拒绝迁就----GTF技术满血复活双转子涡扇发动机
谁能想到，目前最先进的空客A320neo飞机，使用的普惠最新款大涵道比发动机，
居然背了一个死沉死沉的齿轮箱上去？
这是复古风，还是什么新科技？
请看本周专题。
齿轮传动涡轮风扇（GTF, Geared TurboFan）发动机采用的1 套齿轮减速机构，在保证低压涡轮高速旋转的同时，能使风扇以理想的低速旋转，从而降低了发动机的噪声与油耗。
GTF发动机因为具有低排放、低噪声、低油耗和低维护费用等优点被市场认可，成为下一代民用发动机的主要发展方向之一！
一、让我们先热身
涡轮风扇发动机由风扇、低压压气机(增压级压气机)、高压压气机、燃烧室、驱动压气机的高压涡轮、驱动风扇的低压涡轮和排气系统组成。其中高压压气机、燃烧室和高压涡轮三部分统称为核心机，由核心机排出的燃气中的可用能量，一部分传给低压涡轮用以驱动风扇，余下的部分在喷管中用于加速排出的燃气。
二、彼此迁就
双转子发动机说不出的苦
高涵道比涡扇发动机中，在风扇转子后还装有3～5 级低压压气机，以增加发动机的总压比及内涵道空气流量，统一由低压涡轮直接驱动；但这种设计存在先天缺点，即低压压气机、低压涡轮均未在它们的最佳转速下工作，
（一）低压压气机、低压涡轮想转快一点----诉求：每分钟万转级别吧！
叶尖速度越高越好！叶片机械（风扇、压气机与涡轮）是用叶尖切线速度 （u）表征其特点的，只要叶片（特别是榫根）强度足够，叶尖切线速度越大越好，因为叶片对空气作功（压气机、风扇）或气流对叶片作功（涡轮）的能力是与这个速度成正比的。
所以低压压气机、涡轮想转的快一点，提升空气流量和工作效率。
（二）风扇想慢一点----诉求：每分钟4千转级别吧！
1、考虑噪音、机械强度等因素，风扇的叶尖切线速度要有节制
发动机噪音很大部分是由于风扇造成的,而风扇的噪声又与叶尖切线速度的4次方成正比，同风扇直径下过高的叶尖切线速度又会要求叶片、榫根、叶盘强度和质量的增加。因此叶尖切线速度必须控制在合理范围。如PW4084 发动机，u=413.3 m/s；GE90 发动机，u=376.3 m/s。
绝大多数民航客机亚音速，而风扇叶尖速度已经率先超音速了！天天那么吵，还让不让人睡觉了！----机场村2组村民马永泰吐槽到。
2、高涵道比、大尺寸的涡扇发动机的风扇转速要求
增加涵道比（BPR，Bypass ratio）可提高推进效率，而增加风扇直径可显著提高涵道比。但直径增加又要控制叶尖速度的做法，风扇转速必须降低，以从而使损失和噪声最小。
现代的民用涡扇发动机的风扇尺寸已经达到吓人级别，像GE-90直径3.43米，该情况下转速要求降得更低了。
3、更大更慢的风扇则要求更大更重的低压涡轮去驱动
在降低风扇转速的要求下，低压压气机、低压涡轮的转速大大低于它们的最佳工作转速。较低的转速使得涡轮效率较低，为达到发动机总体设计要求，只能采用增加级数至4～5级乃至更多的低压涡轮来驱动风扇和增压级
迁就！双转子涡轮风扇发动机的转速选为风扇和低压涡轮最佳工作转速之间的一个折衷的转速，但风扇和低压涡轮都不能在最佳工作转速下工作。
（三）英国的罗罗和俄罗斯通过三转子发动机解决这个问题
风扇和低压压气机、涡轮转速期望不调和，那么分分开不就得了！！！
1、三转子发动机成就英国罗罗公司
三转子发动机是罗罗公司拿手绝活，研制生产出世界第一种三转子结构的RB--211涡扇发动机，在民用发动机市场独树一帜！（不过罗罗其实差一点被三转子拖累到破产）。
在三转子发动机中，风扇、中压压气机、高压压气机均在最佳转速下工作，因而使它的级数比双转子发动机的少。
2、江湖上还有另外一个会此功夫的国家----苏联
由于科学技术发达的美国至今也没有三转子涡扇发动机出现，所以很多人以为三转子涡扇发动机只有英国一个国家独揽。实际上世界上还有另外一个国家也掌握了三转子涡扇发动机这项顶尖技术，这个国家就是原来的苏联。苏联解体以后，这项技术分别落到俄罗斯和乌克兰两国。
研制成功三转子涡扇发动机航空发动机设计局有两个：一个是库兹涅佐夫设计局，库兹涅佐夫设计局的三转子发动机产品，著名的有HK-321、HK-93等；另外一个是伊夫琴科设计局，伊夫琴科设计局的三转子发动机产品有D -18T、D -36等。
（1）HK-321 (NK-321) 三转子涡扇发动机
HK-321是前苏联库兹涅佐夫设计局(现为萨马拉“劳动”科研生产联合体)研制的三转子加力式涡轮风扇发动机，用于图--160“海盗旗”(Blackjack) 四发变后掠翼远程超音速轰炸机，动力装置四台HK-321涡扇发动机，单台加力推力245千牛(25000千克力)。
（2）D-18T（Д-18T）（1982年12月AH--124首飞，装备D--18）
原苏联（现属乌克兰伊夫琴科-进步设计局）研制的三转子大涵道比、大推力涡扇----D-18T（安-124/225的心脏），D-18T发动机每台重4吨，推重比为5.7，最大推力23400千克力。
D--18T三转子涡扇发动机
AH-225商载250吨总重600吨，目前世界最大，装备六台D--18T发动机。
简而言之，三转子发动机优势是防止喘振、高压缩比、高旁通比、适合转速的巨大差别，但三转子结构的内、中、外三个套轴高速、大功率旋转，在结构动力学方面，尤其是振动、共振、过临界转速、三个转子的统筹控制等方面，技术难度难以想象。因此直到现在，三转子结构仍然是严重的技术挑战，也是技术水平的非凡标志之一。
有没有更好的解决办法？？？
三、脱颖而出
齿轮传动的涡轮风扇（GTF, Geared TurboFan）发动机脱颖而出
