主题：【原创】漫谈涡扇发动机系列之转子 -- 毛驴骑士

如今固定翼飞机所用的航空发动机，基本已经是涡扇的天下。“慢！中国前段时间刚刚定型的‘昆仑’不就是涡喷吗？”看官您先别急，“昆仑”性能是不错，或者说是如今涡喷发动机的极致（推重比能做到8的涡喷委实不易），可是毕竟出发点是改进中国的歼7、歼8，只能算是一个个例甚至是中国航空工业的一种无奈，如今的主流仍然是涡扇。

对涡扇来说，军用战斗机和运输机以及商用客机走上了两条不同的道路。军用战斗机要求发动机推重比高，总量轻，迎风面积要小，而且一般要求能超音速飞行，所以走的是小涵道比的路子。而对商用客机而言，对机动性能以及加速性能并没有很高的要求。想想也是，谁也受不了坐飞机要横滚、垂直爬升、高G转弯、眼镜蛇机动……估计你下了飞机多半这辈子都不要再坐飞机了。对客机而言，发动机要求推力大，油耗低，寿命长，噪音低，维护简单。所以，走的是高涵道比的路子。

关于涵道比，在这里简单介绍一下：对于涡扇发动机来说，从进气口进入发动机的气流分成两部分，一部分只是经过风扇增压，然后从发动机外涵排出产生推力；另外一部分，经过低压压气机、高压压气机进入燃烧室燃烧做功，驱动后面的高压、低压涡轮，进而通过涡轮驱动风扇以及压气机。而这两部分的气流的流量比，就是涵道比。

贴一张普惠的PW6000的图，看得能清楚一点。从左往右，挨个数，最大个的是风扇，然后气流开始分家，一部分从外涵道直接跑掉，剩下的进入低压压气机（浅蓝色部分），再到高压压气机（深蓝色部分）进入燃烧室，再到后面的高低压涡轮（深红色部分）。

涡轮一般分成两部分：高压涡轮和低压涡轮。一般来说，高压涡轮驱动高压压气机，转速较高；压涡轮驱动风扇和低压压气机，转速较低。这样一共有两根驱动轴，也就是俗称的双转子的由来。

当然，也有人说，俩轴太烦，咱可以从前到后都串在一根轴上，这样结构大为简单，诚然，这样做结构简单，加工方便，最直接的结果就是省钱，但是，有条真理说得好：世上没有白吃的午餐。一方面的节省就总要在另一方而复出相应的代价。

首先从理论上来说，转子结构的涡扇发动机的压气机可以作成任意多的级数以期达到一定的增压比。可是因为单转子的结构限制使其风扇、低压压气机、高压压气机、低压涡轮、高压涡轮必须都安装在同一根主轴之上，这样在工作时他们就必须要保持相同的转速。问题也就相对而出，当单转子的发动机在工作时其转数突然下降时（比如猛收小油门），压气机的高压部分就会因为得不到足够的转数而效率严重下降，在高压部分的效率下降的同时，压气机低压部分的载荷就会急剧上升，当低压压气机部分超载运行时就会引起发动机的振喘，而在正常的飞行当中，发动机的振喘是决对不被允许的，因为在正常的飞行中发动机一但发生振喘飞机十有八九就会掉下来。为了解决低压部分在工作中的过载只好在压气机前加装导流叶片和在压气机的中间级上进行放气，即空放掉一部分以经被增压的空气来减少压气机低压部分的载荷。但这样以来发动机的效率就会大打折扣，而且这种放掉增压气的作法在高增压比的压气机上的作用也不是十分的明显。更要命的问题发生在风扇上，由于风扇必须和压气机同步，受压气机的高转数所限单转子涡扇发动机只能选用比较小的函道比。比如在幻影-2000上用的M-53单转子涡扇发动机，其函道只有0.3。相应的发动机的推重比也比较小，只有5.8。而对商用发动机来说，单转子结构根本不予考虑。

