第138章 单转子、双转子和齿轮传动
对李怡炫来说，9月份真是好事不断的一个月，与联合技术公司刚刚达成股权对换协议后不到一个星期，远在香港的总部就传来了蚊子-2直升机研发成功的消息，比利还专门发了个传真以示祝贺。 看到这份传真李怡炫简直是哭笑不得，心想你祝贺就祝贺吧，怎么把蚊子-2直升机取得的三十一世纪的航空适航证的影印件也发过来了，要是让其他人看到，少不了又是一番风波。 再说了，三十一世纪的航空适航证能用吗？蚊子-2直升机是研制成功了，可并不代表你就能上市销售了，20世纪的欧美适航证还没拿到呢，所有的手续申请你还得再走一遍才成，而取证周期又是半年到一年的时间。 第二个好消息就是，直升机的新型主减速器研发成功，为电驱尾桨直升机扫清了技术障碍，目前，香港总部的快反中心已经开始了组装首架电驱动尾桨的蚊子-1型直升机，大约两个星期就能组装完毕，接着就是各种的地面试验和试飞验证，至于什么时候能取得适航证就不清楚了，毕竟在原来是历史上，西科斯基公司用了九年时间才拿到一个临时适航证，正式适航证不知道要等到什么时候去了。 除了专门为电驱尾桨开发的主减速器外，采用传统的轴驱动直升机的主减速器德玛吉也有研发，在机器人设计师的帮助下，新型的轴驱动主减速器是一种钢带减速器，有点类似于汽车用的CVT变速箱，只不过它在结构上要比CVT要更复杂。 这种钢带住减速器比市面上的皮带减速器在可靠性和耐用性上，强了不知多少倍，而且在体积和重量上也轻了不少，动力损失也小，维护保养也更加方便。 总之，有了这种钢带主减速器的支持，蚊子直升机的总体性能会更好。 而结果也没让李怡炫失望，当采用了钢带减速器的蚊子直升机的宣传手册一经公开，就获得了可喜的订单，短短一个星期，德玛吉就接到了近一百架订单，而原先定了飞机的客户，也纷纷要求更改合同，把原先的皮带减速器换成钢带减速器。 第三个好消息是，德玛吉的行星齿轮传动系统也开发成功，为德玛吉日后进军涡扇发动机打下了坚实的基础。 说到行星齿轮传动系统，首先就要说一下涡扇发动机的总体结构。在研制一台新的涡扇发动机的时候，最先解决的问题是他的总体结构问题。总体结构的问题说明白一些就是发动机的转子数目多少。 目前涡扇发动机所采用的总体结构无非是三种，一是单转子、二是双子、三是三转子。其中单转子的结构最为简单，整个发动机只有一根轴，风扇、压气机、涡轮全都在这一根轴上。结构简单的好处也不言自明--省钱！一方面的节省就总要在另一方而复出相应的代价。 首先从理论上来说单转子结构的涡扇发动机的压气机可以作成任意多的级数以期达到一定的增压比。可是因为单转子的结构限制使其风扇、低压压气机、高压压气机、低压涡轮、高压涡轮必须都安装在同一根主轴之上，这样在工作时他们就必须要保持相同的转速。 问题也就相对而出，当单转子的发动机在工作时其转数突然下降时（比如猛收小油门），压气机的高压部分就会因为得不到足够的转数而效率严重下降，在高压部分的效率下降的同时，压气机低压部分的载荷就会急剧上升，当低压压气机部分超载运行时就会引起发动机的振喘，而在正常的飞行当中，发动机的振喘是决对不被允许的，因为在正常的飞行中发动机一但发生振喘飞机十有八九就会掉下来。 为了解决低压部分在工作中的过载只好在压气机前加装导流叶片和在压气机的中间级上进行放气，即空放掉一部分以经被增压的空气来减少压气机低压部分的载荷。但这样以来发动机的效率就会大打折扣，而且这种放掉增压气的作法在高增压比的压气机上的作用也不是十分的明显。 更要命的问题发生在风扇上，由于风扇必须和压气机同步，受压气机的高转数所限单转子涡扇发动机只能选用比较小的函道比。比如在幻影-2000上用的M-53单转子涡扇发动机，其函道只有0.3。相应的发动机的推重比也比较小，只有5.8。 