|
从上式可以看出涡轮的轴功率与气流转角β至和，涡轮转速U，气流轴向流速ca有关。且与这些参数成正比。 但是轴向速度ca不能无限加大。即当燃气到达当地音速时，叶片出口产生激波，严重影响涡轮效率。气流转角对于多级涡轮来讲也是相对固定的。过大的气流转角会造成下一级涡轮叶片的速度三角形不能与上一级叠加而工作困难。 提升涡轮功率的办法也仅限于提高涡轮前温度和涡轮转速。 单纯提高涡轮转速会造成风扇转速提高，当风扇转速超过当地音速，风扇效率也会大大降低。这样的矛盾就催生了齿轮传动发动机的出现。在涡轮与风扇之间加入减速齿轮，将涡轮转速提高到风扇转速的三倍。并相应提高涡轮前温度，使得涡轮叶尖和风扇都在亚音速运转。由于功率的提高也可以带动更大的风扇，提供更高的涵道比。从而提高总推力以及单位推力。使得发动机比以往直接传动发动机更加省油 如果在双转子发动机的低压涡轮、低压压气机与风扇间装1 个减速器，首先使前二者能在最佳转速下工作，然后通过减速器将转速降低到风扇的最佳转速来驱动风扇工作，这样，3个部件均工作于最佳转速下，自然可使级数减少从而达到发动机最优化设计的目的。 GTF技术虽与三转子发动机概念不同，但同样可解决压气机和风扇转速上矛盾。不过齿轮传动风扇发动机由于减速齿轮箱的引入，必然带来风扇直径的增加、发动机质量增加，如果不能很好地解决质量问题，齿轮风扇难以应用；同时由于减速齿轮箱的引入，风扇转速与低压转子转速分开，对高速低压压气机和高速低压涡轮带来了新的技术挑战，工程实现上的难题有： 由于减速器采用了大量高速大负荷齿轮与轴承，其工作条件恶劣，需在高的输入转速(10000 转/分左右)、高的传动功率(3万～4万 kW以上)下安全、可靠地工作，在现有的技术条件下，是非常难作到的。即便传动效率达到97%，那么产生的热量也达到900Kw，足以驱动一辆主战坦克，这对于润滑、冷却、齿轮箱扭曲控制技术等方面的要有所突破，使减速齿轮箱满足轻质、高效和高可靠的设计要求；齿轮减速箱的行星齿轮结构如上图示，减速齿轮系统中间的太阳齿轮传动的是低压涡轮（LPT）的动力，利用太阳齿轮周围的行星齿轮（5个）减速后再传动到外侧齿轮，外侧齿轮与风扇相连。 由于GTF风扇转速和低压转子转速是分开的，高速低压压气机需要在比传统风扇更高的转速和马赫数下工作，同时由于齿轮箱的加入，其直径增大，需要尽可能地减轻其重量，因此高速低压压气机设计面临气动性能和结构完整性两方面的技术挑战，因此需要突破轻质、紧凑高速低压压气机设计技术。 风扇转速和低压转子转速分开会对低压涡轮设计起着具有决定性的影响，传统低压涡轮高效率得益于适中的亚声速流动马赫数，而高速低压涡轮较高的切线速度导致整个流道处于跨声速流动状态，流道内的激波前锋同附面层相互作用产生损失，降低效率，同时高切线速度又导致涡轮盘出现高的机械负荷，极高的离心负荷将导致轮毂截面处、叶片的横截面和厚度较传统低压涡轮叶片明显加大和增厚，增加低压涡轮的重量，因此在齿轮风扇发动机研制中需要突破高效、轻质高速低压涡轮设计技术。 另外驱动风扇的减速器可使风扇独立于低压压气机和涡轮而运行，发动机低压涡轮和风扇轴之间的齿轮传动系统必须采用柔性联接。 美国普.惠公司（下简称PW）于80年代投资3.5亿美元，开展了一项用于传动风扇的减速器的发展、研究工作，当时已取得突破性的进展，研制成了一台传动功率为2.4万 kW、减速比约为3:1(输入转速9160转/分，输出转速3250转/分)的减速器。 20世纪90年代后期，PW提出了研制用减速器驱动风扇的PW8000高涵道比（涵道比为10）涡轮风扇发动机。该减速器具有体积小(外径仅为0.457米)、重量轻(约640公斤, 即每100马力重0.98公斤)、可靠性高、传动效率高达99.5%等特点，不仅功率损失小，而且用于冷却、润滑齿轮传动装置的滑油温升仅为27℃，大大减少了用于冷却滑油的散热器的体积，寿命指标为30000H。这种减速器已被PW8000选用作为传动它的风扇的减速器，使PW8000成为大推力级发动机中第一种采用齿轮传动风扇的发动机。进入21世纪，大型客机发动机市场呈现出行业集中度加快、三足鼎立、市场竞争加剧的新趋势，PW公司在军品也面对强大的竞争压力。 PW押宝GTF，试图赢回正在逐渐失去的民用发动机市场，期待在酝酿中的新一代单通道客机市场竞争中向CFM国际公司（CFMI）的统治地位挑战，并希望成为低推力级别强有力的竞争者。2008年7月范堡罗航展期间，普惠公司将GTF命名为“静洁动力PW1000G（PurePower 1000GTM）”，涵盖了推力级别为66.7～133.5kN的新型齿轮传动风扇发动机。 PW为其设定的目标是，与目前发动机（如V2500或CFM56）相比： 1、维修成本降低40% 2、噪声水平比ICAO第4章低约15dB 3、排放比CAEP II限制低多达70%。 综合来看，PW1000G发动机有如下优势： （一）大涵道比 GTF 发动机的涵道比达到了12，是CFM56与V2500发动机的2倍左右。涵道比的增大使其油耗比目前涡扇发动机的降低12％。 （二）风扇进一步降速转速减噪 GTF技术使风扇与低压涡轮及低压压气机均可在适合的转速下工作。为了降低风扇噪声，叶尖切线速度下调到u=324 m/s，噪音水平足足降低了15个分贝，发动机进场噪音低于起落架和襟翼噪音，也是沿线老百姓的福祉啊。 但在叶尖速度太低也影响效能，PW公司采用先进的计算流体动力学CFD，对叶尖进行了处理，使其具有较先进的性能，补充叶尖低速带来效率降低。 （三）风扇减重、减少级数和叶片 标准型非齿轮传动发动机有22～24 片叶片，而GTF发动机只有20片后掠式风扇叶片，这样，后者风扇系统的质量减轻了；GTF发动机风扇直径为81英寸，2.06米，叶片作成双弧形、无中间凸肩且空心的结构，质量轻且气动性能好。 以PW1100G-JM为例，采用1-G-3-8-2-3，一级风扇、一个齿轮减速器、3级低压压气机、8级高压压气机、2级高压涡轮、3级低压涡轮，8级高压压气机具备先进的气动特性，增压比为14，平均级压比为1.39，整体比类似发动机减少了6级左右。 压气机和涡轮级数减少带来的好处是实实在在的，一般标准的发动机具有3500片低压压气机和低压涡轮叶片，而GTF发动机仅有约2000 片，可与增加的减速器的质量相抵消。 因此，与相应的非齿轮传动发动机相比，GTF发动机的维护成本预计可节省40%。 |
|
|
