[閒聊] 齒輪有望重塑飛機引擎

[prussian (prussian)]

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Technology 科技
2015 年 11 月 04 日
商周繁体版

齒輪有望重塑飛機引擎
一個簡單的創意歷經近30年的打磨、100億美元的投入，即將進入主流飛行器領域
「讓我驚訝的是他們這麼多年一直堅持了下來」

普惠引擎公司（Pratt & Whitney）的新型PurePower齒輪傳動渦輪扇（簡稱GTF
）引擎是一頭令人讚歎的猛獸。據公司稱，這種定於今年底之前投入商用的引擎
，在油耗上比當今最好的噴氣引擎要低16％。它的污染更少。零件也更少，從而
增強可靠性。而它在地面的噪音少了75％，讓航空公司可以少支付噪音費用，還
能在一些普通飛機禁飛的居住區上空飛過。它已經通過了空中巴士（Airbus）、
龐巴迪（Bombardier）、巴西航空工業公司（Embraer）、伊爾庫特（Irkut）和
三菱（Mitsubishi）的審核，可以在這些公司的窄體飛機中使用。來自30多個國
家的70多家航空公司將購買這種飛機，包括捷藍航空（JetBlue）、漢莎航空（
Lufthansa）、新西蘭航空（Air New Zealand）、馬來西亞的Flymojo和日本航
空（Japan Airlines）。

對不熟悉飛行器行業的人來說，這種引擎最驚人之處也許在於，它的研發耗費了
將近30年時間。這大概是大象妊娠期的15倍，比一個智能手機應用的開發時間更
是長出不知多少倍。普惠是不是本可以更快完成呢？也許。但商用噴氣引擎這種
級別的產業創新，無一例外都是十分艱難的——需要的是1％的靈感和99％的汗水
。

具體到普惠的此項研發，需要公司上下數百名工程師的協作，管理層則要有投入
100億美元的魄力，而最重要的是飛機製造商和航空公司的採購，這就要求引擎
在安全性和耐久性上必須有說服力。「這是矽谷創新的對立面，」原為麻省理工
學院教授、退休後進入公司擔任技術和環境副總裁的愛普斯坦（Alan Epstein）
說。「矽谷人的耐心跟三歲孩子差不多。」

PurePower GTF引擎的概念是在1988年成形的，當時普惠在康涅狄格州東哈特福
德的員工開始開發一種讓風扇減速的小裝置，這其中就包括28歲的工程師麥庫恩
（Michael McCune）。所謂風扇就是在引擎前方那個巨大的旋轉槳片，噴氣客機
的大多數推力來自於那裡。當飛機以一定的速度飛行時，一個能以適中的速度推
動大量空氣的慢速扇，要比加速推動少量空氣的高速扇更有效率。（慢速扇的噪
音也更小。）

問題在於，風扇是和噴氣式引擎的另外兩個部件一起安裝在同一根軸上的，也就
是低壓渦輪和低壓壓縮機。這些部件是運行速度越高，效率也越高。共用一根軸
是一種妥協，對每一個部件的性能發揮都構成妨礙，大家都不開心。

麥庫恩和同事們選擇的是在渦輪螺旋槳引擎中已經得到成功應用的方案：在軸和
風扇之間加一個齒輪箱，讓風扇減慢，壓縮機和渦輪加快。齒輪傳動的辦法此前
從未在商用噴氣式飛機上嘗試過，因為通常認為這種引擎太重，磨損會很快。麥
庫恩說，「我們對所有正在使用中的齒輪箱進行了研究，」以便明確障礙究竟在
哪裡。

要將這一方案提升到商用噴氣機的級別，最大挑戰是當一次衝擊導致風扇和軸向
相反方向旋轉時，如何避免直徑約20英寸、重約250磅的齒輪箱散架。如果加入
鋼材以增加強度，會導致引擎過重。為了讓整個系統更有彈性，麥庫恩的團隊將
齒輪箱固定在了風扇上，同時通過可彎曲擋板的使用，讓壓縮機/渦輪的軸和引
擎殼體活動起來。

普惠的工程師借鑒了母公司聯合技術（United Technologies）其他子公司的技
術和理念：生產渦輪直升機的西科斯基飛機公司（Sikorsky）在齒輪傳動方面的
心得；普惠加拿大公司的軸承技術，他們在較小的渦輪螺旋槳飛機上使用了齒輪
傳動PT6引擎；聯合技術研究中心（United Technologies Research Center）對
潤滑劑在齒輪間的流動進行的模擬。此外公司還從有116年歷史的軸承生產商鐵
姆肯公司（Timken）那裡獲得了特種零件，並獲准使用了美國太空總署（NASA）
在加州和俄亥俄州的風洞。

愛普斯坦說，研發過程中時不時要小心被精打細算的高層盯上。「有時候我們會
花很多錢。有時候我們卻得把他[麥庫恩]藏到窗簾後面，偷偷塞他幾個三明治，
這樣管理層就不知道錢實際上投在了什麼地方，」他打趣說。