为了提高压气机的工作效率和减少发动机在工作中的振喘，咱们可以用双转子来解决问题，让发动机的低压压气机和高压压气机工作在不同的转速之下。这样低压压气机与低压涡轮联动形成了低压转子，高压压气机与高压涡轮联动形成了高压转子。低压转子的转速可以相对低一些。因为压缩作用在压气机内的空气温度升高，而音速是随着空气温度的升高而升高的，所以而高压转子的转速可以设计的相对高一些。既然转速提高了，高压转子的直径就可以作的小一些，这样在双转子的喷气发动机上就形成了一个“蜂腰”，而发动机的一些附属设备比如燃油调节器、起动装置等等就可以很便的装在这个“蜂腰”的位置上，以减少发动机的迎风面积降低飞行阻力。双转子发动机的好处不光这些，由于一般来说双转子发动机的高压转子的重量比较轻，起动惯性小，所以人们在设计双转子发动机的时候都只把高压转子设计成用启动机来驱动，这样和单转子发动机相比双转子的启动也比较容易，启动的能量也要求较小，启动设备的重量也就相对降低。

但是双转子也不完美，问题就处在风扇上，图上可以看到，一个贼大贼大的风扇和相对细小很多的低压压气机连动，一般人也能看得出来这样匹配肯定不好，效率也不可能高到哪里去。风扇为了将就低压压气机就要提高转速，这样直径相对比较大的风扇所承受的离心力和叶尖速度也就要大，巨大的离心力就要求风扇的重量不能太大，在风扇的重量不能太大的情况下风扇的叶片长度也就不能太长，风扇的直径小下来了，函道比自然也上不去，而实践证明函道比越高的发动机推力也就越大，而且也相对省油。而低压压气机为了将就风扇也不得不降低转数，降低了压气机的转数压气机的工作效率自然也就上不去，单级增压比降低的后果是不得不增加压气机风扇的级数来保持一定的总增压比。这样压气机的重量就很难得以下降。

于是，又有人说了，咱们可以再分一级嘛，把风扇和低压压气机分开，让他们各自管各自的，这样不是效率就高了吗？是的，这就是三转子的结构。

所谓三转子就是在二转子发动机上又了多了一级风扇转子。这样风扇、高压压气机和低压压气机都自成一个转子，各自都有各自的转速。三个转子之间没有相对固定的机械联接。如此一来，风扇和低压转子就不用相互的将就行事，而是可以各自在最为合适的转速上运转。设计师们就可以相对自由的来设计发动机风扇转速、风扇直径以及函道比。而低压压气机的转速也可以不受风扇的肘制，低压压气机的转速提高之后压气的效率提高、级数减少、重量减轻，发动机的长度又可以进一步缩小。

最喜欢这样结构的，是英国的老牌发动机公司：Rolls-Royce，对大多数人而言，他的另外一个名字，另外一个产品更加如雷贯耳，那就是劳斯莱斯。罗.罗公司基本上所有的涡扇发动机用的都是三转子结构。

但是，还是那句老话：天下没有白吃的午餐。三转子固然有上述优点，但和双转子发动机相比，三转子结构的发动机的结构进一步变的复杂。三转子发动机有三个相互套在一起的共轴转子，因而所需要的轴承支点几乎比双转子结构的发动机多了一倍，而且支撑结构也更加的复杂，轴承的润滑和压气机之间的密闭也更困难。

说道这里，想起另外一件事情，前两年美国一大牌发动机公司年终颁奖，最佳年度成就奖给了公司研究合金的一老兄。这老兄确实也有两把刷子，他研究的合金可以在减重50％的条件下还能使发动机的驱动轴达到原来的强度和扭曲裕度。颁奖的时候宣布这个消息大家都非常震惊，一半的人是因为这合金确实非常牛，而另外一般，则都是被吓的，因为得知驱动轴工作的时候居然扭曲了那么多，坐飞机的时候，心有戚戚焉。