为了提高压气机的工作效率和减少发动机在工作中的振喘，人们想到了用双转子来解决问题，即让发动机的低压压气机和高压压气机工作在不同的转速之下。这样低压压气机与低压涡轮联动形成了低压转子，高压压气机与高压涡轮联动形成了高压转子。低压转子的转速可以相对低一些。 因为压缩作用在压气机内的空气温度升高，而音速是随着空气温度的升高而升高的，所以而高压转子的转速可以设计的相对高一些。即然转速提高了，高压转子的直径就可以作的小一些，这样在双转子的喷气发动机上就形成了一个“蜂腰”，而发动机的一些附属设备比如燃油调节器、起动装置等等就可以很便的装在这个“蜂腰”的位置上，以减少发动机的迎风面积降低飞行阻力。 双转子发动机的好处不光这些，由于一般来说双转子发动机的的高压转子的重量比较轻，起动惯性小，所以人们在设计双转子发动机的时候都只把高压转子设计成用启动机来驱动，这样和单转子发动机相比双转子的启动也比较容易，启动的能量也要求较小，启动设备的重量也就相对降低。 然而双转子结构的涡扇发动机也并不是完美的。在双转子结构的涡扇发动机上，由于风扇要和低压压气机联动，风扇和低压压气机就必须要互相将就一下对方。 风扇为将就压气机而必需提高转数，这样直径相对比较大的风扇所承受的离心力和叶尖速度也就要大，巨大的离心力就要求风扇的重量不能太大，在风扇的重量不能太大的情况下风扇的叶片长度也就不能太长，风扇的直径小下来了，函道比自然也上不去，而实践证明函道比越高的发动机推力也就越大，而且也相对省油。 而低压压气机为了将就风扇也不得不降低转数，降低了压气机的转数压气机的工作效率自然也就上不去，单级增压比降低的后果是不得不增加压气机风扇的级数来保持一定的总增压比。这样压气机的重量就很难得以下降。 为了解压气机和风扇转数上的矛盾，人们很自然的想到了三转子结构。所谓三转子就是在二转子发动机上又了多了一级风扇转子。这样风扇、高压压气机和低压压气机都自成一个转子，各自都有各自的转速。三个转子之间没有相对固定的机械联接。 如此一来，风扇和低压转子就不用相互的将就行事，而是可以各自在最为合试的转速上运转。设计师们就可以相对自由的来设计发动机风扇转速、风扇直径以及函道比。而低压压气机的转速也可以不受风扇的肘制，低压压气机的转速提高之后压气的的效率提高、级数减少、重量减轻，发动机的长度又可以进一步缩小。 但和双转子发动机相比，三转子结构的发动机的结构进一步变的复杂。三转子发动机有三个相互套在一起的共轴转子，因而所需要的轴承支点几乎比双转子结构的发动机多了一倍，而且支撑结构也更加的复杂，轴承的润滑和压气机之间的密闭也更困难。 虽然三转子发动机比双转子发动机多了很多工程上的难题，但有一家公司且对三转子发动机情有独钟，它就是英国著名的RR公司。 RR认为，在三转子表面的困难背后还有着巨大的好处，那就是在转子数量上的增加换来了风扇、压气机和涡轮的简化。 比如，以RR的三转子发动机RB-211为例，与同一技术时期推力同级的双转子的JT-9D相比：JT-9D的风扇页片有46片，而RB-211只有33片；压气机、涡轮的总级数JT-9D有22级，而RB-211只有19级；压气机叶片JT-9D有1486片，RB-211只有826片；涡轮转子叶片RB211也要比JT9D少，前者是522片，而后者多达708片；但从支撑轴承上看，RB-211有八个轴承支撑点，而JT9D只有四个。 正是三转子发动机有以上的种种有点，所以英国的RR在三转子道路上是一路走到黑。除了RB-211系列以外，Trent系列（瑞达）和目前正在研发的TrentXWB系列，都是三转子发动机。 