发动机罗·罗在遄达1000上开展复材风扇叶片和机匣集成测试

Posted 2021-05-01 民机战略观察

罗·罗公司已开始对经过改进的“遄达1000”航空发动机进行地面测试，其中风扇叶片和机匣均采用复合材料制成。这意味着罗·罗公司下一代齿轮传动“超扇（Ultran）”发动机系列已经发展到了关键一步。

上述部件完全集成后完成测试，标志着先进低压系统（ALPS）技术验证项目接近尾声。该项目迄今为止已经单独验证了碳/钛（CTi）风扇叶片和复合材料风扇机匣等部件。采用更加轻质的复合材料，对于尺寸更大的“超扇”发动机系列改型来说势在必行，这些改型产品在相同的相对推力情况下，具有比目前发动机更大直径的风扇叶片尺寸，以及高达15：1或更高的涵道比。

一、先进低压系统（ALPS）使用了先进复合材料和数字孪生技术

先进低压系统（ALPS）项目属于洁净天空联合技术倡议的一部分，该项目由罗·罗公司与创新英国公司（英国斯文顿），英国商业、能源和工业战略部（英国伦敦）、英国航空航天技术研究所（克兰菲尔德，英国）、ITP航宇公司（萨穆迪奥，西班牙）和GKN航宇公司（雷迪奇，英国）共同合作完成的。

2019年2月，罗·罗公司工程师已经成功测试了超扇（UltraFan）发动机的关键部件。先进低压系统（ALPS）中所需要的全部复合材料零部件——包括风扇叶片、叶片机匣和环形填充块——首次在供体发动机上进行了测试（供体发动机是指一种在机加工车间定制设计制造的发动机，通常不包含橡胶散热器软管、钢制燃油管、起动电机、散热器风扇、离合器盘和压力板等零部件以及其他可成品购买的零部件，一般仅作测试用）。

发动机的零部件由罗·罗公司复合材料技术工厂制造。该工厂是一座具有卓越技术实力的复合材料中心。每片风扇叶片使用了约500层碳纤维复合材料，且全部由机器人完成制造。叶片在完全制造完成前，还需经过热量和压力的处理，并在叶片的前缘边缘部位使用钛合金进行保护。

先进低压系统的出现印证了罗·罗公司“智能发动机”的发展愿景。发动机的每片叶片都拥有数字孪生模型——即与叶片实体完全一致的虚拟数据副本。在测试期间，产生的相关实验数据将会被集中收集，并传送到数字孪生模型中，这使得工程师可实时预测和监控每片叶片在发动机工作时发挥的性能水平。

二、复合材料风扇叶片和机匣将降低“超扇”发动机更大尺寸版本的重量

“超扇”发动机演示验证机将于2021年进行地面试车，最终的装机测试可能在2023年进行。不过，罗·罗公司于2月28日决定放弃竞争波音公司“新中型飞机项目（NMA）”（NMA有可能是“超扇”发动机首个潜在的应用型号）。

演示验证机的风扇型号为RB3069，其直径可达140英寸（3.556米）。相比之下，通用电气公司的GE9X发动机作为目前是世界上尺寸最大的发动机，风扇直径尺寸仅为134英寸（3.4米）。作为一款如此庞大、为双发飞机设计的发动机，罗·罗公司预计使用先进低压系统（ALPS）技术将使单个发动机的重量降低超过1500磅（680千克）。

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先进低压系统（ALPS）的测试结果将为复合材料风扇和全尺寸超扇发动机演示验证机的机匣设计提供反馈和支持。

罗·罗未来民用航空项目的首席工程师菲尔·库尔诺克表示：“我们所做的就是将复合材料风扇和机匣整合在一起作为一个系统。此前我们一直在测试风扇系统，但现在我们想看看它与复合材料机匣作为整个系统如何一起工作，包括其工作运转情况和磨合情况等。”

“我们还进一步观察诸如发动机颤震和振动状况等复杂因素，因为使用复合材料后，叶片和机匣之间的相互作用可能会有所不同。此外，我们还将重点关注发动机叶片叶尖间隙以及其随温度和速度改变而产生的变化。”库尔诺克说。使用碳/钛（CTi）材料制成的风扇是目前复合材料风扇的基准型，其性能于2014年在罗·罗公司位于亚利桑那州图森市的飞行试验平台上进行了评估，使用的是供体发动机正是配有传统钛合金风扇机匣的“遄达1000”。

此次风扇叶片和机匣的集成验证测试预计需要大约一个月的时间，在所有的测试内容中，还将包括测试已经受到模拟鸟撞影响而受损的单个叶片的运行情况。“我们不会进行全面的鸟撞试验，而是采取将部分受损的叶片插入并运转发动机，查看它们在风扇组中的性能情况。”库尔诺克表示。“鸟撞叶片带来的最困难的事情之一就是它只造成了一部分叶片的损坏，其余的叶片并未受到影响。这带来的后果就是，进入发动机的进气流量不统一，产生严重的失衡。所以我们需要深入了解系统的工作原理。通常情况下，鸟撞带来的最具挑战性的方面并不是撞击本身带来的影响，而是撞击将风扇叶片的角度改变导致后续发动机运转出现问题。”他补充道。

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利用摄影测量技术，包括跟踪复合材料-钛合金叶片上的标记点，可以测量得到风扇叶片形变情况。

三、采用先进低压系统（ALPS）与低速风扇试验相结合的方法辅助超扇发动机验证机的设计

先进低压系统（ALPS）收集到的数据结果，将直接反馈到超扇发动机的演示验证风扇设计中，设计过程中将使用在德国维尔道的Anecom飞机试验工厂进行的一系列小尺寸转子低速运转测试中收集到空气动力学数据进行辅助。

“我们希望能够保证风扇叶片叶尖速度相同，这意味着发动机装机后仍能保证音速/跨音速的飞行。因此，如果增加风扇的直径却又需要相同的叶尖速度，则风扇的转速就会下降。”库尔诺克表示。“较慢的风扇转速意味着在空气动力学上会产生不同。因此，我们正在做的一件事就是低速风扇测试，我们近期完成了对小尺寸转子第五代风扇设计的评估。评估结果与我们的预期相同，这个结果正是我们想要的，因为我们需要利用它进行各种调试。”库尔诺克表示。

低速风扇试验以35英寸直径（0.889米）的金属风扇作为实验平台，叶片形状与复合材料风扇设计类似，测试的内容包括评估各种风扇配置的颤震情况、空气动力学性能和不同风扇结构带来的可操作性余度。

陈济桁2018年6月以来已在本号发布文章22篇，有兴趣的读者可以点击以下链接查看。

序号	篇名	发表日期
1		2018/7/24
2		2018/7/26
3		2018/8/17
4		2018/9/4
5		2018/9/5
6		2018/9/28
7		2018/10/8
8		2018/10/17
9		2018/10/17
10		2018/10/31
11		2018/10/31
12		2018/11/26
13		2018/11/28
14		2018/12/21
15		2018/12/27
16		2018/12/28
17		2019/1/4
18		2019/1/9
19		2019/1/14
20		2019/1/23
21		2019/1/29
22		2019/2/3

（航空工业发展中心 陈济桁）

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本篇供稿：系统工程研究所