国外大型飞机发动机发展现状和趋势

f214216709 · 发表于 2010-7-13 10:54:18

1 干线客机发动机“三巨头”的发展战略国外大型飞机发动机发展现状和趋势
      （1）CFM公司志在必得。
   CFM公司占据150座级飞机发动机市场的最大份额，CFM56是B737的唯一动力和A320一半以上的动力，已交付使用的数量超过15600台，目前月交付量为50台左右。为继续保持其技术领先地位，CFM公司在1998-2004年实施了TECH56计划，主要研究金属材料空心风扇叶片、压比15的6级高压压气机、双环腔预旋流燃烧室（TAPS）、锯齿型喷管、低成本控制系统等，并从2007年开始将这些技术逐步用于生产型的CFM56-5B/7B发动机，大大提高了发动机的性能。
   此外，公司还于2004年底开始实施LEAP56计划，针对A320/B737换代机，主要研究轻质复合材料风扇叶片、压比更高的6级高压压气机、第2代TAPS、发动机诊断技术、轻重量齿轮箱和下一代控制技术等。LEAP56计划主要节点包括：2007年进行部件试验，2009-2010年进行全尺寸发动机试验，2012-2013年投入使用。
      （2）普惠公司誓夺失地。
   20世纪七八十年代，普惠公司的JT8D发动机曾创下了产量近12000台的世界纪录，一度占有75%的市场份额，但由于战略决策失误，如今几乎被CFM56挤出民机发动机市场。针对A320/B737的后继机的动力，公司目前与MTU（德）、Avio（意）和Volvo（瑞典）合作，重点发展齿轮传动涡扇发动机（GTF），推力量级为105～180kN，计划占据A320/B737后继机的所有动力市场。具体分工为MTU公司负责高压压气机（8级压气机、压比17），Avio负责风扇齿轮传动系统，Volvo负责复合材料风扇框架，并与NASA合作发展先进的Talon X低污染燃烧室。
普惠公司的GTF发动机发展计划是：2007年第3季度进行地面试验验证，2008年与波音合作进行飞行验证，2008年底将正式启动该发动机的研制，2012年投入使用。
（3）罗·罗公司异军突起。
与普惠的迫不及待相比，罗·罗公司在A320/B737后继机项目上的反应似乎平缓许多，但它绝不是一支可以低估的力量。在技术发展上，公司分别制定了5年、10年和20年的发展规划，目前每年在技术研究上的投资都超过6亿英镑。在业务发展上，该公司通过收购美国艾利逊公司和宝马·罗罗等公司，强化了公司的核心竞争力。公司的Trent和RB211系列发动机已在176kN以上推力的大型宽体飞机发动机市场上占据领先地位。
目前，罗·罗公司还在对A320/B737后继机发动机的几种方案进行讨论，并计划发展热效率较高的三转子发动机。由此可见，罗·罗公司的异军突起终会给150座级的高性能大涵道比涡扇发动机的市场竞争增添色彩。
   2 俄罗斯干线客机发动机的发展情况
俄罗斯（前苏联）已发展了多种民机用涡扇发动机，包括大涵道比涡扇发动机，如PS-90A（伊尔96/图204）、NK-93（伊尔96/图204）、D-436（图334）等，装备于图154/204/334、雅克40/42、伊尔62/76/86/96等旅客机。1962年前苏联的索洛维也夫设计局（现俄罗斯彼尔姆）研制出俄罗斯第一种用于旅客机（图124）的D-20P涡扇发动机，比英国罗·罗“康维”发动机（快帆）只晚了2年。但由于受到西方适航条例的限制，以及政治经济等非技术因素的影响，在与西方同类产品的市场竞争中处于下风。
对于未来民机动力市场，俄罗斯联邦政府制定了《2002-2010年间和2015年前俄罗斯民用航空技术发展》规划，俄罗斯航空航天局实施了《研制新一代民用干线客机涡扇发动机所需的技术储备建立计划》。计划实现的目标包括：针对130～170座新一代中短程干线客机用推力68～117kN级的大涵道比涡扇发动机，并可发展到68～196kN级；2010年前，研制出性能指标高于PW6000、PW8000和SaM146，并不落后于GE公司TECH56计划的新一代民机动力核心机和验证机；瞄准2030-2040年前的新一代民机发动机国际市场；由CIAM组织，联合国立民用航空发动机研究所、彼尔姆和全俄航空材料研究院等单位。
   我国大型飞机对发动机的需求分析
在我国，大型飞机项目是建设创新型国家的标志性工程，是党中央、国务院在新世纪作出的具有重大战略意义的决策。大型飞机发动机要立足于自主创新，拥有自主知识产权，要在对外开放的条件下进行，积极开展国际合作。大型飞机发动机的研制需要勇气、决心、信心、力量。**总理指出：“研制大型飞机是党中央、国务院在新世纪作出的具有重大战略意义的决策。我们要以百折不挠的决心和钢铁般的意志，为实现我们国家的宏伟目标而努力。”在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和《“十一五”规划纲要》中，国家已经把大型飞机列为重大专项工程，而且要求配装拥有自主知识产权的大涵道比涡扇发动机，这是必须实现的国家战略目标。
