清洁动力PW1000G发动机发展历程与技术特点分析

美国普·惠公司先进的清洁动力(PurePowerTM)PW1000G系列发动机原先称为齿轮传动涡轮风扇(GTF)发动机.文章较全面地分析了清洁动力PW1000G系列发动机的背景、设计特点与采用的新技术.     

齿轮传动：普惠的选择

虽然飞机制造商还没有提出下一代单通道飞机的方案，但普惠已经决定率先下注，押宝在齿轮传动涡轮风扇（GTF）上。普惠公司一直致力于开发GTF技术，也是最先宣称为下一代单通道飞机研制新结构发动机的航空发动机制造商。在2008年范堡罗航展的第一天，     

GTF发动机行星齿轮传动系统设计技术研究

行星齿轮传动系统作为齿轮驱动风扇(Geared Turbofan,GTF)发动机的关键部件,其传动功率大、空间结构紧凑、工作条件恶劣。为突破该部件设计关键技术,并为国内GTF发动机结构设计积累经验,在GTF发动机齿轮传动系统概念设计的基础上,开展了其初步设计,对齿轮进行疲劳强度分析;采用齿轮宏观参数优化和微观修形设计方法,提高齿轮承载能力,减小传递误差,改善齿轮接触区应力分布,提高齿轮传动系统的运动平稳性。     

开式转子发动机齿轮传动系统设计技术研究

等速对转行星齿轮传动系统是对转风扇开式转子发动机的关键技术。与齿轮驱动单级风扇(GTF)发动机的行星齿轮传动系统相比较,该系统的结构更为复杂,工作条件更恶劣。本文以对转风扇开式转子发动机齿轮传动系统概念设计为基础,开展了行星齿轮传动系统初步设计、齿轮疲劳强度分析、行星轴承寿命分析和传动系统润滑设计技术研究,为开式转子发动机的发展提供参考。     

齿轮传动风扇发动机将用于宽体飞机

齿轮传动风扇（GTF）可提高发动机的涵道比,降低油耗并减少污染排放,普惠公司和罗罗公司均已将其列入未来民机发动机的发展路线图。预计到2025年,采用GTF发动机的民用宽体客机有可能问世。     

陈聪慧 航空发动机附件技术专家

齿轮驱动风扇(GTF)发动机因为具有低排放、低噪声、低油耗和低维护费用等优点被市场认可,成为下一代民用发动机的主要发展方向之一,请您介绍一下GTF的研究现状。陈聪慧:降低耗油率和减少污染排放是下一代民用航空发动机的主攻发展方向和"卖点"。降低耗油率的主要方法有:提高整机热效率(增加压气机的出口压力、增加涡轮前温度)、提高发动机推进效率(降低排气速度、     

基于核心机的GTF发动机方案研究

齿轮传动风扇(GTF)发动机具有部件效率高、噪声低、级数少和质量轻的特点,是未来大型民用发动机的主要发展方向之一。为加快后续发动机的发展,在现有核心机的基础上,通过发动机典型气动循环参数的匹配分析,完成GTF发动机总体性能设计方案。分析了涵道比、风扇外涵压比、低压压气机压比、传动比等参数对GTF发动机性能的影响,初步确定参数选取范围。通过对比相同涵道比的GTF发动机与常规结构发动机,其推力和耗油率等性能指标基本接近,但GTF发动机具有低压部件级数显著减少的优点;总结了GTF发动机特有的关键技术。     

风扇齿轮驱动系统的概念设计

齿轮驱动风扇（GTF）发动机以低排放、低噪声、低油耗、低维护费用等优点被市场认可，成为下一代民用发动机的主要发展方向之一。本文对风扇齿轮驱动系统的概念设计过程作简单介绍。     

齿轮传动风扇发动机转子系统结构与动力学分析

考虑齿轮传动风扇发动机(GTF)风扇转子与低压转子的耦合关系,提出了转子系统简化整体模型,针对该模型给出了GTF发动机转子系统的临界转速计算方法.揭示了整体模型与单转子模型临界转速计算结果的差异,以及典型力学特征参数对GTF转子系统临界转速与模态特征的影响.计算结果表明:相比考虑耦合关系的整体模型,将风扇转子与低压转子分开计算会导致转子系统固有频率值偏移及部分临界转速丢失;齿轮箱安装支承刚度增大会使得系统临界转速上升,保持安装刚度大小在106N/m量级以下可使系统动力特性较优;传扭轴段刚度与齿轮径向啮合刚度对系统动力特性影响较小.      

GTF实现“举一反三”

普惠公司公司在2008年范保罗航展期间正式将齿轮传动风扇（GTF）发动机命名为PW1000G．在此之后不到两年的时间中，GTF发动机已经发展成为一个由三种型号组成的新兴家族。     

推重比15一级发动机关键技术及分析

围绕下一代窄体客机发动机,介绍了目前国外飞机和发动机生产商方案选择的一些思路,叙述了传统涡扇发动机、齿轮传动涡扇发动机和开式转子发动机的最新进展,预测了发展趋势。     

基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态建模

从热力学、气体动力学和发动机基本原理出发,对基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态性能建模技术展开了研究,并推导出了基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态数学模型的求解方程组.基于该模型方程组,利用C++面向对象编程语言,建立起了某齿轮传动涡扇发动机的动态模型.该发动机动态模型与著名的商业化发动机性能计算软件Gasturb 10进行的比对显示:该模型的运算结果与Gasturb 10的运算结果具有良好的一致性,最大误差不大于1.5%.证明了基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态数学模型求解方程组的正确性和适用性.      

