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蓄势待发的下一代航空发动机

时间:2018年05月19日 14:52   来源:微信@国际航空
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  GE扩大民机动力优势 

  GE90核心机持续改进 

  GE企业在高增压比核心机的研发方面处于世界领先水平,在多年支撑其宽体客机动力产品发扬的核心机中,基于E3E筹划支撑、由10级高压压气机和2级高压涡轮构成的GE90系列发动机核心机逐渐成为主力;该核心机伴随着GE90发动机的持续升级改进,逐步实现性能优化与提高,并发扬出了GE90-115B、GP7200和GEnx等发动机。

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  GE9X发动机的总增压比超过60,是此刻增压比最大的发动机。 

  为了应对普惠企业齿轮传动涡扇(GTF)发动机通用核心机筹划,在2008年范堡罗航展上,GE企业宣布发动eCore核心机名目,剑指窄体机、支线机和公务机发动机,并将与斯奈克玛企业合资成立的CFM国际企业的协作延长到2040年,协同开发推力在80~222kN的下一代窄体机发动机LEAP-X,以替代现有CFM56系列发动机。

  eCore核心机名目的目标是将大尺寸的GEnx核心机缩比设计,并引入最新的气动、结构、冷却、复合材料和低排放设计技艺,使得核心机应用领域由宽体机向窄体机发扬。基于该名目发扬的LEAP系列发动机,10级高压压气机增压比达到22。由于核心机性能获得较大提高,加之涵道比增补,燃油效率高于此刻最好的CFM56发动机(9级高压压气机,增压比仅为12)15%以上。LEAP-1A/1B/1C分别为空客A320neo、波音737MAX和澳门新葡亰xpj9601C919飞机提供动力,巩固了GE在下一代窄体机发动机市场的地位。同样基于eCore核心机,GE企业发扬了Passport发动机,筹划用于庞巴迪“环球”7000和“环球”8000公务机,使得该核心机的应用向公务机延展。

  最新的GE9X核心机 

  为了应对新一代宽体机的发扬需求,GE企业发扬了GE9X发动机核心机,这一核心机采用11级高压压气机,第三代双环预旋(TAPS)燃烧室和2级高压涡轮,核心机增压比达到27,是GE企业截至此刻发扬的增压比最高的核心机;核心机增压比的提高,使得GE9X发动机总增压比达到60以上,压气机后端和高压涡轮进口工作温度已经超出现有常规材料的承受范围,因此GE发扬了第四代粉末合金材料、陶瓷基复合材料(CMC)火焰筒与涡轮以及先进冷却技艺。据称,GE9X发动机燃油效率将比GE90-115B发动机提高10%。

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  GE企业的ADVENT名目验证机试验了其自适应循环技艺。 

  2018年12月,首台GE9X发动机核心机完成试验,核心机压气机增压比超过设计目标,并可实现超出最大“红线”温度工作;此刻首台GE9X航空发动机整机正在实行最后总装工作,预计在今年上半年开始测试,2018年取得适航证,2020年左右装配到波音777X客机上交付客户。

  自适应发动机核心机 

  相对于民机动力的热火朝天,在军机动力方面,GE企业在美国五代机动力竞争中连连失利。因此,在新一代发动机研制方面,GE企业可谓处心积虑、谋求突破,正是这种积极的态度,加上其多年来在变循环发动机方面雄厚的技艺积累,GE成为唯一一个同时获得“自适应通用发动机技艺”(ADVENT)和延续的“自适应发动机技艺开发”(AETD)合同的制造商。其自适应循环发动机据称是在eCore核心机的基础上改进发扬的,采用了高温陶瓷基复合材料燃烧室和高压涡轮、增材制造部件以及新的冷却技艺,首台核心机已完成测试,实现变流量工作,并且高压涡轮工作温度超过美国空军设定的温度目标,达到了喷气发动机推动史上最高的压气机和涡轮联合工作温度记录。

