與傳統(tǒng)的雙軸直驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，普惠公司的齒輪傳動(dòng)渦扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)由于能夠使風(fēng)扇和低壓渦輪在各自理想的轉(zhuǎn)速下工作，具備高效率涨旨、低耗油率、低污染排放和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)拷拗，因此槽叮，普惠公司將GTF發(fā)動(dòng)機(jī)稱作“改變行業(yè)游戲規(guī)則的發(fā)動(dòng)機(jī)”。

隨著商用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展涩霞，低油耗津贩、低污染排放、高安全性成為了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)制造商競(jìng)相追求的目標(biāo)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上進(jìn)行了許多創(chuàng)新尝江。普惠公司在風(fēng)扇軸和低壓軸之間引入了行星齒輪箱涉波，并于2016年成功研制出了可配裝干線飛機(jī)的齒輪傳動(dòng)渦扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)PW1100G，標(biāo)志著萌芽于螺旋槳飛機(jī)中的齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)從小推力逐步擴(kuò)展到大推力炭序，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率的顯著提升和噪聲的大幅下降啤覆，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也因齒輪箱的引入而發(fā)生了重大變化惭聂。

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的沿革

行星齒輪箱在航空領(lǐng)域的應(yīng)用※早可追溯到活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)窗声，之后被應(yīng)用于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的誕生有著一段曲折的發(fā)展史辜纲。

圖1   GTF發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程

1951—2007年是GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的形成階段笨觅，主要應(yīng)用在小型發(fā)動(dòng)機(jī)上。法國(guó)透博梅卡公司在大力研發(fā)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)耕腾，在1950—1970年還陸續(xù)研制了3款采用行星齒輪箱的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)：阿斯平（Aspin）见剩、歐比斯克（Aubisque）和阿斯泰方（Astafan）。由于阿斯平只是試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)幽邓，所以歐比斯克被認(rèn)為是世界上第一臺(tái)GTF發(fā)動(dòng)機(jī)炮温。

美國(guó)蓋瑞（Garrett）公司于1970年成功研制出了TFE731發(fā)動(dòng)機(jī)，主要裝機(jī)對(duì)象是軍機(jī)和公務(wù)機(jī)核必，也是第一臺(tái)應(yīng)用于公務(wù)機(jī)的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)茸汇。

GE公司與美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）于1973年共同出資研究開發(fā)潔凈緊湊試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)（QCSEE），開發(fā)了一系列高新技術(shù)并應(yīng)用于風(fēng)扇葉片荒鳖、行星齒輪箱居饵、渦輪等部件之中。在NASA 1977年發(fā)起的高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)（E3）研究計(jì)劃中末昂，GE公司也嘗試在低壓渦輪和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子之間增加行星齒輪箱减严，但由于行星齒輪箱結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜并且維護(hù)費(fèi)用非常高，用戶對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式并不欣賞二蚓，因此GE公司開始更專注于核心機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用肮碗。

普惠公司從1957年開始在其研發(fā)的氫燃料渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中引入了行星齒輪箱，但由于液氫的儲(chǔ)存停就、運(yùn)輸和安全性要求遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平始踪，項(xiàng)目最終宣告失敗。20世紀(jì)80年代颈癌，在開式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的熱潮中洁糟，普惠公司繼續(xù)嘗試將行星齒輪箱應(yīng)用于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)之中。1998年猖败，普惠公司嘗試將其設(shè)計(jì)的行星齒輪箱應(yīng)用到PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)的研制之中速缆，但限于齒輪箱技術(shù)的高難度和持續(xù)高昂的資金投入需求降允，10年后，PW8000的研制也宣告失敗艺糜。在這一時(shí)期剧董，研制成功并投入使用的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)配裝了軍機(jī)和公務(wù)機(jī)，推力和涵道比都比較小倦踢，能夠用于商用的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)卻由于應(yīng)用準(zhǔn)備不足送滞、維護(hù)成本較高、技術(shù)難度大等問題只停留在了驗(yàn)證機(jī)階段辱挥，未能投入商業(yè)化的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)犁嗅。

