齒輪傳動技術改變民用飛機發動機主體結構

    幾十年來，民用飛機發動機的主體結構一直沒有發生改變，直至齒輪傳動技術的出現改變了這一切。齒輪傳動是機械傳動中應用*廣的一種傳動形式，它的傳動比較準確、效率高、結構緊湊、工作可靠、壽命長。隨著齒輪傳動技術的發展，它也被運用于對傳動性能和*度要求更高的飛機發動機，這無疑對其結構設計和材料選擇提出了更高的要求。

    傳統的渦輪發動機推力主要來自發動機的高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪，空氣進入壓氣機壓縮后進入燃燒室，與燃料混合燃燒后產生高溫氣體沖出排氣噴口。同時，由于壓氣機與后方的渦輪同軸，高溫氣體通過在渦輪中膨脹做功，帶動壓氣機轉動。

    此后出現的渦扇發動機的工作方式也大致相同，它*大的變化就是“雙涵道”，風扇吸入的氣流一部分送進壓氣機（內涵道），另一部分則直接從渦噴發動機殼外圍向外排出（外涵道）。外涵和內涵的空氣流量之比稱為涵道比。涵道比對渦扇發動機性能影響較大，涵道比大，耗油率低，但發動機的迎風面積大；涵道比較小時，迎風面積小，但耗油率大。

    但為了實現這一點，進氣的風扇（進氣道）的大小不得不有所增加，同時，風扇的葉片不得不繼續變長，轉速也在不斷增快，任何一個方面的繼續增加都可能導致危險的振動。這增加了發動機在運轉時的不穩定因素。

    發動機齒輪傳動優勢

    正是為了降低不穩定因素，設計師想到了齒輪傳動技術，不同于原來通過氣流的變化控制發動機各部件的轉速，齒輪傳動通過調整不同規格齒輪的相互嚙合來改變轉速。這個設計有如下好處：首先，齒輪傳動結構有很好的穩定性，這樣減小了發動機的震動；另外，相互嚙合齒輪的轉速比是它們半徑比的倒數，因此只需要控制一個齒輪的轉速就能*控制所有與它直接或間接嚙合的所有齒輪的轉速，相較于傳統發動機不僅省去了對氣流參數的計算，而且結果更加*。

    使用齒輪傳動技術，可以使風扇做得更大。同時，這種設計又將允許其他部件如壓氣機和渦輪都穩定地運行在*佳轉速下，不受氣流變化的影響。更加重要的是，實現這一切功能，不過就是在保持原來的發動機結構不變的基礎上加裝一個完全可靠的減速齒輪箱。

    盡管齒輪傳動發動機相較于傳統發動機有明顯優勢，但它的穩定性是用增加齒輪結構過熱的風險換來的，或者說它將發動機結構的不穩定轉化成了熱量的不穩定。目前飛機發動機都要達到每分鐘幾萬轉，如此高速運轉，齒輪結構必然要摩擦并且生熱。這除了對齒輪材料的性能和散熱系統提出更高的要求外，還增加了飛機降落后發動機均勻冷卻的時間，會影響客機運營方面。

    PW1100G-JM首臺測試發動機

    早在2007年，普惠公司就發現傳統飛機發動機的問題，并提出了齒輪傳動發動機的概念。*終，作為普惠公司“靜潔動力”的標志性品牌，PW1100G-JM齒輪傳動渦扇發動機面世，并于2013年裝備空客A320neo客機，順利地完成了*試飛，并且計劃在2015年交付使用。此前成功的地面測試項目為首飛提供了準備，據悉地面測試項目進行了超過365個小時的地面性能測試和可操作性測試。PW1100G-JM發動機的推力達33000磅，這也是“靜潔動力”系列發動機的*大推力。

    自此，一切工作都進行得非常順利，齒輪傳動發動機也似乎將掀起民用航空發動機的一場變革。但就在2015年的*后一天，空客和普惠表示，*架搭載普惠發動機的空客A320neo宣布推遲交貨，原因可能正是減速齒輪箱引起的航空發動機冷卻不均勻。盡管普惠公司在齒輪傳動發動機的項目上遇到了一些問題，但是這一概念還是受到了廣泛的認可，除了普惠公司，俄羅斯和中國也在就齒輪傳動技術自主研發飛機發動機。

    英國的羅羅公司在齒輪傳動技術方面在全球處于*地位。目前，已經投入使用的美國第五代戰機F-35的升力風扇就采用了該公司的齒輪傳動技術，其推力高達29000磅，而且效率極高。為了應對更大功率齒輪箱研發的挑戰，羅羅公司斥資8700萬美元在德國建設了UltraFan發動機齒輪箱測試平臺。目前該公司*先進的發動機采用三軸系統，三個互相獨立的轉動軸各成一體，使得壓氣機和渦輪能在更接近于*佳條件下工作，從而提高發動機效率、減少壓氣機與渦輪級數。各軸的轉速還可根據需要相對獨立地調節，擴大了穩定工作范圍。按照計劃，齒輪傳動技術可能會被集成到三軸發動機系統中，使其成為兩軸半發動機，這樣其傳動的方式更加多樣化，發動機功率也會得到提升。

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