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  普惠企业希翼凭借PW1000G系列发动机重夺窄体机动力市场。 

  2018年11月—2018年7月,GE企业展开了首台全尺寸三涵道发动机的验证试车;2018年年底,自适应发动机整机技艺验证机成功经过了由美国空军、海军、航空航天局(NASA)和洛克希德·马丁企业联合组合的初始设计评审(PDR),筹划在2018年试车,这意味着GE企业的AETD名目已经完成了首要设计里程碑,并将经过之后的“自适应发动机转移名目”(AETP)继续验证其自适应循环设计,力求实现转入工程与制造发扬(EMD)阶段,最终在2025年左右获得下一代军用飞机发动机名目的生产合同。

  普惠谋求重塑民机动力市场格局 

  GTF“改变游戏规则” 

  在宽体机动力方面,普惠企业原筹划与罗罗企业协同研制用于替代PW4000发动机的新一代中型尺寸发动机,但是筹划未能实现;在窄体机动力方面,虽然接收了罗罗企业V2500 发动机的股份,但是V2500发动机性能难以满足飞机升级需求,需积极谋求性能先进、符合未来发扬需求的新一代涡扇发动机。鉴于上述原因,普惠企业基于对未来民机动力市场的发扬预测,几乎将所有的筹码都放在了“改变职业游戏规则”的GTF发动机上,经过20年的技艺积累和累计10亿美金的投入,研制出了齿轮传动风扇发动机PW1000G。

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  Advance和UltraFan名目代表了罗罗企业未来民用发动机的发扬方向。 

  PW1000G的核心机为全新研制,采用了8级高压压气机、“泰龙”燃烧室和2级高压涡轮,核心机压气机增压比约为16,该核心机是普惠企业未来相当长的一段时间内实现发动机产品系列发扬的基础。PW1000G系列发动机被用作空客A320neo、三菱MRJ、俄罗斯MS-21、庞巴迪C系列和巴航产业E-Jet E2等飞机动力。普惠企业已经在和波音探讨PW1000G在“中间级市场”(MOM)客机上的潜在应用,希翼经过“中间级市场”名目来扩展GTF发动机的市场,使GTF发动机逐步加入高推力市场。同时,普惠企业基于该核心机实行缩尺设计,发扬了用于高端公务机“奖状-哥伦布”的PW800发动机;该发动机还获得美国海军1.27亿美金的验证经费用于无人机。

  自适应循环发动机核心机 

  普惠企业经过F119和F135发动机的研制,在军用战斗机动力研制方面一直保持领先,也正是由于在五代机动力研发和保障集合了较多精力,而针对下一代发动机技艺预先科研方面获取的政府支撑有限,再加上自身的投入不足,导致普惠企业在ADVENT筹划的两个阶段竞标中,均未能获得美国空军科研实验室(AFRL)的合同。尽管如此,普惠企业并没有停止对该筹划的争夺,终于在AETD筹划中获得突破,得到美国下一代发动机研制的竞标权。

  普惠企业提议的自适应循环发动机方案是以PW1000G核心机为基础,配装F135发动机的低压系统改进发扬的PW9000发动机;值得一提的是,最近普惠企业被美国空军指定为B-21轰炸机名目动力系统供应商,该发动机有或许选作美国下一代轰炸机B-21的动力。

  普惠企业在2018年年初同样完成了AETD发动机的PDR,预计今年上半年展开先进高压核心机的演示试验,随后在年内完成带有三涵道自适应风扇及相匹配的加力和排气系统的整机试验。

  罗罗巩固优势,寻求突破 

  三转子发动机核心机 

  20世纪70年代,罗罗企业发扬了用于RB211发动机的核心机,经过对该核心机的持续改进与升级,研制了遄达系列发动机,支撑了企业近半个世纪的发扬。近年来,罗罗企业继续以代表最新技艺成果的遄达1000发动机核心机为基础,经过放大设计并应用了罗罗企业在“高效和环境友好航空发动机”(EFAE)筹划中验证的新技艺,发扬了遄达XWB发动机,该发动机也是罗罗企业迄今生产过的推力最大的发动机。