為適應(yīng)綠色航空的要求，普惠公司在2008年決定再次發(fā)展GTF發(fā)動(dòng)機(jī)晤碘，并改稱為PW1000G系列褂微。目前，普惠公司研制的PW1000G系列發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)交付了3種型號(hào)（PW1100G园爷、PW1500G宠蚂、PW1900G），其中2016年交付的PW1100G發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是第一臺(tái)應(yīng)用于干線飛機(jī)的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)卷芜。與之前的小型GTF發(fā)動(dòng)機(jī)相比夷朽，PW1000G系列發(fā)動(dòng)機(jī)在推力和涵道比方面都有顯著的提升，其低油耗元粹、低噪聲的優(yōu)良特性也在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)中掀起了一輪GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)熱潮熄朴。羅羅公司在融合一系列顛覆性技術(shù)的“超扇”（UltraFan）發(fā)動(dòng)機(jī)中采用了行星齒輪箱，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能勺激、減排和降噪的目標(biāo)雾鸠，其※大推力可達(dá)到440kN，涵道比預(yù)計(jì)能達(dá)到15∶1捎滴。

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

與傳統(tǒng)的雙軸直驅(qū)式發(fā)動(dòng)機(jī)相比纪娄，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特征是引入了行星齒輪箱，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇軸與低壓軸的轉(zhuǎn)速分離悉契，能在各自的※佳理想轉(zhuǎn)速下工作启毁。但行星齒輪箱的引入也對(duì)GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)布局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，尤其是大量新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的應(yīng)用憔辞。因此访递，在GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中，需要高度重視組件之間的綜合匹配同辣，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的故障率和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

轉(zhuǎn)子支承方案

現(xiàn)代雙轉(zhuǎn)子風(fēng)扇直驅(qū)式大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用3支點(diǎn)方案惭载，即在風(fēng)扇端設(shè)計(jì)2個(gè)支點(diǎn)（滾珠+滾棒支承）旱函，在低壓渦輪端設(shè)計(jì)1個(gè)支點(diǎn)响巢。這種設(shè)計(jì)方案中，風(fēng)扇棒妨、低壓壓氣機(jī)和低壓渦輪之間的“拔河”作用會(huì)抵消大部分軸向力踪古。由于GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的齒輪箱只能傳遞扭矩而不能傳遞軸向力，以上抵消軸向力的設(shè)計(jì)思路無(wú)法在GTF發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)券腔。因此伏穆，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓系統(tǒng)需要重新設(shè)計(jì)支承方案來(lái)平衡風(fēng)扇產(chǎn)生的巨大軸向力（4種具有代表性的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)分別采用的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子支承方案詳見表1，典型的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)軸承位置和承力框架如圖2所示）纷纫。

圖2   GTF發(fā)動(dòng)機(jī)典型的軸承位置

表1   風(fēng)扇和抵壓轉(zhuǎn)子支承方案與承力框架

傳力路徑

傳力路徑的設(shè)計(jì)是由支點(diǎn)位置決定的枕扫，支承方案基本約束了承力框架的數(shù)量和位置，同時(shí)也確定了支點(diǎn)處外傳力的傳導(dǎo)路徑辱魁，因此不同的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的傳力路徑設(shè)計(jì)也有所不同燥颠。除了PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)之外，其他3種GTF發(fā)動(dòng)機(jī)均將風(fēng)扇后支點(diǎn)轨赦、齒輪箱睛赁、增壓級(jí)前支點(diǎn)支承于同一個(gè)承力框架下，這種設(shè)計(jì)能夠使風(fēng)扇和低壓轉(zhuǎn)子的軸向力在靜子上得到平衡谈芬，從而減小承力框架所受的軸向載荷中徙祥。

行星齒輪箱的設(shè)計(jì)

行星齒輪箱（如圖3所示）設(shè)計(jì)的第一步就是確定※佳的齒輪傳動(dòng)比，使風(fēng)扇和低壓渦輪都能在各自的※佳理想轉(zhuǎn)速下工作式蠢。行星齒輪箱的設(shè)計(jì)方案有兩種廉贤，即恒星系統(tǒng)和行星系統(tǒng)。在恒星系統(tǒng)中古告，一般由固定軸線的太陽(yáng)輪作為主動(dòng)輪帶動(dòng)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)輸入動(dòng)力楔答，行星輪則作為從動(dòng)輪輸出動(dòng)力；在行星系統(tǒng)中圣界，一般由固定在行星架上的行星輪作為主動(dòng)輪輸入動(dòng)力更假，太陽(yáng)輪則作為從動(dòng)輪輸出動(dòng)力。恒星系統(tǒng)適合于1.5～3.0∶1之間的減速比贷币，也適用于需要在風(fēng)扇和低壓渦輪之間反向旋轉(zhuǎn)的情況击胜；行星系統(tǒng)適合于3.0～5.0∶1之間甚至更高的減速比，并且適用于風(fēng)扇和低壓渦輪需要同向旋轉(zhuǎn)的情況役纹。PW1000G系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用的就是恒星系統(tǒng)偶摔，風(fēng)扇和低壓渦輪的反向旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)使其具有良好的氣動(dòng)性能。

