航空發(fā)動機技術(shù)的未來發(fā)展之路

1、航空發(fā)動機技術(shù)的未來發(fā)展之路為了鞏固航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的全球核心地位，美國、歐盟 等航空發(fā)達國家在航空發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)品研制過程 中，持續(xù)出臺具有指導意義的戰(zhàn)略政策，并不惜巨資實施系 列專項技術(shù)研究計劃，如美國的綜合高性能渦輪發(fā)動機 （IHPTET ）計劃、極高效發(fā)動機技術(shù)（ UEET ）計劃，環(huán)境 負責航空（ ERA ）計劃以及歐盟的系列框架計劃。長期持續(xù) 高強度的技術(shù)研發(fā)投入使得美英法等國家在航空發(fā)動機的 全產(chǎn)業(yè)鏈形成了突出的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，所發(fā)展的多種渦扇發(fā) 動機牢牢占據(jù)了各級別發(fā)動機市場，同時不斷開展包括齒輪 傳動、開式轉(zhuǎn)子、混合電推進技術(shù)等新型動力技術(shù)的探索， 呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢。

2、羅羅先進發(fā)動機路線圖渦扇發(fā)動 機仍將主導民用航空動力市場在航空發(fā)動機技術(shù)不斷取得 進步的過程中，渦扇發(fā)動機已經(jīng)牢牢占據(jù)了民用干線客機市 場，并形成了滿足各級別干線客機、支線客機和噴氣公務機 需求的產(chǎn)品線。與此同時，發(fā)動機制造商始終專注于通過提 高熱效率和涵道比來改善傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大涵道比渦扇發(fā)動機 的循環(huán)效率，并持續(xù)開展循環(huán)參數(shù)優(yōu)化、氣動設(shè)計改進以及 部件耐久性設(shè)計的研究，以提高渦扇發(fā)動機的性能、可靠性 和耐久性，并降低發(fā)動機的耗油率。羅羅公司長期持續(xù)推進 大涵道比渦扇發(fā)動機技術(shù)研究的項目可以歸納為：Advance2x 項目，包括用于公務機、 支線客機和部分窄體客 機的渦扇發(fā)動機； Advance

3、3 項目，包括用于寬體客機和大 型窄體客機的大涵道比渦扇發(fā)動機。其大致發(fā)展途徑是以 Advance2 和 Advance3 項目所發(fā)展的雙轉(zhuǎn)子或三轉(zhuǎn)子發(fā)動 機技術(shù)在 2020 年前達到成熟為目標，實現(xiàn)發(fā)動機耗油率比 遄達 700 發(fā)動機至少降低 20% 。2014 年 2 月，羅羅公司首 次揭秘了公司發(fā)展 2020 年及更遠期的下一代發(fā)動機的路線 圖，即以三轉(zhuǎn)子發(fā)動機結(jié)構(gòu)的衍生發(fā)展為基礎(chǔ)，依賴于公司 未來發(fā)動機設(shè)計的大量可縮放的技術(shù)，首次引入復合材料低 壓系統(tǒng)和齒輪傳動結(jié)構(gòu)，并保持向開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機衍生發(fā)展 的潛在可能性。歸納起來，羅羅公司在寬體客機發(fā)動機方面 未來主要專注于分別于 2020 年

4、和 2025 年服役的 Advance 和 UltraFan 兩型發(fā)動機的設(shè)計， 以延續(xù)其遄達系列發(fā)動機所 建立的優(yōu)勢地位，并保持比遄達 XWB 發(fā)動機耗油率改善 10% 。其中， Advance 發(fā)動機旨在 2020 年左右服役，涵道 比將超過 11 ，總壓比將超過 60 ，耗油率至少比當前的遄達 700發(fā)動機改善20%。GE公司大涵道比渦扇發(fā)動機的發(fā)展 思路是長期專注于核心機發(fā)展途徑，一方面通過實施先進渦 輪發(fā)動機燃氣發(fā)生器等研究計劃來發(fā)展核心機技術(shù)，另一方 面積極開展復合材料風扇等低壓系統(tǒng)來匹配核心機，及時研 制出先進大涵道比渦扇發(fā)動機，并獲得了巨大的研究成果和 市場回報。 GE 公司正

5、在開展 eCore 核心機驗證機的研究，采用先進材料的 10 級高壓比高壓壓氣機技術(shù)、最新雙環(huán)腔 預混旋流（ TAPS ）燃燒室、采用先進材料和冷卻設(shè)計的高 壓渦輪以及新型短艙等。 將發(fā)展成熟的 eCore 核心機技術(shù)和 先進低壓系統(tǒng)技術(shù)不斷應用于未來大涵道比渦扇發(fā)動機的 設(shè)計中去，及時研制出滿足市場需求、具有競爭力的發(fā)動機 產(chǎn)品，如波音 777X 飛機的 GE9X 發(fā)動機、為窄體客機提供 動力的 Leap-1 系列發(fā)動機以及公務機的 Passport 發(fā)動機等 先進的新型大涵道比渦扇發(fā)動機。齒輪傳動渦扇發(fā)動機將不 斷擴大應用平臺齒輪傳動渦扇發(fā)動機（GTF ）是采用由低壓渦輪通過減速器來傳動風

