据simpleflying网站12月19日报道，航空发动机制造商英国罗罗公司周一宣布将于明年初开始测试其 UltraFan 技术演示机（超扇发动机）。报道提到，UltraFan发动机的一个重大创新点是动力齿轮箱的使用，其额定功率为50兆瓦。这也标志着，国际上3家最强的民用大涵道比涡扇发动机制造商之中的2家美国普惠公司和英国罗罗均已确定将“齿轮传动涡扇发动机”定为未来发展方向。
UltraFan发动机
齿轮传动涡扇发动机究竟有什么优点，为何有如此大的魅力？对于航空公司来说，燃油成本大约占到它的总运营成本的三分之一。如果能够降低客机的耗油率，那无疑将能给航空公司节省下一大笔费用。因此，客机发动机的耗油率便成了最重要的指标。
研究表明，同等条件下，涵道比越大，涡扇发动机的耗油率越低。为了尽可能降低耗油率，民航客机发动机制造商就一直想尽各种办法提升它的涵道比。20世纪80年代研制的高涵道比涡扇发动机，涵道比一般只有5.0左右；90年代中后期研制的发动机涵道比提升到8.0左右 (GE90)；21世纪初研制的发动机，涵道比达到10.0 ~11.0。
普惠公司部分型号发动机的参数
研究表明，当涡扇发动机的涵道比增大到8~9时，增加级数引起的质量和费用增加可能会抵消掉由涵道比增加带来的好处，加上现有技术路线发展越来越接近极限，继续增大涵道比越来越难。
此外，一直增加涵道比也给发动机带来一个问题：风扇转速较低造成低压压气机 (增压级) 与低压涡轮（动力涡轮）处于不利的转速下工作的窘境。
这是因为大涵道比涡扇发动机一般由多级低压涡轮通过连杆连接，两者转速是一样的。由于直径相对要小很多，对于低压涡轮来说，它的最佳转速区间要比风扇高很多，却因为风扇的拖累，转速被降下来，导致它的工作效率大大下降，而且随着涵道比的增大，问题越来越严重。
那么有没有什么办法能够解决这个矛盾呢？
其实聪明的研发人员早就想到了：断开低压涡轮和风扇之间的直接联系，通过减速齿轮箱实现风扇和低压涡轮之间的不同转速，使它们都尽可能处于最佳工作转速区间。
UltraFan发动机通过齿轮箱实现风扇与低压涡轮差速运转
提升低压涡轮转速之后，低压涡轮的运行效率也可以得到较大提升，可以用更少的级数达到相同的功率输出，也就是可以实现结构减重。
于是，美国普惠公司在上世纪80年代早早就开始探索这一技术路线，并已量产多个型号，而英国罗罗公司也提出了自己的“齿轮传动涡扇发动机”（GTF发动机）发展计划，UltraFan发动机就是它的成果。
齿轮传动涡扇发动机虽好，技术难度却不小。从原理上来说，齿轮传动涡扇发动机也就是在传统大涵道比涡扇发动机的基础上，在风扇或者增压级后面增加一套齿轮箱而已，很简单。
造出一套风扇驱动齿轮箱并不难，但要造出一套高可靠性、高稳定性、高耐久性的风扇驱动齿轮箱却没那么简单。
受限于空间有限，风扇驱动齿轮箱功率密度太大，对传动效率、散热效率要求极高。等于对传动齿轮的材料、齿型、公差、磨损容许量、设计极限等，以及整个减速器的性能极限、效率目标和耐久性等参数都提出了极高的要求。
总的来说想要造出符合要求的齿轮箱，必须在这两方面下功夫：
第一是传递效率必须足够高效，一般要超过99%。
以UltraFan发动机的齿轮箱为例，它的直径只有大约1.2米，为了能够传输50兆瓦的功率，它的功率传输极限值高达64兆瓦以上。以64兆瓦为例，如果传输效率为99%，那么它工作时产生的废热就高达640千瓦，而实际上它的工作效率是99.6%，也就是说它的废热也高达256千瓦。如果传输效率太低，一方面是效率损失太大，甚至可能不如传统大涵道比涡扇发动机，另一方面是产生的废热太多，齿轮箱将难以承受。
UltraFan发动机的齿轮箱
因此，齿轮箱必须足够精密，齿轮之间的咬合必须足够精准，刚度也必须足够高，齿轮本身必须足够耐磨，否则难以做到长时间超高效传动。
第二是散热要求极高，要在狭小的空间内实现百千瓦甚至兆瓦级散热功率。
据了解，UltraFan发动机的齿轮箱直径仅1.2米左右，整体就是一个圆盘，里面内置5个行星齿轮和一个太阳齿轮。这些齿轮在高速转动过程中不可避免会产生废热，按照上文估算值可达256千瓦。为了预留足够的安全冗余度，它的极限散热能力必须远大于256千瓦。并且，齿轮箱的传动效率每降低0.1个百分点，就会多产生64千瓦的废热。
两种行星齿轮箱设计
这么多废热如果不能及时排出去，几秒钟就可能把齿轮箱烧毁。如何设计出合理、足够轻的散热回路就显得尤为重要。
由此可见，想要造出满足民航客机发动机使用的传动齿轮，就需要攻克设计、材料、工艺三大难关，这背后需要有足够先进的工业基础才能做到。
出乎意料的是，我国CJ2000竟然打算一步到位。12月8日，中国船舶703所发布一篇名为《广瀚传动大飞机用风扇驱动齿轮箱试验任务圆满完成》的宣传报道。一下子让很多人始料未及：CJ2000竟然打算采用齿轮箱驱动风扇！
中国船舶703所提供的20兆瓦级风扇驱动齿轮箱试验现场照片
涡扇发动机采用的驱动齿轮箱分为附件齿轮箱和行星齿轮箱，前者更多用在涡桨和涡轴2种发动机上，我国也早已能够自行研制、量产；后者一般被用在涡扇发动机上，此前我国在这个领域一直处于技术空白。
报道中提到“哈尔滨广瀚传动有限公司承担的中国商用发动机CJ2000项目的国产首台风扇驱动齿轮箱试验任务顺利完成”。“首台”就说明我国是第一次涉及这种驱动齿轮箱，明显不是附件齿轮箱，那就只有一种可能：行星齿轮箱！
关键是哈尔滨广瀚传动有限公司已经完成20兆瓦级风扇驱动齿轮箱的试验任务。理论上它可以用在推力达18吨的齿轮传动涡扇发动机上。
考虑到CJ2000设计推力达到35吨级，需要40兆瓦级别的风扇驱动齿轮箱才能满足要求，因此这套20兆瓦级风扇驱动齿轮箱很可能只是CJ2000缩比验证机使用的型号，仍然处于预研阶段。想要实用化，至少还需要再开发出一套40兆瓦级别的风扇驱动齿轮箱。
CJ2000发动机模型
如果CJ2000能够以齿轮传动涡扇发动机形式取得适航证，最终它发展出来的风扇驱动齿轮箱技术则可以直接通过缩小尺寸的方式向下覆盖所有大涵道比涡扇发动机，这将有利于商飞公司迅速追上国际一流水准。
综上所述，这套20兆瓦级风扇驱动齿轮箱通过测试仍然只能算是万里长征第一步，虽然意义十分重大，但要实用化，仍需再接再厉。祝愿CJ2000项目研发人员早日完成40兆瓦级别的风扇驱动齿轮箱，尽快造出CJ2000型齿轮传动涡扇发动机。
