據simpleflying網站12月19日報道，航空發動機製造商英國羅羅公司周一宣布將於明年初開始測試其 UltraFan 技術演示機（超扇發動機）。報道提到，UltraFan發動機的一個重大創新點是動力齒輪箱的使用，其額定功率為50兆瓦。這也標誌着，國際上3家最強的民用大涵道比渦扇發動機製造商之中的2家美國普惠公司和英國羅羅均已確定將「齒輪傳動渦扇發動機」定為未來發展方向。
UltraFan發動機
齒輪傳動渦扇發動機究竟有什麼優點，為何有如此大的魅力？
對於航空公司來說，燃油成本大約佔到它的總運營成本的三分之一。如果能夠降低客機的耗油率，那無疑將能給航空公司節省下一大筆費用。因此，客機發動機的耗油率便成了最重要的指標。
研究表明，同等條件下，涵道比越大，渦扇發動機的耗油率越低。為了儘可能降低耗油率，民航客機發動機製造商就一直想盡各種辦法提升它的涵道比。20世紀80年代研製的高涵道比渦扇發動機，涵道比一般只有5.0左右；90年代中後期研製的發動機涵道比提升到8.0左右 (GE90)；21世紀初研製的發動機，涵道比達到10.0 ~11.0。
普惠公司部分型號發動機的參數
研究表明，當渦扇發動機的涵道比增大到8~9時，增加級數引起的質量和費用增加可能會抵消掉由涵道比增加帶來的好處，加上現有技術路線發展越來越接近極限，繼續增大涵道比越來越難。
此外，一直增加涵道比也給發動機帶來一個問題：風扇轉速較低造成低壓壓氣機 (增壓級) 與低壓渦輪（動力渦輪）處於不利的轉速下工作的窘境。
這是因為大涵道比渦扇發動機一般由多級低壓渦輪通過連桿連接，兩者轉速是一樣的。由於直徑相對要小很多，對於低壓渦輪來說，它的最佳轉速區間要比風扇高很多，卻因為風扇的拖累，轉速被降下來，導致它的工作效率大大下降，而且隨着涵道比的增大，問題越來越嚴重。
那麼有沒有什麼辦法能夠解決這個矛盾呢？
其實聰明的研發人員早就想到了：斷開低壓渦輪和風扇之間的直接聯繫，通過減速齒輪箱實現風扇和低壓渦輪之間的不同轉速，使它們都儘可能處於最佳工作轉速區間。
UltraFan發動機通過齒輪箱實現風扇與低壓渦輪差速運轉
提升低壓渦輪轉速之後，低壓渦輪的運行效率也可以得到較大提升，可以用更少的級數達到相同的功率輸出，也就是可以實現結構減重。
於是，美國普惠公司在上世紀80年代早早就開始探索這一技術路線，並已量產多個型號，而英國羅羅公司也提出了自己的「齒輪傳動渦扇發動機」（GTF發動機）發展計劃，UltraFan發動機就是它的成果。
齒輪傳動渦扇發動機雖好，技術難度卻不小。
從原理上來說，齒輪傳動渦扇發動機也就是在傳統大涵道比渦扇發動機的基礎上，在風扇或者增壓級後面增加一套齒輪箱而已，很簡單。
造出一套風扇驅動齒輪箱並不難，但要造出一套高可靠性、高穩定性、高耐久性的風扇驅動齒輪箱卻沒那麼簡單。
受限於空間有限，風扇驅動齒輪箱功率密度太大，對傳動效率、散熱效率要求極高。等於對傳動齒輪的材料、齒型、公差、磨損容許量、設計極限等，以及整個減速器的性能極限、效率目標和耐久性等參數都提出了極高的要求。
總的來說想要造出符合要求的齒輪箱，必須在這兩方面下功夫：
第一是傳遞效率必須足夠高效，一般要超過99%。