6、扇的設(shè)計方案，先進的齒輪系統(tǒng)使 風扇在不同低壓壓氣機和低壓渦輪的速度下運轉(zhuǎn)，并與先進 的核心機進行組合，以保證最低的運營成本，并實現(xiàn)燃油效 率和環(huán)保特性的提升。 普惠公司、 GE 公司、 德國 MTU 公司 以及俄羅斯均進行過相關(guān)研究， 但是作為 GTF 的忠實擁躉， 普惠公司始終堅持著這一方向，并在三維氣動設(shè)計、輕質(zhì)材 料和壓氣機、燃燒室和渦輪等多項重要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的研 究方面取得了突飛猛進的發(fā)展。目前，普惠公司 GTF 技術(shù) 已近成熟，全新研制的 PW1000G 系列發(fā)動機已經(jīng)交付使用， 實現(xiàn)耗油率相比在役發(fā)動機降低11%12% ,噪聲比第三階段要求低 30dB 。 PW1 000G 系

7、列在成功實現(xiàn)配裝覆蓋 70190 座級的多個應用平臺 （包括 A320neo 、MRJ 、MS-21 、 C 系列、 EJet- E2 系列）后，也不斷透露其未來的 GTF 技術(shù)發(fā)展方向。 2013 年 7 月，普惠公司表示公司有一條到 2020 年中葉相比當前發(fā)動機的耗油率節(jié)省 20%30% 的技術(shù)路線 圖。路線圖瞄準新應用平臺每一年耗油率降低1% ，改進已經(jīng)服役的發(fā)動機實現(xiàn) 50%的降耗，并在 10 年內(nèi)將耗油率從 當前的 15% 改善量降低到下一代 GTF 的 25% 改善量。未來 在 N+3 代發(fā)動機上， 普惠公司正在研究傳動比最低為 4:1 的 全動行星齒輪結(jié)構(gòu)來盡量提高 GTF 的

8、涵道比，并采用先進 的氣動特性和輕質(zhì)量的風扇轉(zhuǎn)子、通過更高齒輪比來增加涵 道比、主動燃燒室控制以及渦輪中的新材料和冷卻方案。普 惠公司持續(xù)開展齒輪箱的研發(fā)能夠提供發(fā)動機耗油率的階 躍性改善，并在未來挑戰(zhàn) GE 公司和羅羅公司等發(fā)動機制造 商。另外，羅羅公司在 2014 年首次揭秘的下一代渦扇發(fā)動 機路線圖中提出的旨在 2025 年服役的 UltraFan 方案中也包 含了 GTF 技術(shù)。 UltraFan 發(fā)動機將成為羅羅公司首型采用 由動力齒輪箱驅(qū)動風扇的大型商用渦扇發(fā)動機，將于 2025 年服役，推力范圍將超過 100000 磅（ 445kN ），涵道比增加 到 15 ，總壓比達到 70

9、，基于 2025 年服役的技術(shù)， 其目標是 實現(xiàn)耗油率比遄達 700 發(fā)動機至少改善 25% 。空客的 E-Thrust 概念開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機將成為“游戲規(guī)則的改變者”隨 著航空燃油價格上漲和“綠色航空”的倡導，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機 技術(shù)自上世紀 90 年代以來再次成為國外關(guān)注的熱點之一， 并獲得 GE 公司、羅羅公司和斯奈克瑪公司的青睞。 2008 年, GE公司與NASA組合聯(lián)合團隊，重啟擱置已久的 GE36 無涵道風扇（ UDF ，又稱開式轉(zhuǎn)子）的研究工作。目前， GE 公司在 NASA 的亞聲速固定翼飛機 （SFW ）計劃和環(huán)境負責 航空（ ERA ）計劃下在低速風洞和高速風洞中開展對轉(zhuǎn)開式

