jì)算出風(fēng)扇半徑R約為1.096m。

目前常規(guī)結(jié)構(gòu)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉尖速度約為400～500m/s，增加齒輪箱后葉尖速度顯著下降。據(jù)資料顯示PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉尖速度為320m/s[6]。考慮大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)趨勢和降噪要求，本方案風(fēng)扇葉尖速度選擇350m/s。可得風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3051 rad/min。

由上述計(jì)算結(jié)果可得出低壓渦輪出口流量、壓力和溫度，根據(jù)目前高速低壓渦輪設(shè)計(jì)水平，渦輪出口Ma能夠達(dá)到0.5～0.6[7]。本方案初步選取低壓渦輪出口Ma=0.58，根據(jù)流量公式，計(jì)算得出低壓渦輪出口流通面積。根據(jù)低壓渦輪應(yīng)力水平ε值，可以計(jì)算得出低壓渦輪轉(zhuǎn)速為8849 rad/min。

因此本方案的減速齒輪箱的傳動(dòng)比為8849/3051=2.9。

3.2.4 方案總體氣動(dòng)參數(shù)

通過以上步驟，完成本方案發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)總體性能循環(huán)參數(shù)選取，計(jì)算設(shè)計(jì)點(diǎn)和地面起飛狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)及主要狀態(tài)性能參數(shù)

由上述計(jì)算結(jié)果可知，本方案滿足起飛推力和巡航耗油率的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)具有一定的先進(jìn)性。

3.3 與常規(guī)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)對比

為與上節(jié)計(jì)算的涵道比為10的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行對比，在相同核心機(jī)基礎(chǔ)上，將常規(guī)結(jié)構(gòu)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比增大到10。

常規(guī)結(jié)構(gòu)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比變化后低壓渦輪的參數(shù)如圖4所示。從圖4中可見，低壓渦輪負(fù)荷隨涵道比增大顯著增加，為保證合理的低壓負(fù)荷，當(dāng)涵道比為10時(shí)，低壓渦輪級數(shù)將增加至9級。增壓級也將由2級增加到7級[8]。2個(gè)方案設(shè)計(jì)點(diǎn)主要參數(shù)對比見表3，初步發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖5所示。

從表3中數(shù)據(jù)可知，使用同一核心機(jī)，當(dāng)涵道比都為10時(shí)，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)和常規(guī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和耗油率基本相當(dāng)。由于受轉(zhuǎn)速限制，常規(guī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓級只能產(chǎn)生非常有限的壓比，但是增加齒輪箱后，就能獲得相當(dāng)高的壓比，所以GTF發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)的級數(shù)就會(huì)大為減少。同樣，低壓渦輪有限的氣動(dòng)負(fù)荷也僅允許較少的低壓部件級數(shù)[9-10]。

圖4 涵道比、低壓渦輪級數(shù)與負(fù)荷關(guān)系

表3 2方案主要參數(shù)對比

圖5 常規(guī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)與GTF發(fā)動(dòng)機(jī)對比（B=10）

本方案GTF發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉尖切線速度為350m/s，葉尖馬赫數(shù)為1.28，常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉尖切線速度為400m/s，葉尖馬赫數(shù)為1.43，以風(fēng)扇葉尖馬赫數(shù)或風(fēng)扇葉尖速度粗略的作為風(fēng)扇噪聲的度量，那么GTF發(fā)動(dòng)機(jī)在降低風(fēng)扇噪聲方面有一定優(yōu)勢[11]。但GTF發(fā)動(dòng)機(jī)增壓級和低壓渦輪轉(zhuǎn)速較高，同時(shí)考慮到齒輪傳動(dòng)箱等的噪聲，具體噪聲對比還需進(jìn)行詳細(xì)評估。

從圖5中明顯可見，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓級和低壓渦輪盤的孔徑比常規(guī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的小，盤孔寬度（厚度）更大[12]。同時(shí)，達(dá)到相同耗油率時(shí)，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)需要的級數(shù)更少。風(fēng)扇的直徑更小，從而使得其質(zhì)量更輕。但是GTF發(fā)動(dòng)機(jī)增加的大功率的減速齒輪箱以及相應(yīng)的滑油冷卻器也將增加發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的質(zhì)量。

