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媒体 | 解读罗罗下一代航空大型发动机

罗尔斯罗伊斯

2016-08-26

导读：未来民用发动机的重大技术突破将有哪些？从罗罗的Advance和UltraFan发动机中能够窥知一二。

文章转载自：国际航空贠红

原标题：罗罗下一代民用发动机研制取得实质性进展

罗罗公司编号为Advance 3的验证机正在英国布里斯托进行最后组装,

并在德比进行首次点火试车。

这意味着罗罗公司自20世纪60年代推出RB211，

奠定了大型涡扇发动机研发基础以来,

在民用发动机领域又向前迈出了坚实的一步。

鉴于飞机气动性能优化的空间已非常有限, 人们把关注的焦点转移到如何进一步提升发动机的推进和燃烧效率上。

罗罗公司通过开展Advance和UltraFan项目,有望在未来几年实现民用发动机的重大技术突破。

Advance核心机点火试车在即

罗罗的Advance 3验证机是一个混合体,由来自遄达XWB-84的机匣和风扇系统以及遄达1000的低压涡轮和一个全新的核心机组成。

Advance核心机包括新的高压和中压压气机、贫油燃烧室、带有陶瓷基复合材料(CMC)封严段和先进冷却涡轮叶片。该核心机在负载分配上有了很大的变化,高压压气机由两级高压涡轮驱动以承担更大的工作负载,而单级中压压气机负载较轻, 使得Advance发动机可以更经济的方式得到所需增压比。

以此为基础, UltraFan再将其中压转子与一个齿轮驱动的低压风扇系统整合在一起,可以显著增大涵道比。

(碳/钛合金复合材料风扇系统）

在Advance项目下,罗罗公司计划用全新研发的增压比超过60的高压核心机打造下一代涡扇发动机系列。预期在2020年投入使用的Advance发动机的涵道比将超过11, 燃油消耗率比目前的遄达700至少降低20%。

而UltraFan将在Advance核心机的基础,进一步改进中压涡轮设计,通过齿轮系统来驱动风扇。预期 2025 年以后投入使用的UltraFan发动机在采用齿轮驱动可变桨距风扇后,其总增压比达到70,涵道比有望达到15 ,燃油消耗率将比遄达700至少降低 25%。

(UltraFan概念图）

Advance的技术还可用于改进现有的或未来的发动机,如果波音公司的新中型飞机(New Midsize Airplane)在2025年以后投入使用,Advance和UltraFan都可作为其备选动力装置。

Advance项目在低压系统的减重方面也取得大量成果。为提高推进系统效率, 需要采用更轻的叶片和机匣。尽管罗罗公司针对碳钛复合材料(CTi)风扇系统的飞行试验已经结束,但在 2016 年还会继续开展进一步的评估,包括对一台全尺寸构型遄达1000发动机进行地面试验以及风扇系统结冰试验。

减重后的风扇系统已经经过试飞和地面试验并积累了足够多的数据,在需要时可用于申请适航认证。

(Advance以及UltraFan风扇叶片第一次飞行测试）

验证试验保证高质量

罗罗公司已完成风扇直径为2.84m(112in)风扇叶片的测试,可用于遄达1000 发动机。现在正在进行风扇直径超过3.05m(120in)的风扇叶片测试,已完成了鸟击试验,还将进行极端环境条件试验, 最后还会在柏林的61号新测试台上开展一系列的发动机测试,以对标准钛合金和新的复合材料风扇叶片的性能进行对比验证。

验证试验从2015年12 月开始,安装了全尺寸复合材料风扇和机匣的发动机整机测试将于今年秋季开始。

Advance和UltraFan发动机更高的核心机工作压力意味着更高的工作温度,因此针对先进冷却金属部件和CMC 的研究也将继续进行。

罗罗公司将在其高温涡轮技术(HT3)项目中,用一台改装过的遄达 XWB-97发动机进行相关技术验证,重点是对采用罗罗铸造黏结工艺制造的转子叶片和静子叶片进行测试,其中一个是基本结构完整性和系统功能性的测试,另一个是1000次循环测试以确认其技术性能。

罗罗公司表示, 将铸造黏结、CMC、冷却空气和减重新技术用于发动机总体结构设计的效果非常好,如果将这些技术运用在UltraFan上,将会显著降低燃油消耗,同时也会改善碳排放。

(进行测试的遄达1000发动机）

在Advance 3验证机项目中,压气机也是研究的重点。一台4级中压压气机已在罗罗公司位于德国维尔道的AneCom工厂进行了测试,而传统的遄达发动机的中压压气机为8级。

测试台由先进的三维设计跨声速和超声速级叶片、整体式压气机—涵道以及改进的流道构成。罗罗公司有一台10级组成的高压压气机测试台,该测试台已经从德比搬迁到AneCom工厂并进行了测试台的验证试验,为测试工作做好了准备。虽然罗罗公司之前曾在小型发动机上开展过这样的测试,但在大发动机上对大尺寸多级压气机进行试验还是第一次。

(用于Advance和UltraFan发动机上的10级高压压气机即将开始台架试验。）

贫油燃烧技术方面的测试也将继续。经过数年试验之后,贫油燃烧技术目前正处在最后的验证阶段。罗罗公司将新技术燃烧室置于发动机中,测试其在发动机整机层面上的性能。

高空台测试已于 2015 年12月在德国斯图加特的航空压气机研究院完成,接下来将在德比进行海平面性能测试。

(Advance以及UltraFan风扇叶片第一次飞行测试）

罗罗公司下一步还将在位于密西西比州的美国航空航天局斯坦尼斯(NASA-Stennis)测试站对新燃烧系统进行噪声测试,此外还将在马尼托巴工厂开展冷天启动的评估工作,计划在 2017年将贫油燃烧室装于飞行测试台上进行飞行试验。

按照计划,UltraFan验证机设计方案将在2017年年底冻结。罗罗公司现在的主要任务是开展动力齿轮箱的测试,并测试下一代低速风扇和钛铝合金中压涡轮的性能。

通过欧盟的清洁天空研究项目,罗罗公司正与西班牙ITP公司合作开展中压涡轮研制,与GKN公司合作开展中介机匣研制。罗罗公司还与利勃海尔公司成立了一家平股合资公司,共同开展齿轮系统研制。

现有产品研发状况

在罗罗公司看来, 2016年应该是令人兴奋的一年。除了 Advance 和 UltraFan 项目取得重大进展之外,罗罗公司为787飞机研发的遄达1000-TEN发动机的首台生产型发动机也实现交付。

在经历一年多的延误之后,该发动机有望在2017年正式投入使用。遄达1000-TEN是罗罗公司以遄达XWB-84发动机为基础,采用了Advance 3 验证机项目中的一些新技术,为787-8/-9飞机开发的一款发动机,将来也可作为787-10的动力装置。相比目前的遄达1000Package C, 遄达 1000-TEN的燃油消耗率可再降低2%,这将成为它与GEnx-1B竞争的关键因素。

随着A350-1000飞机今年年底首飞节点的临近,罗罗公司为其开发的首台遄达XWB-97试飞用发动机已交付空客公司,第2台发动机也交付在即。

(遄达XWB-97发动机助力空客A350-1000机型）