遄達XWB發動機發展與設計特點

陳 光

（北京航空航天大學，北京100191）

0 引言

遄達XWB3轉子大涵道比渦扇發動機是RR公司繼遄達700（用于A330客機）、800（用于B777客機）、500（用于A340-500、-600客機）、900（用于A380客機）與1000（用于B787客機）后的第6型遄達系列發動機，是空客公司A350XWB客機的惟一動力裝置。

本文概述了遄達XWB發動機的發展歷程，研究了其設計特點。通過對比分析其總體結構和各部件的性能特點，得出該發動機各方面良好的綜合性能。

1 A350XWB客機和遄達XWB發動機的發展概況

1.1 A350XWB客機

空中客車公司（簡稱空客）于2005年10月啟動A350項目，計劃為衍生自A330客機設計的1款250～300座雙發寬體客機，機身橫截面與A330客機的相同，以與波音公司的B787-9、B777-200ER及計劃中的B787-10客機相競爭。由于航空公司未看好A350客機的發展前景，訂單很少，所以空客只得放棄擬議中的A350項目。2006年7月17日，空客將A350客機的機身加寬，命名為A350XWB(ExtraWide Body，超寬機身)，其雙耳垂形（橢圓形）的機身橫截面最大直徑為5.97m，比A330/A340客機的大0.33m，也比空客之前的寬體客機的大；但是比A380、B747和B777客機的都小。

A350XWB系列飛機包括A350-800、-900和-10003種不同機型，其航程都可覆蓋全球各個角落。在典型3級客艙布局下，-800、-900和-1000分別可搭載270、314和350名乘客。而A350XWB系列所有型號的飛機在高密度客艙布局下的載客量都可以達到440人。

2012年4月開始總裝第1架A350XWB客機，次年5、6月分別完成整體噴漆和地面滑行測試，并在法國圖盧茲布拉尼亞克機場進行了首飛。計劃A350XWB-900、-800與-1000分別于2014年4季度、2016、2017年投入航線運營。2014年12月22日，空客向卡塔爾航空公司交付了第1架A350XWB-900客機，于2015年1月5日投入了航線運營，基本達到了預定的首航計劃。截至2014年初，己得到39家航空公司的812架A350XWB客機的確認訂單，其中亞太地區客戶共訂購了244架，占總訂單的30%。

1.2 遄達XWB發動機

2005年空客推出A350項目時，RR公司為了爭取向其提供動力裝置，提出了采用推油門的方法加大用于B787客機的遄達1000發動機推力的措施，并采用常規的由高壓壓氣機向飛機機艙供氣（在B787客體上，發動機驅動2臺功率各為250kW的交流發電機，發出的電流驅動向飛機機艙供氣的空氣壓縮機的電動機）的方案，將該改型的發動機命名為遄達1700。當空客決定發展A350XWB客機后，為了獲得更多的用戶，要求其具有更經濟、環保與易維護等特點，顯然RR公司擬議中的遄達1700發動機滿足不了空客的要求。在RR公司與空客協商后，提出了比遄達1000發動機的性能顯著提高的遄達XWB發動機，作為A350XWB客機3個型號（A350XWB-800、-900和-1000）的惟一動力裝置，對應的3型發動機型號為遄達XWB-75、-84和-97，推力分別為330、374、430kN。

2006年RR公司在遄達1000發動機的基礎上，正式啟動了遄達XWB發動機的研制工作。

2010年6月14日，推力較小的遄達XWB-84發動機進行了第1次臺架試車，2012年2月18日在由空客公司的豪華巨型客機A380改裝的飛行試車臺上進行了第1次飛行試驗，在取證前進行了42次共140h的飛行試驗。在完成了全部取證試驗后，遄達XWB-84發動機于2013年2月7日取得歐洲航空安全局（EASA）頒發的適航證。

2013年6月14日，首架配裝遄達XWB-84發動機的A350XWB客機（編號為MSN1）開始飛行試驗，隨后又有4架試飛飛機（MSN2～MSN5）參加取證前的飛行試驗。該試驗包括在南美玻利維亞高海拔機場與阿拉伯聯合酋長國的AlAin炎熱環境的發動機性能試驗；在加拿大Iqaluit酷寒（氣溫為-30℃）條件下的發動機性能試驗，該試驗進行了1周時間，試驗后的進氣錐被冰層覆蓋如圖1所示。