  采用遄达XWB发动机核心机,充分借鉴遄达1000、遄达XWB和遄达700发动机的技艺和阅历,罗罗企业为A330neo客机研发的最新一款发动机——遄达7000。与遄达700相比,遄达7000发动机的涵道比从5提高到10,总增压比从36提高到50,耗油率降低10%。此刻罗罗企业已着手总装首台遄达7000发动机,筹划今年第4季度开始整机试验,可望于2018年第1季度取得适航证,与A330-900neo的首飞根本同步。首批生产型发动机预计在2018年第3季度后期交付,当年年底随首架A330-900neo飞机交付客户。

  布局下一代民用核心机 

  针对未来民机的发扬需求,并应对来自普惠企业GTF发动机和GE企业超高增压比发动机的竞争压力,罗罗企业结合自身对民机动力发扬的预测,提议了Advance和UltraFan两个名目。Advance名目是基于遄达XWB发动机核心机,提高高压压气机的负荷、级数由6级增补到10级,高压涡轮也由1级增补到2级,减少中压压气机级数、降低中压压气机负荷,发动机涵道比达到11,总增压比达到60,与现役的遄达700发动机相比,至少可提高20%的燃油效率。

  Advance名目核心机采用10级高压压气机和2级高压涡轮结构形式,提高了对高压转子的依赖程度,降低中压系统的载荷,显示出罗罗企业从最初的RB211以来在核心机结构上的首次重大转变,这种新的核心机将回归到传统民机动力主流的高增压比核心机,为将来在宽体机发动机上引入齿轮传动结构打下基础。罗罗企业最初与普惠企业协同研发的V2500发动机核心机就采用这一结构形式,其中罗罗企业承担高压压气机的研发。随后,在其德国分企业研发的BR700系列发动机中,罗罗企业对这一构型的核心机实行了更多的应用实践。因此,这一选择也是罗罗企业基于自身对这一构型核心机丰富的阅历而做出的。

  延续的UltraFan名目是基于Advance名目发扬的核心机,采用超大的变桨距风扇,完全取消了低压涡轮,结构上将由三转子发动机变化为“两轴半”的发动机。该发动机与普惠企业正在研制的面向中小推力市场的PW1000G发动机的根本方案相似,首要满足445kN推力级的市场需求。

  积极力求实现自适应循环名目 

  从此刻来看,在民机动力市场,罗罗企业精力首要集合在宽体机和超大型飞机发动机研发上。而在军机方面,罗罗企业经过其北美分企业积极力求实现美国空军的支撑,发扬下一代自适应循环发动机。由于罗罗企业表现出色,该企业获得ADVENT筹划两个阶段的合同,并获得授权制造1台发动机验证机。罗罗企业发扬的变循环发动机核心机采用了基于RB282发动机发扬的高压压气机,并应用了HEETE筹划验证的先进极高增压比压气机和热办理系统技艺。

  但是美国出于保护国内航空产业基础的考虑,2018年在ADVENT延续筹划AETD名目竞标中,美国空军用普惠企业取代了罗罗企业。虽然失去了美国下一代发动机研制的竞标权,但罗罗企业凭借其在自适应循环发动机方面的技艺积累,可以经过选择与GE或普惠企业协作参与自适应循环发动机研制名目。

  除了美国空军的ADVENT名目,罗罗企业还与美国海军协作展开另一种变循环发动机的研制工作,该名目名为“变循环先进技艺”(VCAT)名目。美国海军对其舰载战术飞机和情报、监视与侦察(ISR)飞机采用高燃油效率的发动机很感兴趣,希翼罗罗企业充分利用ADVENT发动机的科研成果,开发出适合海军独特需求的变循环发动机技艺。