以UltraFan發動機的齒輪箱為例，它的直徑只有大約1.2米，為了能夠傳輸50兆瓦的功率，它的功率傳輸極限值高達64兆瓦以上。以64兆瓦為例，如果傳輸效率為99%，那麼它工作時產生的廢熱就高達640千瓦，而實際上它的工作效率是99.6%，也就是說它的廢熱也高達256千瓦。如果傳輸效率太低，一方面是效率損失太大，甚至可能不如傳統大涵道比渦扇發動機，另一方面是產生的廢熱太多，齒輪箱將難以承受。
UltraFan發動機的齒輪箱
因此，齒輪箱必須足夠精密，齒輪之間的咬合必須足夠精準，剛度也必須足夠高，齒輪本身必須足夠耐磨，否則難以做到長時間超高效傳動。
第二是散熱要求極高，要在狹小的空間內實現百千瓦甚至兆瓦級散熱功率。
據了解，UltraFan發動機的齒輪箱直徑僅1.2米左右，整體就是一個圓盤，裏面內置5個行星齒輪和一個太陽齒輪。這些齒輪在高速轉動過程中不可避免會產生廢熱，按照上文估算值可達256千瓦。為了預留足夠的安全冗餘度，它的極限散熱能力必須遠大於256千瓦。並且，齒輪箱的傳動效率每降低0.1個百分點，就會多產生64千瓦的廢熱。
兩種行星齒輪箱設計
這麼多廢熱如果不能及時排出去，幾秒鐘就可能把齒輪箱燒毀。如何設計出合理、足夠輕的散熱迴路就顯得尤為重要。
由此可見，想要造出滿足民航客機發動機使用的傳動齒輪，就需要攻克設計、材料、工藝三大難關，這背後需要有足夠先進的工業基礎才能做到。
出乎意料的是，我國CJ2000竟然打算一步到位。
12月8日，中國船舶703所發佈一篇名為《廣瀚傳動大飛機用風扇驅動齒輪箱試驗任務圓滿完成》的宣傳報道。一下子讓很多人始料未及：CJ2000竟然打算採用齒輪箱驅動風扇！
中國船舶703所提供的20兆瓦級風扇驅動齒輪箱試驗現場照片
渦扇發動機採用的驅動齒輪箱分為附件齒輪箱和行星齒輪箱，前者更多用在渦槳和渦軸2種發動機上，我國也早已能夠自行研製、量產；後者一般被用在渦扇發動機上，此前我國在這個領域一直處於技術空白。
報道中提到「哈爾濱廣瀚傳動有限公司承擔的中國商用發動機CJ2000項目的國產首台風扇驅動齒輪箱試驗任務順利完成」。「首台」就說明我國是第一次涉及這種驅動齒輪箱，明顯不是附件齒輪箱，那就只有一種可能：行星齒輪箱！
關鍵是哈爾濱廣瀚傳動有限公司已經完成20兆瓦級風扇驅動齒輪箱的試驗任務。理論上它可以用在推力達18噸的齒輪傳動渦扇發動機上。
考慮到CJ2000設計推力達到35噸級，需要40兆瓦級別的風扇驅動齒輪箱才能滿足要求，因此這套20兆瓦級風扇驅動齒輪箱很可能只是CJ2000縮比驗證機使用的型號，仍然處於預研階段。想要實用化，至少還需要再開發出一套40兆瓦級別的風扇驅動齒輪箱。
CJ2000發動機模型
如果CJ2000能夠以齒輪傳動渦扇發動機形式取得適航證，最終它發展出來的風扇驅動齒輪箱技術則可以直接通過縮小尺寸的方式向下覆蓋所有大涵道比渦扇發動機，這將有利於商飛公司迅速追上國際一流水準。
綜上所述，這套20兆瓦級風扇驅動齒輪箱通過測試仍然只能算是萬里長征第一步，雖然意義十分重大，但要實用化，仍需再接再厲。祝願CJ2000項目研發人員早日完成40兆瓦級別的風扇驅動齒輪箱，儘快造出CJ2000型齒輪傳動渦扇發動機。
