淺談新一代窄體客機動力明星，PW1000G與Leap

渦扇發動機工作原理

最基礎的航發也就是渦噴發動機（如圖，典型的單涵道單軸渦噴發動機J79，星式戰鬥機的動力來源），工作原理是把空氣先吸進來，再對其加壓，噴油燃燒，用高溫高壓的氣體推動渦輪（此渦輪所做的功來驅動壓氣機）。再把高速的氣體噴出去形成推力。

這時排氣的溫度會很高，而排出同樣質量同樣速度的空氣所獲推力是一樣的，也就是這些都成了廢熱。所以人們發明了渦扇發動機（比如下圖中的GE90，雙軸雙涵道，波音777的動力來源，也是人類製造並投入商用的最大航空發動機），利用尾氣的能量推動第二根軸（低壓軸）來推動一個大風扇，風扇帶來額外的推力，以及在驅動風扇的低壓軸上裝入低壓壓氣機，這樣可以獲得更高的總壓縮比，也就實現了更大的膨脹比來驅動渦輪。渦扇發動機發展到今天，整機提供的推力有80%都是風扇帶來的。羅羅公司的三軸發動機同理，熱力循環原理是完全一樣的，三軸方案優化了渦輪機設計和軸動態性能，這裡不再詳述。

現代渦扇的突破與瓶頸

從初代的渦扇（民機，這裡先不討論軍機小涵道比多級渦扇）到今天，有非常多的新技術應用，比如超音速壓氣葉片，可以高效的提供更大單級壓比。比如單晶葉片以及熱障塗層，大幅提高了渦輪前溫度，也就直接提高了渦輪機功率和效率，等等。

而如本文上部分所提，由於80%的推力都來自於風扇，那麼風扇的效率絕對是至關重要的，現代 大涵道比渦扇發動機更像是一台燃氣渦輪發動機來帶動一個推力風扇。既然如此，那麼整機都要根據風扇的需求來優化，而優化的核心在於渦輪機工作最重要的一個參數：轉數。傳統的非超音速風扇的大涵道比渦扇發動機例如CF6（下圖左側）有更多的，更窄的，壓比更低的鈦合金葉片，而且它們需要葉肩來在發動機運行的時候互相鎖緊，這回造成局部氣流分離而降低效率以及帶來噪音。最現代的大涵道比渦扇發動機（如下圖右側GEnX）改用3D優化空氣動力學的碳纖維風扇（葉刃處為鈦合金包裹，來保護脆性的碳纖維），由於本身超寬弦，大麴率所以完全捨棄了葉肩，而且它的葉片外面一部分是工作在超音速，利用超音速激波來增壓，而且葉片數量更低，重量更輕。

而現代超大涵道比渦扇發動機的瓶頸在於，風扇超音速的程度不能無限增加，也就是風扇的周向速度不能再增加。這意味著如果保持現在的風扇周向速度，風扇只能做的更大轉的更慢，所以跟它剛性相連的低壓渦輪同樣也要慢，根據渦輪機工作原理，渦輪機做功和轉數成正比。那麼我們得到了一個更耗能的風扇和更弱的低壓渦輪，更小的馬拉更大的車，這不可能啊！

而中等推力超大涵道比渦扇發動機相比寬體客機用的大推力超大涵道比渦扇發動機有一個更大的劣勢，它做小了以後，所有渦輪機葉片的葉高也就更矮，渦輪機效率更低，尺寸帶來效率這是熱機的基本原則。

同時越來越大的風扇會降低離地間隙，更大的發動機短艙飛行阻力等等，這裡不再贅述。

普惠解決方案

普惠PW1000G來自於PW6000也就是空客A318的動力，而A318隻造了80架，所以這款發動機完全是賠錢的，在設計之初普惠要應用新型超音速高壓壓氣葉片達到單級1.8壓比而只要5級，最終根本無法成功點火。德國MTU航發集團預見到了這個問題，自掏腰包研發了6級高壓壓氣模組裝入PW6000，成功解圍。

普惠把低壓渦輪和風扇斷開，中間加入一個3:1定傳動比的齒輪箱，讓低壓渦輪更快的轉，裝入更大但是轉的更慢的風扇，這也就是為什麼3級的低壓渦輪可以推動12.5倍涵道比的超大風扇，要知道GE90隻有9倍涵道比而低壓渦輪有6級。進行風扇的重新設計，成了一個用鋁合金做推力風扇的廠家。3級低壓渦輪轉的如此之快，以至於它們工作起來就像高壓渦輪一樣，功率非常充沛，而齒輪箱帶來的另一個好處就是，低壓壓氣機也可以非常快速的旋轉，從而大幅提高了壓氣機效率，導致連高壓壓氣機都省了2級。而總壓比為50:1遠超Leap的40:1。

說起來容易，做起來難。多少代航空動力工程師都有一個齒輪傳動的夢想，這為什麼這麼難呢？首先能夠給齒輪箱的空間非常小，可靠性要非常非常高，空中發動機停車可不是鬧著玩的。但是最重要的是功率，一台PW1000G的功率大約有30MW，假如齒輪箱的傳動效率有98%（ZF官方宣傳自己名滿天下的8AT的傳動效率），那麼將得到600kW的廢熱，也就是300個洗衣機塞到這麼小的一塊通風不良地方同時滿負荷工作，這麼多的熱不可能有效的被排掉而同時還有極高的可靠性（這種會造成災難性後果的部位部件適航證要求平均10億飛行小時最多一次失效）。普惠工程師努力了幾十年最終實現了99.8%的傳動效率，這個定比周轉輪系齒輪箱絕對是人類工程學傑作。即使是這樣還是有30kW的廢熱需要排掉。

PW1000G的行星齒輪箱

GE的解決方案

Leap是一個縮小版的GEnX，從後者繼承了大量技術，相比普惠的解決方案它更傾向於最大限度的優化現有發動機結構，在每一個細節上做到極致，比如3D列印的Y型噴油嘴提高燃燒效率降低排放，在高壓渦輪應用了一定程度的陶瓷材料來提高渦輪前溫度（直接決定了渦輪機做功能力和效率），當然還有最重要的GE家招牌碳纖維推力風扇。因為推力風扇的巨大尺寸，所以低壓軸的轉數被嚴格限制，只有不到4000轉（CFM56的低壓軸超過5000轉），而在如此低的轉數要推動那麼大的風扇就需要7級低壓渦輪，所以導致重量和造價都很高，而GE也是盡量輕量化了此巨型低壓渦輪，甚至應用了鋁鈦合金TiAl（Titanium aluminide），這種合金的工作溫度要高於鈦合金低於鎳合金，而密度介於鈦和鋁之間，遠低於鎳。而輕量化的轉子葉片帶來了另外一個好處就是，發動機外殼可以做的更薄，因為要保證更輕葉片斷裂不射穿的殼體也可以更輕。假如此低壓渦輪全部都用鎳合金，那麼Leap的總重量絕對不會這麼輕。

Leap高壓渦輪定子配件，注意上面的陶瓷複合材料熱障層

Leap的噴油嘴和燃燒室

Leap的超大號低壓渦輪

空客A320neo的動力架構對比