磨砺与创新:在研发动机动态

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  目前,民用航空发动机制造商主要有美国的GE公司和普惠公司、英国的罗罗公司、由美国GE和法国赛峰飞机发动机公司(原斯奈克玛公司)各占50%股份的CFM国际公司以及由普惠公司、罗罗公司、日本JAEC及德国MTU公司合资成立的国际航空发动机公司(IAE,罗罗公司于2012年退出IAE,将其股份卖给了普惠公司)、由GE和普惠公司各出资50%成立的发动机联盟公司(Engine Alliance)以及俄罗斯的彼尔姆公司。
  不同发动机制造商的产品有各自的竞争优势。GE公司的发动机产品谱系齐全,可靠性高,但价格相对昂贵;普惠公司的发动机具有更优越的性价比,但欠缺大推力级产品;罗罗公司的产品更加注重环境友好方面的改进,重点关注大推力级市场;IAE和CFM国际公司则在降低油耗、拓展环境性能包线、提高维修性等方面表现较好。


  为满足“绿色航空”的要求,新型民用航空发动机必须大幅度降低油耗(即碳排放量)、NOx排放量以及噪声,同时还要具有操纵性及维修性好、可靠性高、寿命长等特点。在这种形势下,发动机制造商们也在不断改进现有产品或研发新产品。目前,在研或新研的典型窄体客机发动机有LEAP、GTF、开式转子发动机、PD-14,宽体客机发动机有遄达XWB、GE9X、遄达7000等。
  在研窄体客机发动机
  CFM国际公司的LEAP系列发动机目前在窄体客机市场拥有不错的份额。LEAP系列有LEAP-1A、LEAP-1B、LEAP-1C三种型号。其中,LEAP-1A发动机用于空客A320neo飞机,作为可选动力装置,目前约占该型飞机订单的53%;LEAP-1B发动机作为唯一动力装置用于波音737MAX飞机;LEAP-1C则用于供给中国商飞C919飞机。
  LEAP发动机属于典型的传统双转子涡扇发动机,但采用了很多新技术,包括由法国赛峰集团负责制造的先进碳纤维复合材料风扇叶片、最新的热力学设计、更大的涵道比和压缩比、先进的三维气动设计等。LEAP发动机的燃油喷嘴由GE公司采用直接金属激光熔融技术(DMLM)制造,其他新的制造技术还包括增材制造技术、陶瓷基复合材料(CMC)制造技术等。与现有主流发动机相比,LEAP发动机的燃油消耗和二氧化碳排放均可减少16%,氮氧化物排放量降低40%以上,运转起来更为安静。
  2016年2月CFM国际公司的公告显示,LEAP发动机的订单已经超过10000台,价值高达1400亿美元。2015年,LEAP发动机销量占CFM公司发动机总销量的65.8%。2016年,LEAP发动机计划交付150台,预计2018年将达到1000台,到2020年达到1800台。
  普惠公司的齿轮传动风扇发动机(GTF)具有低排放、低噪声、低油耗等优点,是新一代民用发动机的重要发展方向之一。
  GTF发动机可算是传统双转子涡扇发动机的一种衍生型,与后者的不同之处是在发动机风扇和低压涡轮转子之间引入了一个减速齿轮箱,使低压涡轮转子能够在效率较高的高转速下工作的同时,也可让风扇在气动损失和噪声较小的较低转速下工作,从而可减少低压涡轮级数,增大风扇直径,提高发动机涵道比,实现更加节能、降噪和环保的优化设计目标。
  GTF发动机可追溯到普惠2008年启动的生产型洁净动力PWl000G系列项目。为了降低研发成本,GTF发动机项目采取合作研发的模式,研发战略合作伙伴主要有普惠、MTU、Avio、Volvo Aero航空公司和Goodrich公司,它们分别负责研制提供低压压气机、低压涡轮、风扇传动齿轮系统、涡轮排气机匣和发动机短舱。