10、轉(zhuǎn)子的系列試驗，以驗證開式轉(zhuǎn)子的氣動性能和聲學性能， 同時，美國 FAA 在持續(xù)降低能耗和排放（ CLEEN ）計劃下 開展了開式轉(zhuǎn)子適航技術(shù)的研究，為開式轉(zhuǎn)子的設(shè)計提供資 源保障。系列研究計劃開展的開式轉(zhuǎn)子的研究能夠提供滿足 當前和未來噪聲、排放要求的動力解決方案。研究人員預測 了在單通道飛機尾翼上安裝 2020 年的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機技術(shù) 的耗油率和社區(qū)噪聲，并通過風洞試驗驗證轉(zhuǎn)子的噪聲，報 道的預測累積噪聲相比第四階段要低 13dB ，并驗證了開式 轉(zhuǎn)子設(shè)計在過去 30 年的重要進步。在商業(yè)和環(huán)境壓力下， 同時為了保持歐盟在航空動力技術(shù)上的領(lǐng)導地位，歐盟重燃 了對開式轉(zhuǎn)子技術(shù)的興趣，開展了新

11、型發(fā)動機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)驗證 計劃、“凈潔天空”計劃等一些大型研究計劃，以積累能夠大 幅降低未來單通道飛機的耗油率、社區(qū)噪聲、碳氧化物排放 等的先進動力技術(shù)。在歐盟的凈潔天空計劃下，羅羅公司和 斯奈克瑪公司各承擔了一項可持續(xù)、綠色發(fā)動機（ SAGE ） 驗證機項目，分別開展齒輪傳動開式轉(zhuǎn)子和直接驅(qū)動開式轉(zhuǎn) 子發(fā)動機技術(shù)的研究。 羅羅公司將開式轉(zhuǎn)子定義為面向 2025 年“唯一具有潛力的游戲規(guī)則改變者”，放棄當前窄體客機A320NEO 和737Max的換發(fā)項目，在 100200座級的單 通道干線客機的動力領(lǐng)域?qū)Ｗ⒂陂_式轉(zhuǎn)子發(fā)動機技術(shù)，以滿 足 2025 年的潛在市場需求。羅羅公司主導的齒輪傳動開式 轉(zhuǎn)子

12、的目標是在“凈潔天空”時間框架（ 2016 年）和資助內(nèi)， 繼續(xù)使主要的技術(shù)和部件不斷成熟，為整機驗證做好準備， 其中，“齒輪傳動是后期選項”，將在“凈潔天空 2”計劃下繼續(xù) 開展。目前羅羅公司正在策劃一項全尺寸開式轉(zhuǎn)子驗證機飛 行測試的歐洲項目，不過達到這個里程碑需要約 6 年時間， 并將持續(xù)到“凈潔天空 2”計劃。同時，空客公司與發(fā)動機公 司一起研究采用開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機飛機的適航取證要求。羅羅 公司認為，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機進入服役最早也要等到下一個十 年的中期，是下一輪民機發(fā)動機技術(shù)革新的選項。同時羅羅 公司強調(diào)開式轉(zhuǎn)子可實現(xiàn)兩位數(shù)的效益增長，將會比同等水 平的先進渦扇發(fā)動機在油耗方面改善 1

13、0%左右。斯奈克瑪公 司主導的直接驅(qū)動開式轉(zhuǎn)子的目標是驗證用于評估開式轉(zhuǎn) 子結(jié)構(gòu)可行性和環(huán)境優(yōu)勢的技術(shù)，采用已有燃氣發(fā)生器和臺 架開展技術(shù)驗證和集成驗證，開發(fā)用于發(fā)動機技術(shù)驗證的制 造技術(shù)和材料，計劃 2015 年年底臺架試驗， 2016 年交付并 開展驗證機的地面試驗，基于預測和試驗結(jié)果來評估未來生 產(chǎn)型開式轉(zhuǎn)子推進系統(tǒng)的耗油率和噪聲排放的改善； 2019 年在后續(xù)的“凈潔天空 2”計劃下在修改的空客 A340-600 飛機 上開展飛行試驗，使得齒輪傳動開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機在 2020 年達到技術(shù)成熟度 6，并準備好生產(chǎn)型產(chǎn)品的研發(fā)，以實現(xiàn)20252030年投入市場。對于基于布雷頓循環(huán)的推進系統(tǒng)

14、而言，每一次技術(shù)進步都能帶來燃油效率的大幅提升。 目前， 性能最好的渦扇發(fā)動機只能使用燃油 40%的潛在能量， 而正 在研發(fā)的新一代渦扇發(fā)動機變循環(huán)發(fā)動機（即在壓氣機 末級和進氣道中間采用可變涵道流以及超高壓比技術(shù)）也只 能利用 55% 70%的燃油能量。然而，可能在 5075 年以 后，布雷頓循環(huán)將面臨極限的挑戰(zhàn)，因此，為了進一步提升 推進系統(tǒng)的效率，美、歐政府均將混合電推進系統(tǒng)視為有潛 力在 2030 年后投入使用的、極有前景的民用航空動力解決 方案，并組織飛機系統(tǒng)集成商和動力廠商積極開展探索和預 研。 NASA 的混合電推進一體化系統(tǒng)試驗臺 Heist 混合電推 進技術(shù)，是指通過傳統(tǒng)燃氣

