谁能想到最先进的空A320 neo客机使用了最新的大涵道比普惠发动机。
居然背着一个很重的变速箱？
这是复古风格还是新技术？
请看本周话题。
GTF齿轮涡轮风扇发动机(GTF)采用一套齿轮减速机构，可以保证低压涡轮的高速旋转，使风扇以理想的低速旋转，从而降低发动机的噪音和油耗。
GTF发动机以其低排放、低噪音、低油耗和低维护成本的优势得到了市场的认可，成为下一代民用发动机的主要发展方向之一！
首先，让我们先热身
涡扇发动机由风扇、低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮驱动压缩机、低压涡轮驱动风扇和排气系统组成。其中，高压压缩机、燃烧室和高压涡轮统称为核心发动机。从核心发动机排出的气体中的一部分可用能量被传输到低压涡轮以驱动风扇，其余的在喷嘴中用于加速排出的气体。
第二，互相迁就
双转子发动机无法形容的痛苦
在高涵涡扇发动机中，在风扇转子后安装3 ~ 5级低压压气机，以增加发动机的总压比和内导管空气流，由低压涡轮直接均匀驱动。然而，这种设计具有固有的缺点，即低压压缩机和低压涡轮机都不能以它们的最佳速度工作。
D-18T(安-124/225的心脏)，前苏联研制的大涵道比大推力三旋翼涡扇发动机(现隶属乌克兰伊夫琴科-进步设计局)，每台D-18T发动机重4吨，推重比5.7，最大推力23,400 kgf。
D-18t三转子涡扇发动机
AH-225是世界上最大的，商业载荷为250吨，总重量为600吨。它配备了六个D-18 T发动机。
简而言之，三转子发动机的优点是防止喘振、高压缩比、高旁通比和大速度差。但很难想象结构动力学的技术难度，尤其是振动、共振、超临界转速、三个转子的整体控制。因此，直到现在，三转子结构仍然是一个严重的技术挑战，也是技术水平的非凡标志之一。
有没有更好的解决办法？？？
第三，脱颖而出
齿轮驱动涡轮风扇发动机(GTF)脱颖而出
如果在低压涡轮、低压压缩机和双转子发动机的风扇之间安装一个减速器，前两者可以以最佳速度工作，然后通过减速器将速度降低到风扇的最佳速度，带动风扇工作。这样三个部件都以最佳速度工作，自然可以减少级数，达到发动机优化设计的目的。
虽然GTF技术不同于三转子发动机的概念，但它也能解决压缩机和风扇转速之间的矛盾。但是由于减速箱的引入，风扇的直径和发动机的质量必然会增加。如果质量问题不能很好的解决，齿轮风扇很难应用；同时，由于减速箱的引入，风机转速与低压转子转速分离，给高速低压压缩机和高速低压汽轮机带来了新的技术挑战。工程实施中的困难包括:
(1)减速箱的质量和可靠性是齿轮风扇发动机设计成败的关键
由于减速器采用大量高速重载齿轮和轴承，其工作条件苛刻，需要在高输入转速(约10000转/分)和高传动功率(30000 ~ 40000千瓦以上)下安全可靠地工作，这在现有技术条件下是很难实现的。即使传输效率达到97%，产生的热量达到900Kw，也足够驱动一辆主战坦克。这将在润滑、冷却和变速箱变形控制技术上取得突破，使减速箱能够满足轻量化、高效率和高可靠性的设计要求；
齿轮减速器的行星齿轮结构如上图。减速齿轮系统中间的太阳齿轮驱动低压涡轮(LPT)的动力，低压涡轮由围绕太阳齿轮的五个行星齿轮减速后传递到外齿轮，外齿轮与风扇连接。
(2)应重新设计高速低压压缩机，使其重量更轻、更紧凑
由于GTF风扇转速与低压转子转速相分离，因此高速低压压缩机需要以比传统风扇更高的转速和马赫数工作。同时，由于增加了变速箱，其直径增大，重量需要尽可能减小。因此，高速低压压气机的设计面临气动性能和结构完整性方面的技术挑战，需要突破轻量化、紧凑化的高速低压压气机设计技术。
(3)低压涡轮也应适应高速
风机转速和低压转子转速的分离将对低压汽轮机的设计产生决定性的影响。传统低压涡轮的高效率得益于中等亚音速流动马赫数，而高速低压涡轮的高切向速度使整个流道处于跨音速流动状态，流道内的激波阵面与边界层相互作用产生损失，降低效率。同时，高切向速度导致涡轮盘上的高机械负荷。极高的离心载荷会导致轮毂截面、叶片横截面和厚度明显大于传统低压涡轮叶片，并增加低压涡轮的重量。因此，在齿轮风扇发动机的开发中，有必要突破高效、轻量化、高速、低压涡轮的设计技术。
