齒輪傳動技術(shù)改變民用飛機發(fā)動機主體結(jié)構(gòu)

    幾十年來，民用飛機發(fā)動機的主體結(jié)構(gòu)一直沒有發(fā)生改變，直至齒輪傳動技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一切。齒輪傳動是機械傳動中應(yīng)用*廣的一種傳動形式，它的傳動比較準(zhǔn)確、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長。隨著齒輪傳動技術(shù)的發(fā)展，它也被運用于對傳動性能和*度要求更高的飛機發(fā)動機，這無疑對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇提出了更高的要求。

    傳統(tǒng)的渦輪發(fā)動機推力主要來自發(fā)動機的高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪，空氣進(jìn)入壓氣機壓縮后進(jìn)入燃燒室，與燃料混合燃燒后產(chǎn)生高溫氣體沖出排氣噴口。同時，由于壓氣機與后方的渦輪同軸，高溫氣體通過在渦輪中膨脹做功，帶動壓氣機轉(zhuǎn)動。

    此后出現(xiàn)的渦扇發(fā)動機的工作方式也大致相同，它*大的變化就是“雙涵道”，風(fēng)扇吸入的氣流一部分送進(jìn)壓氣機（內(nèi)涵道），另一部分則直接從渦噴發(fā)動機殼外圍向外排出（外涵道）。外涵和內(nèi)涵的空氣流量之比稱為涵道比。涵道比對渦扇發(fā)動機性能影響較大，涵道比大，耗油率低，但發(fā)動機的迎風(fēng)面積大；涵道比較小時，迎風(fēng)面積小，但耗油率大。

    但為了實現(xiàn)這一點，進(jìn)氣的風(fēng)扇（進(jìn)氣道）的大小不得不有所增加，同時，風(fēng)扇的葉片不得不繼續(xù)變長，轉(zhuǎn)速也在不斷增快，任何一個方面的繼續(xù)增加都可能導(dǎo)致危險的振動。這增加了發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時的不穩(wěn)定因素。

    發(fā)動機齒輪傳動優(yōu)勢

    正是為了降低不穩(wěn)定因素，設(shè)計師想到了齒輪傳動技術(shù)，不同于原來通過氣流的變化控制發(fā)動機各部件的轉(zhuǎn)速，齒輪傳動通過調(diào)整不同規(guī)格齒輪的相互嚙合來改變轉(zhuǎn)速。這個設(shè)計有如下好處：首先，齒輪傳動結(jié)構(gòu)有很好的穩(wěn)定性，這樣減小了發(fā)動機的震動；另外，相互嚙合齒輪的轉(zhuǎn)速比是它們半徑比的倒數(shù)，因此只需要控制一個齒輪的轉(zhuǎn)速就能*控制所有與它直接或間接嚙合的所有齒輪的轉(zhuǎn)速，相較于傳統(tǒng)發(fā)動機不僅省去了對氣流參數(shù)的計算，而且結(jié)果更加*。

    使用齒輪傳動技術(shù)，可以使風(fēng)扇做得更大。同時，這種設(shè)計又將允許其他部件如壓氣機和渦輪都穩(wěn)定地運行在*佳轉(zhuǎn)速下，不受氣流變化的影響。更加重要的是，實現(xiàn)這一切功能，不過就是在保持原來的發(fā)動機結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上加裝一個完全可靠的減速齒輪箱。

    盡管齒輪傳動發(fā)動機相較于傳統(tǒng)發(fā)動機有明顯優(yōu)勢，但它的穩(wěn)定性是用增加齒輪結(jié)構(gòu)過熱的風(fēng)險換來的，或者說它將發(fā)動機結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定轉(zhuǎn)化成了熱量的不穩(wěn)定。目前飛機發(fā)動機都要達(dá)到每分鐘幾萬轉(zhuǎn)，如此高速運轉(zhuǎn)，齒輪結(jié)構(gòu)必然要摩擦并且生熱。這除了對齒輪材料的性能和散熱系統(tǒng)提出更高的要求外，還增加了飛機降落后發(fā)動機均勻冷卻的時間，會影響客機運營方面。

    PW1100G-JM首臺測試發(fā)動機

    早在2007年，普惠公司就發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)飛機發(fā)動機的問題，并提出了齒輪傳動發(fā)動機的概念。*終，作為普惠公司“靜潔動力”的標(biāo)志性品牌，PW1100G-JM齒輪傳動渦扇發(fā)動機面世，并于2013年裝備空客A320neo客機，順利地完成了*試飛，并且計劃在2015年交付使用。此前成功的地面測試項目為首飛提供了準(zhǔn)備，據(jù)悉地面測試項目進(jìn)行了超過365個小時的地面性能測試和可操作性測試。PW1100G-JM發(fā)動機的推力達(dá)33000磅，這也是“靜潔動力”系列發(fā)動機的*大推力。

    自此，一切工作都進(jìn)行得非常順利，齒輪傳動發(fā)動機也似乎將掀起民用航空發(fā)動機的一場變革。但就在2015年的*后一天，空客和普惠表示，*架搭載普惠發(fā)動機的空客A320neo宣布推遲交貨，原因可能正是減速齒輪箱引起的航空發(fā)動機冷卻不均勻。盡管普惠公司在齒輪傳動發(fā)動機的項目上遇到了一些問題，但是這一概念還是受到了廣泛的認(rèn)可，除了普惠公司，俄羅斯和中國也在就齒輪傳動技術(shù)自主研發(fā)飛機發(fā)動機。

    英國的羅羅公司在齒輪傳動技術(shù)方面在全球處于*地位。目前，已經(jīng)投入使用的美國第五代戰(zhàn)機F-35的升力風(fēng)扇就采用了該公司的齒輪傳動技術(shù)，其推力高達(dá)29000磅，而且效率極高。為了應(yīng)對更大功率齒輪箱研發(fā)的挑戰(zhàn)，羅羅公司斥資8700萬美元在德國建設(shè)了UltraFan發(fā)動機齒輪箱測試平臺。目前該公司*先進(jìn)的發(fā)動機采用三軸系統(tǒng)，三個互相獨立的轉(zhuǎn)動軸各成一體，使得壓氣機和渦輪能在更接近于*佳條件下工作，從而提高發(fā)動機效率、減少壓氣機與渦輪級數(shù)。各軸的轉(zhuǎn)速還可根據(jù)需要相對獨立地調(diào)節(jié)，擴大了穩(wěn)定工作范圍。按照計劃，齒輪傳動技術(shù)可能會被集成到三軸發(fā)動機系統(tǒng)中，使其成為兩軸半發(fā)動機，這樣其傳動的方式更加多樣化，發(fā)動機功率也會得到提升。