下一代航空发动机蓄势待发(开眼界)

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GE扩大民机动力优势

不断改进的GE90核心机

GE公司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展的核心机中,基于E3E计划支持、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发动机的不断升级改进,逐步实现性能优化与提升,并发展出了GE90-115B、GP7200和GEnx等发动机。

下一代航空发动机蓄势待发(开眼界)

GE9X发动机的总增压比超过60,是目前增压比最大的发动机。

为了应对普惠公司齿轮传动涡扇(GTF)发动机通用核心机计划,在2008年范堡罗航展上,GE公司宣布启动eCore核心机项目,剑指窄体机、支线机和公务机发动机,并将与斯奈克玛公司合资成立的CFM国际公司的合作延长到2040年,共同开发推力在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核心机项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术,使得核心机应用领域由宽体机向窄体机发展。基于该项目发展的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升,加之涵道比增加,燃油效率高于目前最好的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和中国商飞C919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公司发展了Passport发动机,计划用于庞巴迪“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展需求,GE公司发展了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公司截至目前发展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发展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术。据称,GE9X发动机燃油效率将比GE90-115B发动机提升10%。

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GE公司的ADVENT项目验证机试验了其自适应循环技术。

2015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;首台GE9X航空发动机整机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

相对于民机动力的如火如荼,在军机动力方面,GE公司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公司可谓处心积虑、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术积累,GE成为唯一一个同时获得“自适应通用发动机技术”(ADVENT)和后续的“自适应发动机技术开发”(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展的,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术,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进史上最高的压气机和涡轮联合工作温度记录。

下一代航空发动机蓄势待发(开眼界)

普惠公司希望凭借PW1000G系列发动机重夺窄体机动力市场。

2013年11月—2014年7月,GE公司开展了首台全尺寸三涵道发动机的验证试车;2014年年底,自适应发动机整机技术验证机成功通过了由美国空军、海军、航空航天局(NASA)和洛克希德·马丁公司联合组织的初始设计评审(PDR),在2016年试车,GE公司的AETD项目已经完成了主要设计,通过之后的“自适应发动机转移项目”(AETP)继续验证其自适应循环设计,转入工程与制造发展(EMD)阶段,最终在2025年左右获得下一代军用飞机发动机项目的生产合同。

几点启示

认准方向,科学定位,积极谋划未来核心机发展

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

普惠公司另辟蹊径,瞄准GTF发动机,全新发展了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,逐步谋求进入MOM动力市场,向宽体机市场发展;GE公司凭借雄厚技术实力,发挥自身优势,利用eCore核心机和GE90发动机技术成果,分别发展了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;罗罗公司稳中求变,持续推进三转子发动机核心机改进和升级,并实施Advance和UltraFan项目,向更大涵道比的超扇发动机发展。

重视核心机,发展通用核心机,军民发动机协调发展

核心机是产品发展的根本。GE公司的eCore核心机技术验证项目、普惠公司全新发展的GTF发动机通用核心机和罗罗公司实施的Advance项目,均是以发展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展趋势来看,涡轮前温度正在逐年提升,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公司通过在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术,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,通过民用核心机的发展,各大发动机制造商根据美国空军对下一代自适应循环发动机的性能要求,发展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展。

核心机加减级、缩放与升级,走科学的产品发展道路

罗罗公司和GE公司的核心机发展堪称业界的典范。罗罗公司的三转子结构发动机具备快速衍生发展能力,基于RB211发动机核心机,罗罗发展了遄达700与遄达800发动机;在遄达800的核心机的基础上缩小尺寸,罗罗发展了遄达500发动机;继续将遄达500发动机核心机放大,罗罗发展了遄达900发动机;将遄达900核心机缩小,罗罗发展了遄达1000发动机;通过遄达1000发动机核心机,罗罗发展了遄达XWB和遄达7000发动机。同样,GE公司基于E3E计划发展了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级发展了GE90-110B与GE90-115B,继续将GE90-115B发动机缩尺,与普惠公司联合发展了GP7200发动机。另一方面,基于该核心机压气机缩尺发展了GEnx核心机;继续在GEnx发动机基础上,引入eCore核心机技术,缩尺发展了LEAP系列发动机和Passport发动机。此外,普惠公司在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,通过引入先进技术成果,逐步改进升级,促进其产品的发展。为了适应市场的发展需求,还通过缩放、加减级等形式改进发展核心机,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经验累积,保证了使用性能的稳定和高可靠性。同时,基于成熟的核心机发展具有费用低、时间短和风险低的突出优势,成为航空发动机发展的一条科学道路。


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