此外，驱动风扇的减速器可以使风扇独立于低压压缩机和涡轮运行，低压涡轮和发动机风扇轴之间的齿轮传动系统必须采用柔性连接。
第四，组合拳
不只是GTF，普惠30年磨剑，打组合拳。
20世纪80年代，PW投资3.5亿美元研发了一种驱动风扇的减速器。当时取得突破性进展，研制出传动功率24,000 kW，减速比3:1左右(输入转速9160 rpm，输出转速3250 rpm)的减速器。
90年代末，PW提出研制高涵涵道比(涵道比10)的PW8000涡扇发动机。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0.98公斤)、可靠性高、传动效率高达99.5%等特点。它不仅功率损耗小，而且冷却润滑齿轮传动装置的润滑油温升仅为27℃，大大减少了冷却润滑油的散热器体积，使用寿命指标为30000小时。该减速器已被PW8000选为驱动其风扇的减速器，使PW8000成为大推力级发动机中第一台带齿轮驱动风扇的发动机。
21世纪，大型客机发动机市场呈现行业加速集中、三方对抗、市场竞争加剧的新趋势。PW公司在军工产品上也面临着强大的竞争压力。
PW押注GTF，试图赢回节节败退的民用发动机市场，期待在酝酿中的新一代单通道客机市场竞争中挑战CFM国际公司(CFMI)的主导地位，希望成为低推力水平的强劲竞争对手。在2008年7月的法恩伯勒航展上，普惠公司将GTF命名为“纯动力1000 GTM”，涵盖推力水平为66.7 ~ 133.5千牛的新型齿轮风扇发动机
与目前的发动机(如V2500或CFM56)相比，PW为其设定的目标是:
1.维护成本降低40%
2.噪音水平比国际民航组织第4章低约15分贝
3.排放量比CAEP二号的限制低70%。
为了降低GTF发动机研发的成本和风险，普华永道在本项目中采用了合作模式。
1.Avio公司负责开发风扇驱动齿轮系统；
2.MTU公司(德国莫奈发动机涡轮有限公司)负责高速低压涡轮的开发。采用欧洲CLEAN环保发动机部件效能技术验证研究项目技术，低压涡轮只有3级，而输出功率相近的V2500发动机输出功率为5级；设计特点是:切割后的叶片冠部，较轻的钛铝叶片，叶根与叶尖之间的截面积增大，进行了降根设计。
3.沃尔沃航空公司(Volvo Airlines 空公司)负责开发涡轮排气机壳；
4.古德里奇公司负责细长发动机舱的开发。
在大家的共同努力下，GTF第一台PW1500G型发动机于2008年10月进行了首次测试，并于2013年2月顺利获得证书，各项指标均顺利达到。
总体来说，PW1000G发动机有以下优点:
(a)大的旁通比
GTF发动机的涵道比达到12，大约是CFM56和V2500发动机的两倍。随着涵道比的增加，涡扇发动机的燃油消耗降低了12%。
(2)风扇进一步降低速度并降低噪音
GTF技术使风扇、低压涡轮机和低压压缩机能够以合适的速度工作。为了降低风机噪声，将叶尖切向速度降低到u=324 m/s，噪声级完全降低15分贝。发动机进近噪音比起落架和襟翼低，也是沿线人民的福利。
但是，当叶尖速度过低时，也会影响效率。PW公司采用先进的CFD对叶尖进行处理，使其具有先进的性能，通过补充叶尖速度来降低效率。
(3)风扇重量减轻、级数和叶片
标准的非齿轮传动发动机有22 ~ 24个叶片，而GTF发动机只有20个后掠风扇叶片，因此后者风扇系统的质量降低；GTF发动机的风扇直径是81英寸，2.06米。叶片为双弧形，无中间肩，空中心，重量轻，气动性能好。
以PW1100G-JM为例，采用1-G-3-8-2-3、一次风机、一个齿轮减速器、3级低压压缩机、8级高压压缩机、2级高压涡轮、3级低压涡轮。8级高压压气机具有先进的气动特性，增压比为14，平均级压比为1.39，比同类发动机整体少6级