虽是题外话，却从中可以看出驱动轴的不易，想想也是，长达4米左右，还要承受每分钟几千甚至上万转的高转速，又是高温，传递的功率高达上万千瓦，这确实挑战非常之大，你还要轴套轴再套轴，这实在是太太太困难了。所以，世界上目前的涡扇发动机，只有英国的罗罗用的是三转子，其它如普惠。GE都是双转子结构。

写道这，诸位看官要问了，那有没有更好的办法呢？答案当然是肯定的，那就是齿轮驱动技术。挺起来好像挺玄乎，其实原理很简单：你不是不想增加一根轴来使风扇和低压机错开么？那我在前面加个减速齿轮箱不就完了吗？这样一来，调节不同的齿轮减速比，就可以很方便的使风扇和低压压气机分别工作在各自效率最高的转速。

想法是非常好，但是从普惠70年代提出齿轮驱动的概念一直到90年代开始论证，估计要到2010年第一种实用的齿轮驱动涡扇发动机——PW8000才能投入使用，难点就是齿轮减速系统。一是转速要高，虽然是要把速度减下来，但是还是有每分钟数千转，那可不是驱动一个轮胎，驱动的可是一个直径两米的大家伙。二是总量要轻，虽然高功率减速齿轮系统几十年前就成熟，但是毕竟不能拿到发动机上，要不然，飞机能不能飞起来还是问题，再说了，发动机也没那么大地方搁去。三是传递功率要大，以PW8000为例，其减速齿轮额定功率23800千瓦，也就是32300马力，这么大的功率，要求可靠工作，实在不易。

还好，这个世界上有德国人，天生的机械天才。于是普惠和德国的MTU以及意大利的菲亚特（多些意大利的浪漫来化解德国人的死板？）勾搭在一起，朝着齿轮驱动这个方向猛攻。之前MTU和菲亚特合作ADP (advanced ducted propulsor)，就研究高功率的齿轮驱动系统，后来ADP取消了，研究成果正好用在了PW8000身上。

PW8000发动机的齿轮箱是一个行星系统，具有结构紧凑、质量轻、热负荷较低（比预计的低50％）等特点。在此结构中，低压转子进口轴和太阳齿轮驱动5个小行星齿轮，行星齿轮在轴颈轴承上转动,并驱动环形齿轮，环形齿轮再驱动风扇轴。其齿轮箱环形齿轮质量为220kg，直径为0.4318m（17in），减速比为3：1，额定功率为23800kW(32300shp)，效率高达99%。

PW8000发动机的齿轮箱系统在润滑、冷却系统、轴承和控制齿轮箱的挠曲等方面（而不是在齿轮箱本身的机械方面）进行了设计革新。润滑和冷却系统的改进主要来自于"齿轮箱中80%的发热实际上都来自涡流的形成，而不是润滑"这一研究结果。改进设计的新润滑系统将滑油循环出齿轮的速度提高了1倍，滑油只传输到齿轮箱内真正需要润滑的区域，然后尽快循环出齿轮箱，高效地排出热量，防止热负荷的堆积。对轴承系统进行了重新设计，实现了真正的自对准。齿轮箱中轴颈轴承取得的最大改进得益于采用电子机械分子涂层工艺，大大加强了轴颈轴承所用的不同材料的粘结效果。设计了1个特殊的真空膜盒（波纹管），将齿轮箱与发动机其余部分隔开，使齿轮箱不受发动机工作时产生的挠曲损伤。减速齿轮箱采用了"自定中心"的技术，消除了齿轮错位和应力。

这样一来，PW8000的涵道比可以高达11.1，而且油耗更低，据普惠宣称，一架载客120人左右的支线客机，如果选用PW8000，一年可以节省60万美元，这是相当客观的，尤其是在航空业竞争激烈的今天。

展望未来，随着材料和加工工艺的进步，会有推重比更大，油耗更低，噪声更小的发动机出现，那时，乘坐飞机也许不再是一件痛苦的事情。

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