圖3   行星齒輪箱的設(shè)計(jì)方案對(duì)比圖

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的行星齒輪箱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：一是大功率促脉，以達(dá)到大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的工作要求辰斋；二是緊湊高效，以保證較高的齒輪傳動(dòng)效率瘸味；三是高可靠性宫仗，以應(yīng)對(duì)不同工作環(huán)境甚至極端情況下的挑戰(zhàn)够挂；四是散熱和封嚴(yán)設(shè)計(jì)，以解決齒輪箱發(fā)熱量過大藕夫、齒輪箱和轉(zhuǎn)軸之間的不同心和振動(dòng)等問題孽糖；五是安裝隔振，以保護(hù)齒輪箱不受發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的振動(dòng)和撓曲影響毅贮。

低速風(fēng)扇

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇部件在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別不大办悟，主要的關(guān)注點(diǎn)有：GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比和風(fēng)扇直徑增大，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇葉片的質(zhì)量增大炊捻，因而需要在設(shè)計(jì)選材等方面進(jìn)行補(bǔ)償鸦呆，同時(shí)由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降、離心載荷變小拼建，也有利于選用低密度的鋁合金和復(fù)合材料墓永；風(fēng)扇葉片的葉尖速度減小，做功能力下降辜尝，因此需要采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)出滿足做功需求的新型葉片毫蚁。

高速增壓級(jí)

傳統(tǒng)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓級(jí)通常采用部分盤鼓結(jié)構(gòu)，即在最后一級(jí)轉(zhuǎn)子上設(shè)置一個(gè)盤心孔直徑較大雳址、厚度較薄的盤析深，其余部分則只有鼓而無(wú)盤，低壓軸的前端與風(fēng)扇盤相連敌痘。與傳統(tǒng)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比咨锐，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)中增壓級(jí)轉(zhuǎn)速提高、離心力的增大钢婆，傳統(tǒng)的部分鼓式結(jié)構(gòu)已無(wú)法承受增大的離心載荷系馁，因此需要采用完全的盤鼓混合結(jié)構(gòu)。

在葉盤連接方面窟扑，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)由于低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大喇颁、離心力增大，需要采用軸向燕尾形榫頭來(lái)增大對(duì)葉片離心力的承受能力嚎货。因此橘霎，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓級(jí)葉盤結(jié)構(gòu)更接近低壓壓氣機(jī)。

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)增壓級(jí)只采用一個(gè)軸承支承殖属，需要在設(shè)計(jì)中采取措施提高軸承的承載能力姐叁，并加強(qiáng)增壓級(jí)局部的剛性以提高其抗變形能力。此外洗显，還需在設(shè)計(jì)中通過動(dòng)力學(xué)分析來(lái)選取合理的支承位置外潜，將高轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)和變形降到※低。

高速低壓渦輪

大幅提高低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速提升了渦輪的做功能力挠唆，相比傳統(tǒng)的風(fēng)扇直驅(qū)式發(fā)動(dòng)機(jī)处窥，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪級(jí)數(shù)顯著減少扮念。此外，相對(duì)于傳統(tǒng)低壓渦輪葉片碧库，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的高速低壓渦輪葉片具有3個(gè)顯著特點(diǎn)：小葉冠、錐形身和厚榫頭功跑，可以減小葉片的離心力使離心載荷沿葉身的分布更加均勻乞哀；將葉片設(shè)計(jì)成由葉根至葉尖逐漸變細(xì)的錐形結(jié)構(gòu)，可以減輕葉片質(zhì)量荞谬；用縱樹形榫頭連接葉根并且加長(zhǎng)榫頭的軸向厚度趣情，可以提高葉根的承載能力。