引擎在2008年進入測試階段。普惠的工程師有意把原型機弄壞，讓一個槳片飛出
去，以檢測這些意外事件是否會毀壞齒輪。愛普斯坦說，而後「我們把齒輪箱打
開，裡面看上去是嶄新的。甚至能看到齒輪上的運轉痕跡。」

「有很多設想後來都證明是錯的，但他們知道現在有了一個可行的概念，」商務
飛行顧問公司AirInsight合夥人阿爾瓦依（Ernest Arvai）說，「讓我驚訝的是
他們這麼多年一直堅持了下來。我認為他們這次是做成了。」

愛普斯坦把項目的很多功勞都歸給了麥庫恩，有66個專利是算在他的名下的。「
邁克做成了一件很多人認為不可能做到的事，」他說。

彭博情報（Bloomberg Intelligence）高級分析師弗格森（George Ferguson）
說，研發耗時數十年導致的其中一個後果是，它錯過了被納入新一代寬體噴氣機
的機會。而在更為重要的窄體噴氣機市場，弗格森說使用大風扇的引擎對於波音
737 Max來說太大了，因為它的機翼比較低。好消息是，普惠在空客A320neo系列
的引擎訂單上和通用電氣（General Electric）幾乎打成平手（46％對54％）。
PurePower GTF是龐巴迪、巴西航空工業公司和三菱新型窄體機使用的唯一引擎
。噴氣引擎市場份額爭奪戰是會持續數十年的。對於他們的新型引擎，聯合技術
行政總裁海耶斯（Gregory Hayes）今年早些時候對分析師說：「長遠上，我們
認為自己處於有利位置。」——Peter Coy；譯 經雷


原文:
The Little Gear That Could Reshape the Jet Engine
http://goo.gl/fRwvv9

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感想:

1. 葉姵文~
2. 大象懷孕期什麼時候開始和營養午餐一樣變成計量單位了...
3. 小短腿老妖精又再一次吃不了大饅頭

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今年商用指的應該是 Bombardier CSeries (PW1500G)
據說這幾天會在杜拜航空展(所以有 Jetman + A380 宣傳大大的 Dubai mark)首展，
但是營運要延到明年開始

其他幾架是
 A320neo - PW1100G (與 CFM LEAP-1A)
 Mitsubishi MRJ - PW1200G
 Embraer E-Jet E2 family - PW1700G & PW1900G
 Irkut MC-21 - PW1400G
 Sukhoi Superjet 130

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其實 PW1000G 也不是 Geared Turbofan 第一次商用，
前面有 70年代的 Garrett (Honeywell) TFE731 使用在小型商務客機
如 Cessna Citation, Dassault Falcon, Hawker, Learjet 等等
不過推力是較小的 3000-5000 lbf 等級
以及 80年代 Lycoming (Honeywell) ALF 502,
較知名的使用者是 BAe146, 7000 lbf 等級

還有夭折的 30000 lbf 等級志向 IAF V2500 SuperFan,
迫使 A340 計劃大變轉向 CFM56。顯然他們低估了 Geared Turbofan 的難度。

而目前 PW1000G 系列推力範圍從 15000 lbf (PW1215G, MRJ70)
 到 35000 lbf (PW1135G, A321neo)，旁通比最高達 12.5:1

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以上歷史及數字抄自 wiki, 如有抄錯請指正 XD

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有興趣看英文的可以參考以下連結的詳細圖文解說:

Pratt and Whitney PW1100G Geared Turbofan Engine
http://theflyingengineer.com/flightdeck/pw1100g-gtf/


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※ 編輯: prussian (122.116.22.52), 11/07/2015 00:41:51
推 a5mg4n: @TFE-1024...
推 a5mg4n: 至於商用 LF 507就是商用飛機用的齒輪傳動渦扇了...
推 winte639: 因為大象是哺乳類懷孕期最長的啊XD
推 atron: 這麼長的專業文要翻譯真的很辛苦，推
推 atron: 話說大風扇低轉速、比小風扇高轉速還有效率、噪音又比較小
→ atron: 的道理，跟電腦機殼風扇的道理一樣XD
推 amwkscl: 油耗少16%,噪音少75% @@"
推 andy502116: 推翻譯
→ prussian: 不是我翻的啦
→ flyover01: 電腦機殼風扇可不會碰到音障
→ flyover01: 裝減速齒輪不難，難在齒輪比，要怎麼設定最佳轉速
推 atron: 卡這麼多年我想減速箱與齒輪的機構設計、結構強度等問題，
→ atron: 應該比單純計算齒輪減速比的問題來得大
推 atron: 剛剛看了原文，1981年的BAe 146就採用了齒輪傳動
→ suntex01: tfe-731...就AT3阿.
推 atron: 小風扇高轉速的翼尖速度比同流量大風扇更快更容易到達音速
→ atron: 降低效率,其實道理還是一樣
推 yafayu: 好文 推,用planetary gear調整fan速度 跟turboprop引擎一
→ yafayu: 樣設計, 車子的自排傳動箱也是一樣的概念
推 ialeou: 不如說齒輪渦扇就是在已經有目標轉速才發展出來的概念…
※ 編輯: prussian (122.116.22.52), 11/07/2015 18:56:59