  几点启示 

  认准方向,科学定位,积极谋划未来核心机发扬 

  为了满足越来越苛刻的经济性请求,更高的增压比和更大的涵道比是未来民机动力的发扬趋势。世界航空发动机巨头经过对市场的发扬预测,找准定位,走出了适合自身的发扬道路,在激烈的竞争中赢得属于自己的位置。

  普惠企业另辟蹊径,瞄准GTF发动机,全新发扬了8级高压压气机、增压比为16的核心机,在窄体机动力市场站稳脚跟后,逐步谋求加入MOM动力市场,向宽体机市场发扬;GE企业凭借雄厚技艺实力,发挥自身优势,利用eCore核心机和GE90发动机技艺成果,分别发扬了10级高压压气机、增压比为22和11级高压压气机、增压比为27的核心机,巩固了在窄体机和宽体机动力市场的地位;罗罗企业稳中求变,持续推动三转子发动机核心机改进和升级,并实施Advance和UltraFan名目,向更大涵道比的超扇发动机发扬。

  重视核心机,发扬通用核心机,军民发动机协调发扬 

  核心机是产品发扬的根本。GE企业的eCore核心机技艺验证名目、普惠企业全新发扬的GTF发动机通用核心机和罗罗企业实施的Advance名目,均是以发扬先进核心机为着力点,进而带动整个产品体系能力升级。

  此外,核心机是发动机部件中工作环境最恶劣的部件,从军民用核心机的发扬趋势来看,涡轮前温度正在逐年提高,军民用核心机在先进轻质的高温材料的工程应用上是相通的,GE企业经过在LEAP和GE9X发动机上率先使用了陶瓷基复合材料和增材制造技艺,并继续在军用的AETD发动机上集成验证了世界上首批陶瓷基复合材料旋转零件。同时,经过民用核心机的发扬,各大发动机制造商按照美国空军对下一代自适应循环发动机的性能请求,发扬了各自的自适应循环发动机核心机,实现了军民核心机的良性互动发扬。

  核心机加减级、缩放与升级,走科学的产品发扬道路 

  罗罗企业和GE企业的核心机发扬堪称业界的典范。罗罗企业的三转子结构发动机具备快速衍生发扬能力,基于RB211发动机核心机,罗罗发扬了遄达700与遄达800发动机;在遄达800的核心机的基础上缩小尺寸,罗罗发扬了遄达500发动机;继续将遄达500发动机核心机放大,罗罗发扬了遄达900发动机;将遄达900核心机缩小,罗罗发扬了遄达1000发动机;经过遄达1000发动机核心机,罗罗发扬了遄达XWB和遄达7000发动机。同样,GE企业基于E3E筹划发扬了GE90发动机核心机。GE基于该核心机(GE90-94B)将高压压气机级数减少1级发扬了GE90-110B与GE90-115B,继续将GE90-115B发动机缩尺,与普惠企业联合发扬了GP7200发动机。另一方面,基于该核心机压气机缩尺发扬了GEnx核心机;继续在GEnx发动机基础上,引入eCore核心机技艺,缩尺发扬了LEAP系列发动机和Passport发动机。此外,普惠企业在PW1000G发动机的设计基础上,也采用了等比例缩放理念,衍生出不同推力的发动机来满足不同的市场需求。

  可以看出,世界级的航空发动机制造商均是以不多的几型核心机,甚至是一型核心机为主,经过引入先进技艺成果,逐步改进升级,增进其产品的发扬。为了适应市场的发扬需求,还经过缩放、加减级等形式改进发扬核心机,但其支撑布局等关键结构形式不变,正是这种几十年的持续改进和阅历累积,包管了使用性能的稳固和高可靠性。同时,基于成熟的核心机发扬具有费用低、时间短和风险低的突出优势,成为航空发动机发扬的一条科学道路。(弓升 李瑞军) 

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