上半部分:GTF发动机
下半部分:传统双转子发动机
减少压缩机和涡轮级带来的好处是真实的。通用标准发动机有3500个低压压气机和低压涡轮叶片，而GTF发动机只有大约2000个叶片，这可以通过增加减速器的质量来抵消。
因此，与相应的非齿轮发动机相比，GTF发动机的维护成本预计可节省40%。
(4)其他先进技术
PW公司在GTF发动机开发中采用其他先进技术包括富-快-冷-快-混-稀(RQL) TALON燃烧室，该燃烧室具有先进的燃料/空气体喷嘴和混合器，并集成了金属内衬(浮动壁)和冷却控制技术，使该发动机在起飞、高空巡航和着陆时的NOx排放非常低。
动词 （verb的缩写）成功的商业化
由GTF提供动力的首架A320neo(新发动机选项)于2016年1月20日交付给汉莎航空，发动机型号为PW1100G-JM。截至2017年3月1日，空客户已向20家航空公司空交付了总共88架A320neo，其中49架由JM动力公司提供动力(另外39架由1A动力公司提供动力)。
汉莎空多家运营商证实，即使在短途航线上，每架A320neo的油耗率仍比A320neo低15%。长途飞行时，如果增加两排座位，载客量将从168人增加到180人，每个座位的油耗率可降低16% ~ 17%，在某些情况下甚至可降低20%以上。
应注意PW-1100发动机短舱中明显的龟壳上下板，可以增强气流混合，使外导管中的低速气流包裹内喷嘴中的高速气流，屏蔽高速气流的噪音。
汉莎拥有5架A320neo飞机，目前的派遣率为99.6%，预计达到99.7%。普惠公司目前需要解决发动机冷却问题，将其重启时间缩短到可以接受的范围。二是让发动机适应潮湿、炎热、污染、咸咸的环境，目前还没有完成。
此外，5月，新的俄罗斯干线客机MC21-300进行了首次飞行，略大于919，配备了普惠公司的GTF发动机PW1400G-JM。
普惠注重提高推进效率。当然，竞争对手也不是闲的。CFM专注于提高热效率。LEAP引擎的核心技术是:
旁通比为11的碳纤维布复合风机；
双环预混旋风(TAPS)燃烧室；
高压涡轮陶瓷基复合材料护罩；
低压涡轮钛铝合金叶片。LEAP-1C发动机用于国内大型飞机C919。
可以说，在GTF技术的介入下，大涵道比商用涡扇发动机的竞争变得白热化。
第六，军事GTF观察
普惠公司相信，GTF发动机技术也将面对军用航空空动力领域。由于下一代轰炸机、第六代战斗机、战术运输机和侦察机的新需求不断涌现，迫切需要结构更好、进气流量更大的新型发动机，以提高油耗率。根据英国国际飞行公司2010年9月16日的报告，普惠公司确认其拥有一种先进的新型发动机——下一代军用飞机的PW9000计划，该计划是根据降临节和HEETE的要求开发的。PW9000是在F135和PW1000G发动机的基础上发展起来的，可产生44.5 - 134kN的推力，可用于许多其他新型飞机。针对竞争对手美国通用电气公司和英国劳斯莱斯公司的降临节计划。
降临计划(adaptive multi-task engine technology plan)建议使用第三条旁路气流来提高空气流通过核心发动机的效率和速度，这也可以降低高速时的油耗。随着PW9000的问世，新一代战斗机发动机市场的竞争加剧。
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GTF发动机技术有望成为下一代民用发动机的主要发展方向之一。鉴于GTF的技术性能特点和性能优势，在支线飞机、单通道干线飞机发动机乃至军用航空大推力发动机空动力领域具有诱人的市场应用和发展前景。
感谢北航的陈光教授！
与此同时，该论文没有得到普惠公司的赞助，
如果普惠公司有意，
可以送我几代风叶(不收保管费)，谢谢！
我，一个劳动人民(新浪微博ID超级LOVEOVERGOLD)，
很难写，
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