15、渦輪發(fā)動機為分布在機翼或機身 的電機 / 風扇提供電力， 并由電機驅(qū)動風扇提供絕大多數(shù)或全 部推力（燃氣渦輪發(fā)動機可部分提供或不提供推力）的一種 新型推進技術(shù)，等效于大幅提高動力系統(tǒng)的涵道比，其最大 的優(yōu)勢是能夠極大地降低推進系統(tǒng)的燃油消耗量和各種排 放。美國波音公司、 GE 公司，以及歐洲空客集團、德國西 門子公司和英國羅羅公司，都已在政府支持的科研計劃中開 展混合電推進系統(tǒng)研究。目前各國正不斷提升混合動力技術(shù) 水平及其技術(shù)成熟度，探索多種新型混合動力飛機方案。2014 年 3 月， NASA 德賴登飛行研究中心建成名為 AirVolt的電推進試驗臺，用于準確測量從電池、馬達到速度控制器 和

16、螺旋槳等各個系統(tǒng)部件的效率。之后，為進一步試驗更緊 湊電力推進系統(tǒng) -飛機集成的收益， NASA 與實驗系統(tǒng)航宇公 司（ ESAero ）合作，實施前沿異步推進技術(shù)（ LEAPTech ） 驗證機項目，開展混合電推進一體化系統(tǒng)試驗臺（ Heist ）的 地面試驗；為進一步驗證高效、低噪聲和排放以及高的總轉(zhuǎn) 換效率的電力飛機推進系統(tǒng)， NASA 于 2015 年啟動了縮比 尺寸電推進技術(shù)運用研究 （Sceptor ）項目， 將 P2006T 型輕 型活塞雙發(fā)飛機轉(zhuǎn)換為分布式電推進系統(tǒng)。 與此同時， NASA 在其面向N+3代飛機（代表20302035年左右服役的技術(shù) 水平）的亞聲速超綠色研究（

17、Sugar ）計劃中，也探索了采 用燃氣渦輪電力分布式推進系統(tǒng)（ TeDP ）的 N3-X 飛機。 TeDP 將產(chǎn)生推進力的裝置與產(chǎn)生動力的裝置分開，由兩臺 安裝在翼尖的渦軸發(fā)動機驅(qū)動超導發(fā)電機產(chǎn)生電能，并驅(qū)動 15 臺嵌入機身的超導電動推進器產(chǎn)生推力。 然而，由于 N3-X 飛機的技術(shù)風險更大，并面臨適航問題，因此，研究工作目 前聚焦到可在近期實現(xiàn)的波音 737 尺寸大小、 常規(guī)布局的混 合電推進技術(shù)飛機方案帶有后置附面層推進器的單通 道渦輪 -電動力飛機，其中，渦扇發(fā)動機在起飛時提供80%推力，巡航時提供 55% 推力。在歐盟“航跡 2050”計劃下，空 客集團提出了基于分布式混合電推進系

18、統(tǒng)的 100 座級 E-Airbus 支線客機概念。 E-Airbus 采用 6 臺電動風扇， 每個機翼上沿展向分布 3 臺，并通過一個燃氣動力單元（即渦扇 發(fā)動機連接到發(fā)電機，以產(chǎn)生電力）為風扇（產(chǎn)生推力）提 供電力和為電能存儲裝置充電，推進系統(tǒng)的等效涵道比預計 將超過 20 。進一步地，通過 E 飛機項目來研究電力推進的 優(yōu)勢，驗證了混合電推進技術(shù)所需的輕質(zhì)、高效的發(fā)電機和 電動機技術(shù)，評估降低二氧化碳排放的潛力。另外，美國極 光飛行科學公司也提出了一型基于混合電推進系統(tǒng)的“雷擊” 無人機方案。 該無人機由 1 臺渦軸發(fā)動機驅(qū)動 3 臺發(fā)電機產(chǎn) 生電力，并將電力分配至全機 24 個涵道風扇，最終實現(xiàn)持 續(xù)飛行速度達到 556741千米/時、懸停效率不低于 75%、 機動性能能夠承受-0.5g2.0g過載的項目目標。后續(xù)極光 公司將開展原型機研制和試驗工作， 預計 2018 年完成首飛。 除這些研究項目外，美國和歐盟的其他多家公司也均在開發(fā) 混合電推進技術(shù)和分布式電推進技術(shù)的飛行器，旨在進一步 提升混合電推進技術(shù)的技術(shù)水平和技術(shù)成熟度,實現(xiàn)最終服役。隨著航空渦扇發(fā)動機性能的不斷提升，其熱效率將