2014年5月15日，RR公司向空客交付了用于首架投入運營的A350XWB客機的遄達XWB-84發動機。

2014年7月15日，遄達XWB發動機推力最大型號遄達XWB-97進行了首次地面臺架試車，計劃于2016年進行飛行試驗，配裝該發動機的A350 XWB-1000客機計劃于2017年投入航線運營。

圖1 遄達XWB發動機進氣錐被冰層覆蓋

2 遄達XWB發動機的設計特點

遄達XWB發動機由1級風扇、8級中壓壓氣機、6級高壓壓氣機、低污染環形燃燒室、1級氣冷高壓渦輪、2級氣冷中壓渦輪與6級低壓渦輪組成，如圖2所示。

圖2 遄達XWB3轉子大涵道比渦扇發動機

2.1 與傳統RB211/遄達發動機的不同

1972年，RB211-22B3轉子大涵道比渦扇發動機配裝于三星L1011寬體客機。RR公司在此基礎上，研制了RB211-535C、-535E4、-524C/D、-524G/H與-524G/H-T等系列發動機，又在-524G/H發動機的基礎上發展了遄達系列發動機。在上述發動機中，風扇后的支點（N1）處采用滾棒軸承，中壓渦輪為單級與高壓渦輪工作葉片帶冠是一貫的。遄達XWB發動機除在這3點打破了傳統設計外，還第1次在中、高壓壓氣機中采用整體葉盤，并在風扇部件中第1次采用復合材料的風扇后機匣，低壓渦輪工作葉片不僅首次采用TiAl合金，且局部做成空心結構。

2.1.1 風扇后支點處采用大直徑滾珠軸承

以往PW與GE公司的大涵道比渦扇發動機的風扇后支點即1號（N1）支點，出于安全性考慮均采用能承受軸向載荷的滾珠軸承。一旦風扇軸折斷，風扇盤能保持在發動機內而不會在風扇葉片氣動軸向力作用下甩離發動機。但是，RR公司從RB211-22B發動機到遄達1000發動機，均在風扇后1號支點處采用滾棒軸承，將承受低壓轉子軸向力的滾珠軸承設在中壓壓氣機后，且該滾珠軸承內、外環分別固定在風扇后軸和中壓壓氣機后軸內孔上，成為中介軸承，如圖3所示。

在傳統的RB211/遄達發動機中，為了解決風扇軸折斷后風扇盤甩離發動機的問題，在風扇轉子內的第1、3號支點間設置特別的保持軸，如圖4所示。從圖中可見，保持軸前端緊緊壓在風扇盤端面上，后端向內伸的擋邊扣在低壓渦輪軸前端套齒聯軸器壓緊螺帽后端，二者間留有間隙A。當正常工作時，始終保持間隙A，保持軸不起作用。—旦風扇軸折斷，風扇轉子在氣動軸向力作用下前移，此時，保持軸前移壓到螺帽上，轉子即被滾珠軸承所拉住而不會甩出。但是，在實際使用中，曾出現過幾次（例如1981.5、1981.8、1981.9與1982.12）風扇軸折斷后，保持軸未將風扇盤保持在發動機內的事件。風扇盤多次甩離發動機，在航空發動機發展史上也屬罕見，表明RB211系列發動機的風扇保持系統仍不夠完善。

圖3 遄達XWB與傳統的RB211/遄達發動機的風扇轉子支承上的對比

圖4 傳統的RB211/遄達發動機風扇轉子中的保持軸

在遄達XWB發動機中，將緊靠風扇盤后的軸承（N1）改為大直徑的滾珠軸承，如圖5所示。該軸承內徑大于中壓壓氣機后滾珠軸承的外徑。在傳統的RB211/遄達系列發動機中，風扇轉子滾珠軸承內徑比風扇盤后滾棒軸承和中壓壓氣機后滾珠軸承內徑都小。由此可見，遄達XWB風扇轉子的滾珠軸承尺寸比傳統RB211/遄達系列發動機的要大得多，不僅使承載軸向負荷的能力提高4倍，而且取消了保持軸，使結構更簡單，質量減輕。

2.1.2 中壓渦輪改為雙級

在傳統RB211/遄達發動機中，中壓渦輪一直采用單級設計，而遄達XWB發動機的中壓渦輪改成了雙級。由于發動機的總壓比高達52.0，改進后可降低渦輪級負荷，以提高效率。但在遄達1000發動機中，其總壓比為52.1，還稍高于遄達XWB的，但其中壓渦輪仍采用單級。

