下一代航空發動機蓄勢待發(開眼界)

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GE擴大民機動力優勢

不斷改進的GE90核心機

GE公司在高增壓比核心機的研發方面處於世界領先水平,在多年支撐其寬體客機動力產品發展的核心機中,基於E3E計劃支持、由10級高壓壓氣機和2級高壓渦輪構成的GE90系列發動機核心機逐漸成為主力;該核心機伴隨著GE90發動機的不斷升級改進,逐步實現性能優化與提升,並發展出了GE90-115B、GP7200和GEnx等發動機。

下一代航空發動機蓄勢待發(開眼界)

GE9X發動機的總增壓比超過60,是目前增壓比最大的發動機。

為了應對普惠公司齒輪傳動渦扇(GTF)發動機通用核心機計劃,在2008年範堡羅航展上,GE公司宣佈啟動eCore核心機項目,劍指窄體機、支線機和公務機發動機,並將與斯奈克瑪公司合資成立的CFM國際公司的合作延長到2040年,共同開發推力在80~222kN的下一代窄體機發動機LEAP-X,以替代現有CFM56系列發動機。

eCore核心機項目的目標是將大尺寸的GEnx核心機縮比設計,並引入最新的氣動、結構、冷卻、複合材料和低排放設計技術,使得核心機應用領域由寬體機向窄體機發展。基於該項目發展的LEAP系列發動機,10級高壓壓氣機增壓比達到22。由於核心機性能獲得較大提升,加之涵道比增加,燃油效率高於目前最好的CFM56發動機(9級高壓壓氣機,增壓比僅為12)15%以上。

LEAP-1A/1B/1C分別為空客A320neo、波音737MAX和中國商飛C919飛機提供動力,鞏固了GE在下一代窄體機發動機市場的地位。同樣基於eCore核心機,GE公司發展了Passport發動機,計劃用於龐巴迪“環球”7000和“環球”8000公務機,使得該核心機的應用向公務機延展。

最新的GE9X核心機

為了應對新一代寬體機的發展需求,GE公司發展了GE9X發動機核心機,這一核心機採用11級高壓壓氣機,第三代雙環預旋(TAPS)燃燒室和2級高壓渦輪,核心機增壓比達到27,是GE公司截至目前發展的增壓比最高的核心機;核心機增壓比的提高,使得GE9X發動機總增壓比達到60以上,壓氣機後端和高壓渦輪進口工作溫度已經超出現有常規材料的承受範圍,因此GE發展了第四代粉末合金材料、陶瓷基複合材料(CMC)火焰筒與渦輪以及先進冷卻技術。據稱,GE9X發動機燃油效率將比GE90-115B發動機提升10%。

下一代航空發動機蓄勢待發(開眼界)

GE公司的ADVENT項目驗證機試驗了其自適應循環技術。

2015年12月,首臺GE9X發動機核心機完成試驗,核心機壓氣機增壓比超過設計目標,並可實現超出最大“紅線”溫度工作;首臺GE9X航空發動機整機2018年取得適航證,2020年左右裝配到波音777X客機上交付客戶。

自適應發動機核心機

相對於民機動力的如火如荼,在軍機動力方面,GE公司在美國五代機動力競爭中連連失利。因此,在新一代發動機研製方面,GE公司可謂處心積慮、謀求突破,正是這種積極的態度,加上其多年來在變循環發動機方面雄厚的技術積累,GE成為唯一一個同時獲得“自適應通用發動機技術”(ADVENT)和後續的“自適應發動機技術開發”(AETD)合同的製造商。其自適應循環發動機據稱是在eCore核心機的基礎上改進發展的,採用了高溫陶瓷基複合材料燃燒室和高壓渦輪、增材製造部件以及新的冷卻技術,首臺核心機已完成測試,實現變流量工作,並且高壓渦輪工作溫度超過美國空軍設定的溫度目標,達到了噴氣發動機推進史上最高的壓氣機和渦輪聯合工作溫度記錄。

下一代航空發動機蓄勢待發(開眼界)