主要故障及解決方案

自大推力的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)以來(lái)字拗，各項(xiàng)設(shè)計(jì)開始接受實(shí)際使用的檢驗(yàn)纺辟。在解決故障的過程中，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)關(guān)鍵設(shè)計(jì)也日臻成熟蝠盘。

附件齒輪箱故障

2019年6月28日脾仁，美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）發(fā)布了一條適航指令（FAA-2019-0393）：因?yàn)橐延卸嗥鸢l(fā)動(dòng)機(jī)的空中停車（IFSD），要求普惠公司更換PW1100G的附件齒輪箱和發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器（EEC）的軟件版本苔免。相關(guān)調(diào)查報(bào)告表明秕栓，附件齒輪箱內(nèi)部的一體化驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)（IDG）/主滑油泵（MOP）驅(qū)動(dòng)齒輪在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到特定轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，在高周疲勞和共振的共同作用下導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)齒輪出現(xiàn)斷裂更启。為此邢入，普惠公司重新設(shè)計(jì)了附件齒輪箱的IDG/MOP驅(qū)動(dòng)齒輪，采用了軸向更厚的齒輪腹板趴荸、徑向更厚的齒輪緣并且減小了齒尖壓力儒溉，從而提高了齒輪的耐久性和可靠性。此外发钝，普惠公司還用一套全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）軟件替換了原有的EEC軟件顿涣，優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)以縮短共振的時(shí)間，從而降低了驅(qū)動(dòng)齒輪斷裂的可能性笼平。

高壓轉(zhuǎn)子的熱彎曲問題

普惠的GTF發(fā)動(dòng)機(jī)在剛投入運(yùn)營(yíng)時(shí)出現(xiàn)了高壓轉(zhuǎn)子的熱彎曲問題园骆。為此，普惠公司首先把起動(dòng)間隔時(shí)間增加到了7min寓调，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻[1]锌唾。但該措施引起了用戶的強(qiáng)烈不滿，普惠公司隨后采取了以下改進(jìn)措施：在3號(hào)夺英、4號(hào)的支點(diǎn)處加裝了彈性支座晌涕，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)值；在第8級(jí)的葉尖上涂上了一層立方氮化硼（CBN）痛悯，一旦它與圍繞葉尖的環(huán)形耐磨襯環(huán)發(fā)生磨碰余黎，就會(huì)在耐磨襯環(huán)上擦出一條與葉片寬度一致的槽道弛镣，即可減少漏氣損失；升級(jí)了FADEC的軟件才擒，使發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)間隔時(shí)間縮短至200s（2016年12月）钩裆，與V2500發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間大致相同。

軸承腔封嚴(yán)處泄漏

截至2017年年初善瞧，印度靛藍(lán)航空公司累計(jì)訂購(gòu)了約430臺(tái)PW1100G發(fā)動(dòng)機(jī)图盖。2016年1月—2017年2月，靛藍(lán)航空的空客A320neo飛機(jī)共更換了42臺(tái)PW1100G發(fā)動(dòng)機(jī)蓬肢，其中有28臺(tái)是由于3號(hào)軸承腔的封嚴(yán)處泄漏使金屬微粒進(jìn)入了滑油腔企著，最終激發(fā)了滑油碎屑探測(cè)器報(bào)警。3號(hào)軸承腔的封嚴(yán)處泄漏是由于FADEC的程序存在問題魂中，PW1100G發(fā)動(dòng)機(jī)中所用的端面石墨密封裝置在一定高度上密封處氣體壓力不足冒溜，使端面石墨不能和相應(yīng)的密封面緊密接觸，才導(dǎo)致一些金屬碎屑進(jìn)入滑油腔香题。因此饶辆，普惠公司用刷封替代了端面石墨密封，并于2017年4月完成了此項(xiàng)改進(jìn)绊寻。

結(jié)束語(yǔ)

在經(jīng)濟(jì)因素的驅(qū)動(dòng)和航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的大背景下花墩，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)將向著更高的涵道比、更大的風(fēng)扇尺寸和更先進(jìn)的渦輪技術(shù)等方向發(fā)展澄步，并且將與混合電推進(jìn)技術(shù)相結(jié)合冰蘑，以持續(xù)聚焦低油耗、低噪聲村缸、低排放和高可靠性的目標(biāo)祠肥。

（梁晶晶 孫楊慧 等 航空動(dòng)力 期刊 ）

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