2.1.3 高壓渦輪工作葉片不帶冠

在RR公司研制的發動機中，包括斯貝、RB199以及傳統的RB211/遄達等發動機，高壓渦輪工作葉片均帶冠，而在PW與GE公司的發動機中則相反。由于高壓渦輪工作葉片短，帶冠后減少葉尖相對漏氣損失的作用更為顯著，從而可提高效率；但高壓渦輪工作葉片處在高轉速、高燃氣溫度的工作條件下，帶冠后對葉片榫根的強度帶來較大問題。RR發動機的高壓渦輪工作葉片做成帶冠的，說明其渦輪工作葉片的材料較好。但是，在遄達XWB推力最大型號即遄達XWB-97發動機中，高壓渦輪工作葉片沒有采用帶冠結構，這是由于為了增大推力，提高了渦輪前燃氣溫度，此時高壓渦輪工作葉片帶冠其葉片榫根承受不了高強度。而在遄達XWB的-75與-84發動機中，高壓渦輪工作葉片仍然帶冠。

圖5 遄達XWB發動機風扇盤后改用滾珠軸承

2.2 風扇

風扇直徑是遄達系列發動機中最大者，為2.997m，比GEnx發動機的還大0.178m，僅比GE90發動機的小，空氣流量約為1440kg/s。風扇采用了小的輪轂比（約0.25），在空氣流量一定時，可減小風扇直徑，加大涵道比，減輕質量。但輪盤直徑較小，為了能安裝所需的葉片數，葉片榫根采用了圓弧形，風扇部件如圖6所示。

圖6 遄達XWB發動機風扇

風扇葉片葉尖采用小的切線速度，以降低噪聲。葉片后掠，稱為彎刀形葉片，如圖7所示。采用最新的3維氣動方法設計，以提高效率。Ti6/4合金風扇葉片結構采用了RR公司的第3代設計，即DB/SPF(擴散連接/超塑性成形)做成的帶中間桁條的空心葉片。風扇葉片后緣與分流環前緣間留有較大間距，以便將隨流入發動機氣流的細小砂石、雨水等甩向外涵道。斜置的出口導向葉片與風扇葉片間留有很大間距，以降低噪聲，先進發動機中經常采用該設計，同時起到風扇與中壓壓氣機間中介機匣的傳力構件。

風扇包容機匣采用遄達900、1000發動機上的結構，即做成由Ti6/4鍛制的帶加強環的環形機匣。RR公司稱，該設計不僅具有足夠的包容能力，而且質量輕。風扇后機匣由復合材料制成，這是遄達系列發動機第1次在風扇后機匣上采用復合材料。

風扇輪盤與遄達1000的相同，即相當于帶3個輪盤的混合式轉子。

風扇后的分流環前緣通有熱空氣進行防冰，如圖8所示。從圖中可見，對分流環前緣加溫后的熱空氣由前緣縫隙中流出，并隨內涵氣流流入中壓壓氣機中。分流環防冰設計，在其他發動機包括遄達系列前幾種型號中均未采用過。

圖7 風扇葉片（前視）

圖8 分流環用熱空氣防冰

2.3 中、高壓壓氣機

與遄達1000發動機一樣，遄達XWB發動機中、高壓壓氣機分別為8、6級，如圖9所示。中壓壓氣機的前4排靜子葉片做成可調節的（遄達1000發動機中為前3排）。沿用了遄達900、1000發動機的高、中壓壓氣機轉子反轉設計。

圖9 遄達XWB發動機中、高壓壓氣機

中、高壓壓氣機采用新近發展的子午流道抬高（risingline）氣動設計技術，以改善速度分布，并在設計中采用全3維分析手段。在中、高壓壓氣機轉子中笫1次采用了整體葉盤結構。2005年前后，RR公司來中國宣傳用于B787客機的遄達1000發動機時，針對GEnx發動機（用于B787的另1型發動機）高壓壓氣機中采用3級整體葉盤結構，特別強調在遄達1000發動機中沒有采用整體葉盤結構，似乎其不適用于民用大涵道比渦扇發動機。但之后在遄達XWB發動機中，中、高壓壓氣機中不僅采用了整體葉盤，而且還報道采用其給發動機帶來的好處。顯然，今后在民用大涵道比渦扇發動機中將廣泛采用整體葉盤。

由于遄達XWB發動機總壓比高達52，高壓壓氣機輪盤均由鎳基合金做成，前3級為整體葉盤結構，且焊成一整件，后2級與后軸焊為一體，在單體的第4級盤處用短螺栓將整個轉子連接成整體。后3級的工作葉片用環形燕尾榫頭與輪盤連接。與遄達1000發動機的一樣，壓氣機中采用雙層機匣的結構，且對應工作葉片葉尖的機匣作成整環，以保證在工作中各級葉片葉尖有較均勻的間隙，如圖10所示。