普惠公司希望憑藉PW1000G系列發動機重奪窄體機動力市場。

2013年11月—2014年7月,GE公司開展了首臺全尺寸三涵道發動機的驗證試車;2014年年底,自適應發動機整機技術驗證機成功通過了由美國空軍、海軍、航空航天局(NASA)和洛克希德·馬丁公司聯合組織的初始設計評審(PDR),在2016年試車,GE公司的AETD項目已經完成了主要設計,通過之後的“自適應發動機轉移項目”(AETP)繼續驗證其自適應循環設計,轉入工程與製造發展(EMD)階段,最終在2025年左右獲得下一代軍用飛機發動機項目的生產合同。

幾點啟示

認準方向,科學定位,積極謀劃未來核心機發展

為了滿足越來越苛刻的經濟性要求,更高的增壓比和更大的涵道比是未來民機動力的發展趨勢。世界航空發動機巨頭通過對市場的發展預測,找準定位,走出了適合自身的發展道路,在激烈的競爭中贏得屬於自己的位置。

普惠公司另闢蹊徑,瞄準GTF發動機,全新發展了8級高壓壓氣機、增壓比為16的核心機,在窄體機動力市場站穩腳跟後,逐步謀求進入MOM動力市場,向寬體機市場發展;GE公司憑藉雄厚技術實力,發揮自身優勢,利用eCore核心機和GE90發動機技術成果,分別發展了10級高壓壓氣機、增壓比為22和11級高壓壓氣機、增壓比為27的核心機,鞏固了在窄體機和寬體機動力市場的地位;羅羅公司穩中求變,持續推進三轉子發動機核心機改進和升級,並實施Advance和UltraFan項目,向更大涵道比的超扇發動機發展。

重視核心機,發展通用核心機,軍民發動機協調發展

核心機是產品發展的根本。GE公司的eCore核心機技術驗證項目、普惠公司全新發展的GTF發動機通用核心機和羅羅公司實施的Advance項目,均是以發展先進核心機為著力點,進而帶動整個產品體系能力升級。

此外,核心機是發動機部件中工作環境最惡劣的部件,從軍民用核心機的發展趨勢來看,渦輪前溫度正在逐年提升,軍民用核心機在先進輕質的高溫材料的工程應用上是相通的,GE公司通過在LEAP和GE9X發動機上率先使用了陶瓷基複合材料和增材製造技術,並繼續在軍用的AETD發動機上集成驗證了世界上首批陶瓷基複合材料旋轉零件。同時,通過民用核心機的發展,各大發動機制造商根據美國空軍對下一代自適應循環發動機的性能要求,發展了各自的自適應循環發動機核心機,實現了軍民核心機的良性互動發展。

核心機加減級、縮放與升級,走科學的產品發展道路

羅羅公司和GE公司的核心機發展堪稱業界的典範。羅羅公司的三轉子結構發動機具備快速衍生發展能力,基於RB211發動機核心機,羅羅發展了遄達700與遄達800發動機;在遄達800的核心機的基礎上縮小尺寸,羅羅發展了遄達500發動機;繼續將遄達500發動機核心機放大,羅羅發展了遄達900發動機;將遄達900核心機縮小,羅羅發展了遄達1000發動機;通過遄達1000發動機核心機,羅羅發展了遄達XWB和遄達7000發動機。同樣,GE公司基於E3E計劃發展了GE90發動機核心機。GE基於該核心機(GE90-94B)將高壓壓氣機級數減少1級發展了GE90-110B與GE90-115B,繼續將GE90-115B發動機縮尺,與普惠公司聯合發展了GP7200發動機。另一方面,基於該核心機壓氣機縮尺發展了GEnx核心機;繼續在GEnx發動機基礎上,引入eCore核心機技術,縮尺發展了LEAP系列發動機和Passport發動機。此外,普惠公司在PW1000G發動機的設計基礎上,也採用了等比例縮放理念,衍生出不同推力的發動機來滿足不同的市場需求。

可以看出,世界級的航空發動機製造商均是以不多的幾型核心機,甚至是一型核心機為主,通過引入先進技術成果,逐步改進升級,促進其產品的發展。為了適應市場的發展需求,還通過縮放、加減級等形式改進發展核心機,但其支撐佈局等關鍵結構形式不變,正是這種幾十年的持續改進和經驗累積,保證了使用性能的穩定和高可靠性。同時,基於成熟的核心機發展具有費用低、時間短和風險低的突出優勢,成為航空發動機發展的一條科學道路。


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