上世纪70年代以来,世界主要发动机制造商纷纷推出大涵道比发动机,在此后几十年里,发动机技术的创新大多分布在在燃烧效率、新材料应用等领域,而发动机的整体的结构形式一直没有发生太大变化。在2008年英国范保罗航展上,普惠推出了采用齿轮传动方案的涡扇发动机,并以此开创一条新的产品线——“静洁动力”系列发动机(GTF)。由于其在结构上的重大变化,一经推出就获得了航空界的广泛关注。
根据喷气发动机原理,要想降低发动机的耗油率,最直接的办法是增大风扇尺寸,扩大涵道比,但这也将面临发动机重量增加、飞机阻力增加、风扇设计难度增加以及涡轮转速不匹配等诸多负面因素。未解决涡轮转速和风扇转速不匹配的问题,普惠利用自己在齿轮技术方面的优势,革命性地将齿轮传动装置引入涡扇发动机,从而极大提高了发动机的整体效能。
相比传统发动机,“静洁动力”系列发动机最大的结构不同是在发动机风扇转子和低压转子之前加装了一套减速齿轮箱,从而克服了发动机风扇需要低转速和压气机需要高转速之间的矛盾。这种设计结构使风扇转子可以处在较低的工作转速下,低压转子则处于较高的工作转速下,进而达到发动机推进效率的优化。
“所有人都认为我们的技术进步仅限于齿轮,事实上,齿轮技术只是让我们更好地运用了发动机的速度特性。GTF家族的核心机是行业里最好的,它能够给大家提供高达50︰1的总压比。GTF的高压压气机压比为16︰1,因为GTF低压压气机的转速更快,所以低压部分能够给大家提供更高的压比,而且低压涡轮需要的叶片也更少。”普惠公司新一代产品部副总裁鲍勃?赛亚在接受各个媒体采访时表示。
更高的转速也有助于降低发动机核心机的温度,这将直接影响部件的维护成本。鲍勃?赛亚表示:“PW1100G核心机温度比目前的V2500发动机高,但是明显低于LEAP-1A。要想提高发动机效率,要么选择驱动更多低速空气,要么提高核心机温度,我们大家都认为前者更具性价比。”
齿轮作为普惠新一代发动机的“支点”已经撬动了整个发动机性能,而齿轮本身的技术状态和可靠性则成为业内关注的焦点之一。
航空市场历来只接受成熟、可靠的产品。因此,普惠“静洁动力”系列发动机在技术成熟度和产品可靠性方面的表现如何备受市场关注。“对于齿轮传动发动机,普惠已经研发了20年,投入了10亿美元,发动机的成熟度完全让人信服。”负责该系列发动机推广的普惠商用发动机业务开发副总裁齐德容曾在接受各个媒体采访时表示。
综观普惠母公司联合技术公司的其他产品线,西科斯基的直升机和加普惠的涡轴、涡桨发动机都在大量应用减速齿轮箱,这为普惠将齿轮箱应用于涡扇发动机提供了宝贵经验。资料显示,加普惠已交付的涡轴和涡桨发动机已超越4.2万台,累计运行时间超过3.4亿小时,而西科斯基生产的直升机主减速器的上限功率已达7457千瓦。
不过,早在1998年,普惠就曾推出齿轮传动涡扇发动机PW8000,但后来因某些原因逐渐停止研发,并被采用传统方案的PW6000发动机取代。而10年后,普惠再次信心满满地向市场推出齿轮传动方案,必定从PW8000项目中吸取了大量宝贵的经验教训。
截至目前,普惠的“静洁动力”系列发动机已完成近10000小时以及19000次循环整机测试,包括1400小时的飞行测试。自2010年9月启动测试以来,普惠已对50台齿轮传动式涡扇发动机进行了测试,所有发动机均达到此前设定的在燃油效率方面的目标。