圖10 高壓壓氣機前3級為鎳基合金整體葉盤且焊成一體

2.4 燃燒室

遄達XWB發動機燃燒室采用遄達系列發動機笫5階段燃燒室設計，火焰筒采用可拆換瓦片的浮壁式結構，如圖11所示。瓦片采用強制冷卻的設計，可減少冷卻空氣量，有較合適的出口溫度場，提高了效率并減少NOx排放。雖然RR公司在幾個技術驗證技術計劃如ANTLE、EFE、ALEXSYS等中采用貧油燃燒室，改善了NOx排放，但結構較復雜，維護費用高，以及對耗油率與CO2略有影響，因此，在遄達XWB發動機中仍然采用遄達系列發動機的笫5階段燃燒室，即富油燃燒室設計。

圖11 遄達XWB發動機燃燒室

RR公司的第5階段燃燒室實際上是串聯燃燒的分級燃燒室，其中的燃燒情況是前、中、后分別為富油燃燒級（R）、快速猝熄級（Q）、貧油燃燒級（L）。燃油與空氣沒有預先混合，燃油由氣動霧化噴嘴噴出后，全部燃油和部分空氣進行富油燃燒，通過降低燃燒溫度來減少富油燃燒區的NOx，然后富油燃氣快速與2股氣流混合形成快速猝熄，在燃燒室后段進行貧油燃燒。在該燃燒室中形成了富油燃燒區以及混合和降溫貧油燃燒區2個明顯的燃燒區。

遄達XWB發動機采用先緩擴后突擴的雙級擴壓器，高壓壓氣機出口導向葉片與緩擴擴壓器鑄成一體。燃燒室機匣采用Waspaloy鍛制成一體，再經機械加工而成，一改傳統設計中的由板料焊接而成的作法，該設計己應用于一些最新發展的發動機中。

遄達XWB燃燒室具有燃油燃燒充分、排污低、耗油率低等特點。根據RR公司的分析，遄達XWB-84發動機的耗油率比GE90-115B發動機的低10%；同時具有巡航效率高以及高空再點火好的能力。

2.5 渦輪

遄達XWB發動機渦輪由1級高壓渦輪、2級中壓渦輪及6級低壓渦輪組成，如圖12所示。從圖中可見，由于涵道比大，低壓渦輪轉速低，為了達到較好的工作能力，只得加大低壓渦輪葉尖直徑，因此，整個渦輪機匣呈特大的錐形。

在遄達XWB系列發動機中，推力最大的-97型的推力比-75型的大30%。推力增大主要通過提高渦輪前燃氣溫度達到，該溫度高達1975K[4]，與第4代戰斗機用的推重比為10的F119發動機的溫度相當。因此，在-97型中，高壓渦輪工作葉片不僅采用新的耐高溫性能好的材料與涂層，而且改變了RR公司高壓渦輪工作葉片帶冠的傳統設計，取消了葉冠。

在工作葉片不帶冠的高壓渦輪中，為了提高效率，遄達XWB發動機采用較為先進的葉尖主動間隙控制系統；另外，在葉片葉尖處涂有耐高溫與耐磨的TBT429材料，而在葉尖對應的襯環上涂有抗氧化的涂層，以減小葉尖間隙，當葉尖與襯環碰摩時，襯環不會氧化。

遄達XWB核心機增壓比較高，核心機的渦輪如仍用2級，則渦輪的氣動負荷較高，會影響效率，因此改為3級渦輪。在2級高壓渦輪加1級中壓渦輪與1級高壓渦輪加2級中壓渦輪的2種方案中，經過優化分析與計算，最終遄達XWB發動機采用1級高壓渦輪加2級中壓渦輪的方案，改變了RB211與遄達系列發動機采用單級中壓渦輪的傳統設計。

6級低壓渦輪采用最新一代的氣動與結構設計技術設計的工作葉片不僅首次采用TiAl金屬間化合物的輕質合金，且第3～6級局部做成空心的，以減輕質量，局部做成空心的工作葉片也是遄達XWB發動機的首創。

2.6 其他方面

（1）遄達XWB發動機采用常規由高壓壓氣機引氣供飛機增壓座艙的方式，因此，不像遄達1000發動機在附件傳動裝置中驅動2臺各250kW的交流變頻發電機，而是驅動2臺各100kW的交流變頻發電機。