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：
（一）减速齿轮箱的质量、可靠性是决定齿轮风扇发动机设计成败的关键
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。
（二）高速低压压气机要重新设计，达到轻质、紧凑
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。
（三）低压涡轮也要适应高速
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。
四、组合拳
不仅仅是GTF，普惠30年磨一剑，打的是组合拳。
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%。
为了降低GTF 发动机研发的成本和风险，PW在该项目上采取了合作模式。
1、Avio 公司负责风扇驱动齿轮系统的研制；
2、MTU 公司（德国墨尼黑发动机和涡轮联合有限公司） 负责高速低压涡轮的研制。采用了欧洲CLEAN环境友好发动机部件的有效性技术验证研究项目的技术，使低压涡轮仅有3 级，而输出功率与之相似的V2500 发动机的为5 级；其设计特点为：切剪过的叶冠，质量较轻的钛铝叶片，叶根到叶尖之间的截面积增加，进行减根设计。
3、Volvo Aero 公司（沃尔沃航空公司）负责涡轮排气机匣的研制；
4、Goodrich 公司（古德里奇公司） 负责细长型引擎舱的研制。
在协同努力下，GTF发动机的第一种型号PW1500G在2008年10月首次进行测试并在2013年2月成功取证成功，各项指标圆满达成。
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。
上半图： GTF发动机
下半图： 传统双转子发动机
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%。
（四）其他先进技术
PW公司在GTF 发动机研制中采用其他先进技术还有富油-快冷速混-贫油(RQL) TALON 燃烧室，具有先进的燃油/ 空气喷嘴和混合器，融合了金属衬壁（浮壁）和冷却控制技术，以使在起飞、高海拔巡航和着陆时，该发动机氮氧化物排放很低。
五、成功商用
首架采用GTF动力的A320neo (New Engine Option) 是日交付给汉莎公司，发动机型号为 PW1100G-JM。截至日，空客向20家航空公司总计交付的88架A320neo，其中49架以PW1100G-JM为动力的（另外39架以LEAP-1A为动力）。
汉莎航空几家运营商确认，在起飞重量增加这一不利因素下，即使是在短程航线上，A320neo的每座耗油率仍然可比A320ceo降低15％。当飞行较长航线时，若增加两排座位，载客量从168人增加到180人，每座耗油率可降低16%～17％，在特定情况下甚至降低20％以上。
注意PW-1100发动机短舱明显的乌龟壳上、下板，可以强化气流掺混，让外涵道低速气流包裹内喷管的高速气流，屏蔽高排速气流的噪音。
德国汉莎拥有5架A320neo飞机，目前签派率是99.6％，预期达到99.7％。目前普惠公司需要解决发动机冷却问题，并将其再起动时间缩短至可接受的范围。其次是使发动机适应潮湿、炎热、污染和多盐的环境，目前该项工作还没有完成。
另外5月俄罗斯新型干线客机MC21-300完成首飞，比919略大，装的是普惠的GTF发动机PW1400G-JM。
普惠注重提高推进效率，当然竞争对手也没有闲着，CFM把精力放在热效率提升，LEAP发动机核心技术有:
碳纤维织物复合材料风扇,涵道比11；
双环预混旋流器(TAPS)燃烧室；
高压涡轮的陶瓷基复合材料叶冠；
低压涡轮的钛铝合金叶片。我国的大飞机C919采用的就是LEAP-1C发动机。
可以说GTF技术的介入，商用大涵道比涡扇发动机的竞争进入白热化。
六、军用GTF?望
普惠公司充满信心地展望GTF发动机技术也将面向军用航空动力领域。因为下一代轰炸机、第六代战斗机、战术运输机和侦察机的新需求都在不断涌现，迫切需要结构更优、进气流量更大的新型发动机，从而实现耗油率的改善。据英国《飞行国际》日报道，美国普惠公司确认其存在一种针对Advent和HEETE两项计划要求所开发的，用于下一代军用飞机的先进新型发动机--PW9000计划。PW9000是在F135和“静洁动力”PW1000G发动机的基础之上发展而来的，能产生44.5--134kN的推力，可用于多种其他新型飞机。抗衡竞争对手美国GE公司和英国罗罗公司的ADVENT计划。
ADVENT计划（自适应多任务发动机技术计划）建议采用第三股外涵气流来提高效率、提高空气流过核心机的速度，同样可以降低高速工作时的耗油率。PW9000的出世，也使得新一代战机用发动机市场的竞争愈演愈烈。
GTF发动机技术有希望成为下一代民用发动机的主要发展方向之一。鉴于GTF技术性能特点和性能优势，在支线飞机和单通道干线飞机发动机，乃至大推力发动机军用航空动力领域，有着诱人的市场应用发展前景。
感谢北航陈光教授！
同时本文编写并没有得到普惠公司的赞助，
如果普惠公司有意，
可以交给我一个风扇叶片世代保管（不收取保管费），谢谢！
我，一个劳动人民（ 新浪微博ID 超级LOVEOVERGOLD ），
写的很辛苦，
原创作品，转载请注明出处。
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