齿轮传动式涡扇发动机：为什么要在风扇后设计一个齿轮箱

导读：
是时候梳理一下为什么有些涡扇发动机在风扇与低压轴之间设计一个齿轮箱的原因。

图1展示了其设计原理，这是一张取自发动机分析软件GasTurb的齿轮传动式涡扇发动机示意图。 其基本原理是使发动机低压轴以比风扇更高的每分钟转速（RPM）运转。

图1.GasTurb 的齿轮传动式涡扇发动机原理示意图。来源：GasTurb软件

速度至上

人们希望低压轴以更快转速运转的原因在于低压轴上的压气机与涡轮可在叶片拥有高切向速度时获得更高效率。其背后的物理原理与机翼相同：升力随前进速度增加而增大。

当每分钟转速与叶片的直径使叶尖转速达到超音速时，空气动力学会变得更加复杂。超音速空气动力与激波的产生相关联，而激波会降低效率。

涡扇发动机的设计人员因此试图仅使叶片叶尖的转速保持在超音速区间。由于风扇的直径非常大，对于风扇直径通常为50至80英寸的单通道飞机发动机而言，其每分钟转速应保持在5,000RPM以下；风扇直径通常为75至135英寸的宽体飞机发动机则应保持在3,000RPM以下。

与此同时，增压级或低压压气机的直径仅为风扇直径的三分之一。因此，人们希望低压轴的每分钟转速达到9,000至15,000RPM以使叶片转速保持在合理区间。实现这一目标的途径是在风扇与低压轴之间安装一个传动比为1：3或更大的齿轮。

齿轮传动式涡扇

在风扇与涡轮机之间安装齿轮并非飞机发动机领域里的新生事物。涡桨发动机的推进叶片直径是如此之大以至于必须在核心机与螺旋桨之间安装齿轮箱。因此在供涡桨发动机使用的高转速核心机或是供涡扇发动机使用的辅助动力装置上必须安装齿轮传动风扇。

齿轮箱一直是一套复杂并可能出现故障的组件。因此，长期以来，喷气式与涡扇发动机从设计伊始就避免采用该装置。设计人员通过增加压气机与涡轮上的级数来弥补较低的效率，同时尽可能的放大每一级的直径。但面对今天超高涵道比的发动机，这种不匹配已变得如此巨大，因此齿轮传动式设计将日益常见。

今天为霍尼韦尔旗下一员的Garett AiResearch公司的TFE731发动机是首款民用齿轮传动式涡扇发动机，该机由图2所示的道格拉斯DC-10 辅助动力装置发展而来。

图2.Garret AiResearch于1970年通过辅助动力装置衍生的TFE731发动机。来源：Garret。

该发动机的首个型号在齿轮箱上出现了不少问题。风扇是一个巨大的转动部件，齿轮箱需要避免受其所产生的其它力的影响。Garret付出艰苦努力掌握了这一点。自1972年取得认证以来，TFE731发动机主要应用于公务喷气机，时至今日该发动机仍被小型公务喷气机所青睐。

另一款早期的齿轮传动式涡扇发动机是由Lycoming公司从T55涡轴直升机发动机设计而来。再一次，高转速的核心机让ALF502发动机必须采用齿轮箱，见图3。

图3.Lycoming公司设计的ALF502涡扇发动机。来源：Lycoming公司。

这款发动机起初应用在一些军事项目上，但自1980年取得认证后就被广泛应用于BAe146支线喷气机与挑战者600公务喷气机。

我在上文中写到“首款民用齿轮传动式涡扇发动机”，这是因为第一款齿轮传动式涡扇发动机被用于军用飞机。我曾驾驶该型飞机，即SAAB105喷气教练机，学习如何驾驶喷气机。该飞机配备一台由赛峰旗下透博梅卡公司制造的齿轮传动式涡扇发动机。这款发动机（图4所示）以Bastan 涡桨发动机为基础。 该发动机于1961年首次运行，并在1966年至1990年期间应用于SAAB105飞机上。

图4. 透博梅卡公司的欧比斯克（Aubisque）发动机是首台齿轮传动式涡扇发动机。来源：瑞典航空博物馆

普惠GTF发动机

普惠公司（PW）认识到制造一款全新的配有齿轮传动式风扇的涡扇发动机的优势（GTF是齿轮传动式涡扇的缩写）。普惠同时注意到Garrett公司在将齿轮箱应用于风扇时所遇到的问题。普惠的方案远远超过齿轮箱7,000马力的历史最高功率。普惠需要为其全新单通道发动机系列配备30,000马力的齿轮箱。

因此，普惠公司耗费20年时间通过多个项目潜心研究行星齿轮箱的应用。该公司首款获得认证的齿轮传动式涡扇发动机是供庞巴迪C系列飞机使用的PW1500G发动机，认证于2013年2月取得。首款进入市场的齿轮传动式涡扇发动机是图5所示的供空客A320neo使用的PW1100G发动机。

图5. 供A320系列飞机使用的PW1100G齿轮传动式涡扇发动机。来源：普惠公司。

涡扇发动机上的齿轮箱普遍使用周向运动的行星齿轮系统，见图6。这种齿轮箱结构紧凑并能高效率地传输高扭矩。来自高转速低压轴的输入扭矩通过中间轴上的黄色太阳齿轮，经由旋转的粉色环形齿轮或绿色行星齿轮托架，最终将扭矩输出到风扇。

图6. 行星齿轮箱中应用的周转齿轮。来源：维基百科

不论发生什么情况，其它齿轮部件都必须牢固地支撑齿轮箱。如果输出扭矩由粉色环形齿轮传导，则齿轮传动比以应用几何计算为3：1，若由绿色行星齿轮托架传导则传动比约为4：1。

普惠GTF发动机所选择使用的环形齿轮与风扇连接在一起，因此其传动比为3：1，见图7。

图7. 普惠的齿轮箱。来源：普惠

比约恩?费尔姆先生现任Leeham公司航空与经济分析师。他拥有航空工程师背景，并曾在瑞典空军服役担任战斗机飞行员。

本文系翻译、转载。原文由美国《Leeham新闻》网站（Leehamnews.com）于2017年1月13日发表，比约恩?费尔姆（Bjorn Fehrm）撰文，原文标题为Bjorn’s Corner: Geared turbofans。

来源：Leeham新闻网站 & 普惠静洁动力

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