浅谈新一代窄体客机动力明星，PW1000G与Leap
涡喷
涡扇
最基础的航发也就是涡喷发动机（如图，典型的单涵道单轴涡喷发动机J79，星式战斗机的动力来源），工作原理是把空气先吸进来，再对其加压，喷油燃烧，用高温高压的气体推动涡轮（此涡轮所做的功来驱动压气机）。再把高速的气体喷出去形成推力。
这时排气的温度会很高，而排出同样质量同样速度的空气所获推力是一样的，也就是这些都成了废热。所以人们发明了涡扇发动机（比如下图中的GE90，双轴双涵道，波音777的动力来源，也是人类制造并投入商用的最大航空发动机），利用尾气的能量推动第二根轴（低压轴）来推动一个大风扇，风扇带来额外的推力，以及在驱动风扇的低压轴上装入低压压气机，这样可以获得更高的总压缩比，也就实现了更大的膨胀比来驱动涡轮。涡扇发动机发展到今天，整机提供的推力有80%都是风扇带来的。罗罗公司的三轴发动机同理，热力循环原理是完全一样的，三轴方案优化了涡轮机设计和轴动态性能，这里不再详述。
现代涡扇的突破与瓶颈
从初代的涡扇（民机，这里先不讨论军机小涵道比多级涡扇）到今天，有非常多的新技术应用，比如超音速压气叶片，可以高效的提供更大单级压比。比如单晶叶片以及热障涂层，大幅提高了涡轮前温度，也就直接提高了涡轮机功率和效率，等等。
而如本文上部分所提，由于80%的推力都来自于风扇，那么风扇的效率绝对是至关重要的，现代 大涵道比涡扇发动机更像是一台燃气涡轮发动机来带动一个推力风扇。既然如此，那么整机都要根据风扇的需求来优化，而优化的核心在于涡轮机工作最重要的一个参数：转数。传统的非超音速风扇的大涵道比涡扇发动机例如CF6（下图左侧）有更多的，更窄的，压比更低的钛合金叶片，而且它们需要叶肩来在发动机运行的时候互相锁紧，这回造成局部气流分离而降低效率以及带来噪音。最现代的大涵道比涡扇发动机（如下图右侧GEnX）改用3D优化空气动力学的碳纤维风扇（叶刃处为钛合金包裹，来保护脆性的碳纤维），由于本身超宽弦，大曲率所以完全舍弃了叶肩，而且它的叶片外面一部分是工作在超音速，利用超音速激波来增压，而且叶片数量更低，重量更轻。
而现代超大涵道比涡扇发动机的瓶颈在于，风扇超音速的程度不能无限增加，也就是风扇的周向速度不能再增加。这意味着如果保持现在的风扇周向速度，风扇只能做的更大转的更慢，所以跟它刚性相连的低压涡轮同样也要慢，根据涡轮机工作原理，涡轮机做功和转数成正比。那么我们得到了一个更耗能的风扇和更弱的低压涡轮，更小的马拉更大的车，这不可能啊！
而中等推力超大涵道比涡扇发动机相比宽体客机用的大推力超大涵道比涡扇发动机有一个更大的劣势，它做小了以后，所有涡轮机叶片的叶高也就更矮，涡轮机效率更低，尺寸带来效率这是热机的基本原则。
同时越来越大的风扇会降低离地间隙，更大的发动机短舱飞行阻力等等，这里不再赘述。
普惠解决方案
普惠PW1000G来自于PW6000也就是空客A318的动力，而A318只造了80架，所以这款发动机完全是赔钱的，在设计之初普惠要应用新型超音速高压压气叶片达到单级1.8压比而只要5级，最终根本无法成功点火。德国MTU航发集团预见到了这个问题，自掏腰包研发了6级高压压气模组装入PW6000，成功解围。
普惠把低压涡轮和风扇断开，中间加入一个3:1定传动比的齿轮箱，让低压涡轮更快的转，装入更大但是转的更慢的风扇，这也就是为什么3级的低压涡轮可以推动12.5倍涵道比的超大风扇，要知道GE90只有9倍涵道比而低压涡轮有6级。进行风扇的重新设计，成了一个用铝合金做推力风扇的厂家。3级低压涡轮转的如此之快，以至于它们工作起来就像高压涡轮一样，功率非常充沛，而齿轮箱带来的另一个好处就是，低压压气机也可以非常快速的旋转，从而大幅提高了压气机效率，导致连高压压气机都省了2级。而总压比为50:1远超Leap的40:1。
说起来容易，做起来难。多少代航空动力工程师都有一个齿轮传动的梦想，这为什么这么难呢？首先能够给齿轮箱的空间非常小，可靠性要非常非常高，空中发动机停车可不是闹着玩的。但是最重要的是功率，一台PW1000G的功率大约有30MW，假如齿轮箱的传动效率有98%（ZF官方宣传自己名满天下的8AT的传动效率），那么将得到600kW的废热，也就是300个洗衣机塞到这么小的一块通风不良地方同时满负荷工作，这么多的热不可能有效的被排掉而同时还有极高的可靠性（这种会造成灾难性后果的部位部件适航证要求平均10亿飞行小时最多一次失效）。普惠工程师努力了几十年最终实现了99.8%的传动效率，这个定比周转轮系齿轮箱绝对是人类工程学杰作。即使是这样还是有30kW的废热需要排掉。
PW1000G的行星齿轮箱
GE的解决方案
Leap是一个缩小版的GEnX，从后者继承了大量技术，相比普惠的解决方案它更倾向于最大限度的优化现有发动机结构，在每一个细节上做到极致，比如3D打印的Y型喷油嘴提高燃烧效率降低排放，在高压涡轮应用了一定程度的陶瓷材料来提高涡轮前温度（直接决定了涡轮机做功能力和效率），当然还有最重要的GE家招牌碳纤维推力风扇。因为推力风扇的巨大尺寸，所以低压轴的转数被严格限制，只有不到4000转（CFM56的低压轴超过5000转），而在如此低的转数要推动那么大的风扇就需要7级低压涡轮，所以导致重量和造价都很高，而GE也是尽量轻量化了此巨型低压涡轮，甚至应用了铝钛合金TiAl（Titanium aluminide），这种合金的工作温度要高于钛合金低于镍合金，而密度介于钛和铝之间，远低于镍。而轻量化的转子叶片带来了另外一个好处就是，发动机外壳可以做的更薄，因为要保证更轻叶片断裂不射穿的壳体也可以更轻。假如此低压涡轮全部都用镍合金，那么Leap的总重量绝对不会这么轻。
Leap高压涡轮定子配件，注意上面的陶瓷复合材料热障层
Leap的喷油嘴和燃烧室
Leap的超大号低压涡轮
空客A320neo的动力架构对比