（2）交流發電機等附件是由中壓轉子驅動的，在發動機起動時當作起動機使用，為此，在附件傳動裝置中，發電機通過1套帶自動離合器（超越離合器）的雙軸傳動裝置，與中、高壓轉子連接。當發動機起動時，交流發電機作為起動機驅動高壓轉子，發動機起動后自動轉成中壓轉子驅動發電機等附件，提高了高壓壓氣機喘振裕度。

（3）設有在飛行中實時監測發動機性能參數的先進發動機健康管理系統。

3 遄達XWB發動機的綜合性能

3.1 性能

遄達XWB發動機是該系列發動機中風扇直徑、推力最大的1型發動機，其與遄達1000、以及GE90、GE90-115B與GEnx等發動機的主要參數對比見表1。

從表中可見，遄達XWB發動機與遄達1000發動機相比，總壓比一致，涵道比略小，渦輪前燃氣溫度有所提高。與GE公司的GEnx發動機相比，涵道比稍小，總壓比大很多。由于遄達XWB發動機取證時間（2013年初）比GEnx發動機（2008年4月）的晚5年，采用了在那5年中新近發展的葉型氣動設計、金屬和非金屬材料、調節與診斷等許多技術，因此，其在性能、經濟性、排放、噪聲與維修成本等均處于當今領先的地位，是最好的發動機（GE9X發動機在某些方面可能優于遄達XWB發動機，但計劃于2020年才能投入航線使用），這也是A350XWB客機受到航空公司青睞的原因之一。

表1 幾型發動機主要參數

3.2 經濟性

由于采用高的循環參數（涵道比9.3、總壓比52）及21世紀初新發展的技術與材料，遄達XWB發動機的經濟性顯著優于當前在役的發動機，如圖13所示。其中，遄達XWB發動機的耗油率比遄達1000發動機的低2.7%，比GE90-115B發動機的低10%。因而，配裝遄達XWB發動機的A350XWB寬體客機每座燃油效率比目前飛機的高25%。按每個航班飛行5h，1年飛行5000h計，每架A350XWB客機可為航空公司每年節省250萬美元。

圖13 各型遄達發動機與RB211-524H發動機的耗油率比較

3.3 噪聲

由于采用先進的氣動設計及多種降噪措施，遄達XWB發動機的噪聲水平相當于GE90發動機的50%，使A350XWB客機的外部噪聲比目前正在運營的同級別飛機的低16EPNdB（有效可察覺噪聲分貝），低于國際民航組織第4章的要求。

3.4 排放

由于燃油能夠充分燃燒，遄達XWB發動機的排污值較低。各型遄達系列發動機CO2與NOX排放值的比較如圖14所示。從圖中可見，遄達XWB發動機的CO2與NOX排放值分別比遄達895發動機（2000年投入使用）的低15%與40%。

圖14 遄達XWB發動機與遄達其他型號的排放值對比

遄達XWB-84與-97發動機的一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、未燃碳氫化合物（UHC）和煙塵（smoke）排放值與CAEP-6及CAEP-8限制值的裕度如圖15所示。從圖中可見，XWB-97發動機的NOx值與CAEP-6限制值相比，有15%的裕度；與CAEP-8限制值相比，仍有10%的裕度。

圖15 遄達XWB發動機4項主要排放值

CAEP-8是國際民航航空環境保護委員會CAEP（CommitteeforAviationEnvironmentalProtection）在CAEP-6的基礎上擬訂的更為嚴格的標準，2013年以后定型的發動機要遵守此標準。在2個標準中，NOx限制值在低總壓比時，CAEP-8比CAEP-6的低15%，在高總壓比時（例如遄達XWB-97發動機），CAEP-8比CAEP-6的低10%。

上述遄達XWB發動機排放值是在燃燒室部件試驗以及在美國空軍AEDC（ArnoldEngineering DevelopmentCenter）高空臺上進行的高空工作性能及點火試驗中獲得的。因此，遄達XWB發動機以其最先進的氣動性能及高效率的燃燒室有助于減少排放，使之不但符合目前的排放標準，同時也會在可預見的未來符合環保要求，使A350XWB客機平均每名乘客的二氧化碳排放比現有大型客機的降低25%左右。

4 結束語

綜上所述，遄達XWB發動機從結構特點、設計性能到整體綜合評估都具備良好的特性，是目前世界上最先進的發動機。

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