對這2臺涵道比為10的發(fā)動(dòng)機(jī)，常規(guī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的，因此，常規(guī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比的上限可能會(huì)由核心機(jī)部件的盤孔直徑和低壓渦輪軸最大許用扭矩來決定[13]。但同時(shí)GTF發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪出口An2高于常規(guī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)的，將導(dǎo)致低壓渦輪末級的葉片離心力顯著增加。

目前，葉片根部應(yīng)力可以通過采用低密度材料的錐形空心葉片來減小，但會(huì)使葉片根部和尖部的柵距和弦長之比極為不同，從而對設(shè)計(jì)高效率錐形渦輪葉片提出挑戰(zhàn)。

另外由于常規(guī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪出口直徑相對較大，更適合采用塞式噴管；GTF發(fā)動(dòng)機(jī)可以考慮不用塞式噴管，可使噴管更短更輕。

4 關(guān)鍵技術(shù)

在現(xiàn)有核心機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展GTF發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)總體、大功率減速齒輪箱和高速低壓部件的設(shè)計(jì)等方面的關(guān)鍵技術(shù)需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)[14-15]：

（1）總體設(shè)計(jì)技術(shù)。包括總體性能、整機(jī)匹配優(yōu)化、轉(zhuǎn)子支承、承力系統(tǒng)、整機(jī)轉(zhuǎn)子安全性、大功率減速齒輪傳動(dòng)裝置及其安裝和動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

（2）高速低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。包括低速、高效寬弦風(fēng)扇氣動(dòng)、寬弦風(fēng)扇氣動(dòng)聲學(xué)一體化、大型寬弦風(fēng)扇空心葉片/復(fù)合材料葉片結(jié)構(gòu)、高速高負(fù)荷低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。

（3）高速低壓渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)。包括高亞聲速低壓渦輪低損失葉型、大擴(kuò)張角渦輪葉片流動(dòng)分離損失控制、多級低壓渦輪負(fù)荷匹配、高速低壓渦輪高可靠性結(jié)構(gòu)、高An2值渦輪葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

5 結(jié)束語

在計(jì)算分析基礎(chǔ)上，對循環(huán)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到在現(xiàn)有核心機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的總體氣動(dòng)方案。當(dāng)涵道比為10時(shí)，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)和常規(guī)結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)在推力和耗油率方面基本相當(dāng)，但GTF發(fā)動(dòng)機(jī)能有效減少低壓部件級數(shù)。

總結(jié)發(fā)展GTF發(fā)動(dòng)機(jī)需要開展的關(guān)鍵技術(shù)研究，可為后續(xù)GTF發(fā)動(dòng)機(jī)研制打下基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：

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Investigation of GTF Engine Based on Core Engine

Q IXiao-xue,HAO Yong,TANG Yu-feng
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shengyang 110015,China）

With fewer butmore efficient parts,lower noise level and lightweight,Geared Turbo Fan （GTF） has become one of the main develop options for futures large civil engines.In order to promote further developmentof the engine,this paper studied thematching of typical pneumatic cycle parameters,and finally accomplished GTF engine generalaerodynamic design,based on the existing core engine.Itanalyzed influence on the performance of GTF engine in several aspects,such as the bypass ratio,outer fan pressure ratio,low pressure compressor pressure and gear ratio,and then primarily confirmed the range of parameters.Compared with conventional configuration engines thathave the same bypass ratio,GTF can achieve nearly the same performance targets such as thrustand SFC,but it is advanced in fewer LP componentstages.Finally,themain key technologies forGTF design were summarized.

Geared Turbo Fan;civil engines;pneumatic cycle parameters;key technology

V235.13+1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.008

2013-10-06 基金項(xiàng)目：國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

齊曉雪（1982），女，工程師，從事大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)工作；E-mail：ymhh2001@163.com。

齊曉雪，郝勇，唐宇峰.基于核心機(jī)的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)方案研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2014，40（3）：40-44.QIXiaoxue,HAO Yong,TANG Yufeng.Investigation ofGTF engine based on core engine[J].Aeroengine，2014，40（3）：40-44.