除了RR以外，前苏联也是三转子发动机坚定的支持者，著名的图-160和图-22M轰炸机，以及米格-31都使用的都是三转子发动机（这里特别说明一下，米格-31除了三转子动力版外，还有一种双转子动力版，不过苏联装备的大多数米格-31，采用的都是双转子发动机，三转子动力版的米格-31是双转子米格-31的后续升级型，不过随着苏联的解体，三转子动力版的米格-31也跟苏联一样寿终正寝了，目前俄罗斯装备的米格-31全都双转子发动机）。 三转子发动机不但结构复杂，研制成本也高得出奇，在前苏联的时期，苏联军方把三转子发动机作为未来的军用标准发动机，但随着苏联的解体，继任者俄罗斯已经没有足够的金钱来研发三转子发动机了，所以三转子发动机俄罗斯基本上算是被放弃了。（RR就是因为开发三转子把自己搞得破产，最后被英国政府收为国有。） SU-27知道吧，它上面装备的AL-31涡扇发动机其实是过渡性的发动机，苏联政府真正打算的是，三转子发动机才是SU-27系列的标准制式发动机，可惜这种发动机只研发到一半，苏联就解体了，然后这种发动机就被永远的封存，研制队伍也被解散，AL-31就一直使用到今天，后来又推出了后续型号AL-41，也就是著名的117S，SU-35的动力系统。 美国对三转子发动机也有过研究，但并不是特别积极，像PW和GE都不掌握三转子技术，坚持走在双转子路上，唯一掌握三转子技术的只有威廉姆斯集团一家，不过他们生产的三转子发动机功率都很小，总功率还不到4KN（千牛）），与RR的没法比，RR的三转子最大可以做到300KN以上。 21世纪，随着人们对环保意识的增强，欧美对航空发动机的各项排放要求也越来越苛刻，传统的双转子发动机渐渐的不能满足对环保的需求了。 要解决这一矛盾，好像除了用三转子，就再也没有更好的办法了，于是在21世纪的初期，有相当长一段时间，三转子发动机被认为是未来发动机的主流。 但PW改变了这一切，他颠覆的人们的认知，提出了GTF方案。 GTF是齿轮传动发动机的英文简称，它是是传统双转子发动机的一种衍生型，其不同之处在于发动机风扇与低压涡轮转子之间加装了减速齿轮传动系统，具体位置位于风扇转子之后；通过该齿轮系统的变速衔接，可以使风扇和涡轮在各自最优工作转速情况下运转，从而达到三转子或多转子发动机的效果。 这项传统系统最早是由美国加特莱公司（就是后来的霍尼韦尔公司的前身）提出的，在1969年，加特莱公司推出世界首台齿轮传动发动机TFE731，不过受限于当时材料技术和加工工艺，以及齿轮传统系统设计的复杂性，在很长的一段时期，齿轮传动发动机一直无法做大，而人们也一直认为齿轮传动发动机只适用于中小型发动机。 直到普惠的PW1000G系列诞生，才打破了人们的这一认知。 当初李怡炫决定进入航空动力领域时，也考虑过到底是往三转子方向发展，还是往齿轮传动方向发展？经过将近一年的思考后，李怡炫最终是选择了齿轮传动。 齿轮传动系统对减速箱的要求非常高，不但设计复杂，对材料和加工工艺的要求非常之高。 PW的做法是使用行星斜齿圆柱齿轮，但材质选用的是表面硬化处理的高强度的合金钢，为了承受风扇巨大的离心力，PW对齿轮用的是锻造工艺，虽然成功解决了大推发动机的传动问题，可是缺点也不小，就是发动机的整体重量过重，使得齿轮发动机的节油优势被抵消了很多。 于是为了减轻重量，李怡炫才参考了大量的31世纪的航空技术资料后，决定发展金属陶瓷齿轮技术，为此他不惜花费重金从31世纪买来了大量的有关陶瓷齿轮的工艺技术资料，并在上百名的机器人设计师和工程师的帮助下，经过一年的艰苦努力，终于攻克了金属陶瓷行星斜齿圆柱齿轮传动系统所有的技术难题。 李怡炫是在刚刚参观完加拿大普惠公司后得到这个消息的，他原本打算在加拿大再留几天，得到这个消息后就再也坐不住了，就直接乘飞机回了香港。 齿轮传动系统研发成功，齿轮涡扇发动机的开发自然就会提上研发日程，李怡炫必须回去主持才行。