  目前,拟装GTF发动机的飞机包括空客A320neo、庞巴迪C系列、巴航工业E175/190/195、三菱MRJ以及伊尔库特MC-21等。PW1100G发动机用于A320neo,已于2015年11月获得适航认证;PW1500G发动机用于CS100,也在2015年年底取得了型号合格证;PW1700G发动机被E175选用,计划2020年投入使用;PW1900G发动机用于E190/195-E2,已于2015年底进行了首飞试验,并计划2016年完成全部测试;PW1700G和PW1200G分别用于E175和MRJ,目前也在测试中,计划2020年投入使用;PW1400G发动机用于MC-21,首台发动机已于2015年7月交付给伊尔库特集团。
  普惠公司表示,目前各型GTF发动机订单已达7000多台,客户总数超过70家。其中,100多台发动机已经交付。随着上述各型飞机投入商业运营,GTF发动机在2016年的交付量预计将达300台左右。
  罗罗公司的开式转子发动机不同于传统涡扇发动机,该型发动机的风扇没有短舱包裹,直接延伸至气流中。根据风扇位置的不同,开式转子发动机可分为拉进式和推进式,拉进式风扇安装在发动机前部,而推进式风扇安装在发动机后部。
  开式转子发动机最显著的特点是可以获得超高涵道比,从而大大节省燃油消耗。不过,开式转子发动机也有一些局限性,如风扇直径较大导致在飞机上安装困难,需要增加起落架高度或改变飞机构型以及复杂的机体一体化问题等。另外,叶尖转速容易达到声速边界,加之没有短舱防护,如何解决急剧增大的噪声也是该型发动机需要解决的问题。
  GE公司从上世纪70年代开始与NASA合作研发开式转子技术,持续了20年,耗资约12亿美元,并成功进行了开式转子发动机的地面试验和飞行试验,证明开式转子发动机的燃油消耗率可同比降低30%。
  而罗罗公司则通过改变风扇叶片的形状,将其由传统的长条形改为短宽形和降低厚度等方法来解决噪声问题。在“洁净天空计划”背景下,法国赛峰飞机发动机公司也在研发一款开式转子试验发动机。同时,空客也在致力于研究开式转子发动机机身一体化、配置选择和认证等问题。据赛峰飞机发动机和空客两家公司估计,将在2017年解决该型发动机的经济可行性问题。按照“洁净天空计划2”的规划,2023年前后将可进行开式转子发动机飞行演示。   俄罗斯在研的PD-14发动机属于典型的双转子涡扇发动机,计划用于MC-21飞机。总体来说,PD-14是以LEAP发动机为竞争对手设定各项技术指标的。


  PD-14发动机的主要特点是高效的核心机和带叶冠的轻质风扇,采用了包括空心宽弦钛合金风扇叶片、高压压气机焊接转子的整体叶盘、合金低污染燃烧室等关键技术。另外,PD-14发动机具有高效冷却系统的单晶涡轮叶片,采用新一代发动机热端陶瓷热障涂擦、低压涡轮空心叶片以及复合材料发动机短舱等先进技术。
  PD-14发动机于2011年2月开始核心机验证机试验工作,自2012年6月起开始整机验证机试验工作。2016年4月,以伊尔-76飞机作为试验平台开始进行飞行测试。根据计划,PD-14发动机将于2017年达到交付状态。
  宽体飞机发动机角逐
  遄达XWB是罗罗公司专门为空客A350XWB量身打造的新型动力装置,融合了遄达系列发动机的丰富经验和最新技术。A350XWB作为空客公司首款在机身和机翼均采用碳纤维复合材料的宽体客机,也是空客未来的主力机型,承担着与波音787和777X系列飞机争夺宽体机市场的重任。遄达XWB发动机遵循了罗罗公司发动机的传统设计特点,采用了三转子结构。
  作为遄达1000系列之后,罗罗在宽体客机动力领域推出的一款先进产品,遄达XWB代表了该公司在发动机设计和制造领域的最高成就。其采用的新技术包括:超高效后掠型风扇降低了运转噪声,最大程度地保护了发动机核心机;利用整体叶盘技术,将模块重量降低15%;两级中压涡轮提升了效率和推力,降低了油耗;内部空气系统的智能化管理降低了核心机对冷却空气的要求,节能效果显著。
  相关数据显示,截至2016年4月,A350XWB已经销售798架,这意味着遄达XWB的订单已超过1600台,成为罗罗公司历史上最畅销的发动机。目前,遄达XWB发动机每周生产2台,预计到2017年年底可实现每周生产5台,并力争在2020年达到每周生产7台。
  根据空客的要求,罗罗公司正在研发在遄达1000的基础上改进而来的用于A330neo的遄达7000发动机。2015年11月,该款发动机完成了首次试车,首批发动机计划在2017年第三季度末交付,首架A330-900neo飞机则将于2017年年底交付客户,首架A330-800neo将于2018年第二季度投入使用。同时,罗罗公司期望用于787-10的遄达1000发动机能及时获得适航认证,从而为2018年787-10投入商业运营铺平道路。


  另一家发动机巨头GE公司则在潜心研发GE9X发动机。GE9X发动机采用11级高压压气机设计。其中,高压压气机前5级为整体叶盘,全部压气机叶片均采用三维气动设计技术,总压比高达61;风扇叶片采用第四代碳纤维复合材料(CFRP)的树脂转换铸模(RTM)工艺成型,在有效减重的同时满足叶片具备抵抗外物穿入的最低强度要求。通过高压比核心机设计及采用先进的三维风扇设计和制造技术,相比GE90-115B发动机,GE9X的单位推力燃油消耗降低10%。
  根据GE公司的研发计划,GE9X发动机将于2016年进行地面台架试验,2017年进行空中试飞,2018年取证交付。
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