基于粒子群核极限学习机的涡扇发动机加速过程模型辨识

针对解析法建立涡扇发动机加速过程模型精度和实时性不高的问题,提出了一种基于粒子群核极值学习机(PSO-KELM)的涡扇发动机加速过程模型数据驱动辨识方法,构建涡扇发动机加速过程模型,结合加速过程试车数据,利用PSO-KELM方法对该加速模型进行辨识。试验结果表明:低压转子转速、高压转子转速和低压涡轮出口燃气总温都较好地逼近了试车数据,最大相对误差均值分别为1.013%,0.355%和1.055%,平均计算时间为0.04ms。精度和实时性均优于反向传播神经网络和粒子群支持向量回归方法,可用于发动机状态监控和性能优化控制。     

带涡轮级间次燃烧室混排涡扇发动机的超声速性能研究

为了满足超声速客机长时间巡航飞行的推力需求,研究了混排ITB（inter-stage turbine burn-er）涡扇发动机的性能参数随高、低压转子转速的变化关系,并采用调节高、低压转子转速作为双变量控制规律,获得了混排ITB涡扇发动机主要的性能参数随转子转速的变化关系。采用双转速控制的组合调节方案,混排ITB发动机在超声速飞行条件下实现了宽广而且连续的推力输出。     

某型涡扇发动机起动过程数值模拟

基于发动机设计点参数和压气机、涡轮高转速特性数据,完善了一种计算风扇、高压压气机和高、低压涡轮小转速特性近似方法,并进一步基于涡扇发动机部件匹配技术,建立了某型涡扇发动机起动过程计算模型及相应算法,给出了比较合理的发动机起动过程模拟结果.      

用高低压涡轮间补燃提高双轴涡扇发动机性能

基于双轴涡扇发动机热力学模型，采用高低压涡轮间补燃的方法，实现了对发动机性能的改善，研究分析了高低压涡轮间补燃对发动机高度特性，速度特性以及转速特性的影响，计算结果表明采用高低压涡轮间补燃的热力循环后，发动机的推力明显提高，耗油率基本保持原来的水平或有所降低。     

齿轮驱动涡扇发动机结构设计特点分析

随着齿轮驱动涡扇（GTF）发动机进入航线运营日期的临近,业界对这种新型航空发动机的关注度逐渐提高。简要分析了GTF发动机相对于传统涡扇发动机在总体结构、低压部件和滑油系统设计等方面的新特点,指出了增加减速齿轮箱对低压分离式转子设计、低压转子支承和传力路线设计、高速低压涡轮设计和狭小空间润滑等技术的挑战。     

基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模控制

针对涡扇发动机内部状态大范围变化条件下,单点线性控制器控制效果不佳而线性变参数控制器求解困难的问题,提出了一种基于多入多出平衡流形展开模型的涡扇发动机反馈线性化滑模变结构控制。首先,采用多入多出平衡流形展开模型辨识技术,获得仿射型的涡扇发动机数学模型。随后,利用反馈线性化将平衡流形展开模型解耦,经过坐标变换获得可用于控制系统设计的线性结果,考虑了具有误差项和饱和函数的指数趋近滑模控制律来提高控制系统的鲁棒性,完成了基于平衡流形展开模型的多变量涡扇发动机反馈线性化滑模控制器设计。最后,在非线性部件级模型上开展了控制器验证。在平衡流形展开模型设计工况,增益控制和滑模控制的控制效果表明,基于平衡流形展开模型的反馈线性化方法能够获得涡扇发动机良好的控制效果。同时,在平衡流形展开模型稳定但精度无法保证的非设计飞行工况,反馈线性化滑模控制器能够进一步抑制不确定性的影响,保证转子转速和发动机压比的跟踪控制效果。     

雷诺数对涡扇发动机性能及稳定性影响

综合了Wassell方法和经验数学模型两种雷诺数修正方法,对风扇、压气机、高低压涡轮的部件特性进行了雷诺数修正。运用修正后的部件特性分别对3种涡扇发动机进行了性能计算,定量计算出了雷诺数对涡扇发动机性能的影响程度。计算结果表明:在低空区雷诺数对涡扇发动机性能和稳定性影响可以忽略不计;但在高空低速区,雷诺数对涡扇发动机性能和稳定性影响显著;涡轮前总温剧烈升高;推力增大3%～6%、耗油率增大8%～10%;稳定裕度下降19%～39%。因此在高空低速区航空发动机性能数值模拟必须考虑部件特性雷诺数的影响。      

涡扇发动机加减速控制规律设计的定状态法

为便于开展涡扇发动机过渡态控制规律的正向设计,提出了一种基于模型的定状态控制规律设计方法。通过固定发动机加减速过程中的转速状态量,逆向求解满足物理约束条件的最优燃油量,获得发动机最优加减速控制规律。以某涡扇发动机为例,使用该方法基于部件级模型动态仿真分别设计了发动机过渡态开环油气比控制规律与闭环转子加速度控制规律,结果表明:两种控制规律仿真结果基本一致,满足最短加减速时间的要求,发动机高、低压转速仿真曲线与设计状态一致,发动机涡轮出口总温、燃烧室余气系数和喘振裕度等主要参数均未超限,验证了所提出的涡扇发动机加减速控制规律定状态设计方法的正确性和有效性。