发动机是飞机的心脏，大涵道比涡扇发动机是自主研制大型飞机的关键，发动机技术不突破，就无法掌握大型飞机研制的主动权。据有关部门预测，未来20年，中国仅150座级干线客机就需要800架左右，加上其他用途的大型飞机，共需要大涵道比涡扇发动机约2750台，总价值达412亿美元。大涵道比涡扇发动机用途广泛，市场巨大，经济、军事、社会效益显著，对国民经济发展、国防建设和科技进步具有重大推动作用和战略意义。
   1 干客用大涵道比涡扇发动机的主要要求
首先，以民用中近程干线客机为应用对象，大涵道比涡扇发动机要达到同类发动机的先进水平，具有市场竞争力，并形成产业。
其次，突破关键技术，提高自主研发能力。通过预先研究和国际合作，完成部件、系统、核心机和验证机的设计、加工和试验，突破民用大涵道比涡扇发动机关键技术，基本具备自主研发能力。在验证机的基础上，根据市场和飞机需求，研制出拥有自主知识产权和市场竞争力的大涵道比民用涡扇发动机，满足我国干线客机发展对动力的需求。
研制发动机的指导思想：强化基础、提高能力；当代水平，形成产业；自主研发，国际合作；军民结合协调发展。主要技术指标：起飞推力满足双发150座级干线客机要求；巡航耗油率比现役同类发动机下降6%～8%；寿命、可靠性、可维护性等综合性能水平优于现役CFM56发动机比现役同类发动机性能提高10%以上；噪声、有害物排放水平满足当时的适航条例和环保要求。
   2 干客用大涵道比涡扇发动机的发展计划
   （1）发展目标。
   ·突破大涵道比涡扇发动机关键技术。
   ·完成部件、系统、核心机和验证机的设计、加工和试验，基本具备自主研发能力。
   ·完成型号研制和适航取证。
   ·在验证机试验的基础上，根据市场和飞机需求，研制出具有自主知识产权和市场竞争力的大涵道比民用涡扇发动机，满足我国干线客机发展对动力的需求。
   ·培养一支高水平的航空动力科技和管理队伍。
   （2）发展步骤。
·第一阶段：关键技术攻关和验证机研制。包括：发动机总体方案和部件设计、加工和试验；总体方案设计；部件和系统设计；部件和系统加工制造；部件和系统试验；核心机和验证机的工程设计、加工和试验验证；核心机和整机工程图设计；核心机和整机加工制造；整机试验验证。
   ·第二阶段：原型机研制和适航取证。完成我国干线客机发动机原型机的研制，取得适航证。
   （3）发展途径。
   ·自主创新，提升能力，“技术研究”和“产品开发”并重。
·走核心机系列派生发展的道路，首先针对目前干客动力的需求，发展相应推力等级的发动机；考虑将来干客发动机的推力需求，总体方案应留有发展的潜力。
·充分利用现有的设计体系和验证平台，充分利用多年积累的研制经验，军民结合，协调发展。
   ·开展国际合作，走“自主研发”与“国际合作”相结合的发展道路。
   我国大型飞机发动机的主要关键技术分析
   1 设计关键技术
（1）大涵道比发动机总体方案设计技术（含飞发一体化和经济性分析）；
（2）民用发动机适航技术；
（3）大涵道比风扇/增压级设我国大型飞机发动机的主要关键技术分析计技术；
（4）高效高级压比压气机设计技术；
（5）低排放、长寿命燃烧室设计技术；
（6）高性能长寿命高、低压涡轮设计技术；
（7）发动机短舱及反推力装置设计技术；
（8）核心机设计技术；
（9）验证机设计技术；
（10) 整机/部件综合数值仿真技术；
   (11) 大涵道比涡扇发动机数控系统设计技术；
   (12) 低噪声设计技术；
   (13) 长寿命、高可靠性和可维护性设计技术；
   (14) 轴承和传动润滑系统设计技术；
   (15) 故障诊断和监控技术；
   (16) 涡轮间隙主动控制技术；
   (17) 辅助动力装置（APU）设计技术。
   2 材料工艺技术
   (1) 大型风扇宽弦空心叶片（钛合金或复合材料）制造技术；
（2) 大型钛合金中介机匣铸造、焊接和制造技术；
   (3) 钛合金整体叶盘/叶环制造及修复技术；
   (4) 复合材料包容环制造技术；
   (5) 风扇盘圆弧型榫槽加工技术；
   (6) 三维弯扭多联组合涡轮导向叶片精铸技术；
   (7) 定向凝固带冠大展弦比低压涡轮叶片精铸技术；
   (8) 风扇转子和发动机本机平衡技术；
   (9) 风扇机匣涂层本机加工技术；
(10) 耐600℃高温钛合金材料工程化与制造工艺；
(11) 镍基高温合金整体叶盘低成本制造技术；
(12) 低成本燃烧室机匣整体铸造技术；
(13) 火焰筒浮动壁材料与制造技术；
(14) 高压涡轮动叶及导叶用涂层及其涂覆工艺；
(15) 耐1100℃单晶涡轮叶片低成本材料、铸造以及打孔工艺；
(16) 耐1100℃涡轮导叶低成本材料、铸造以及打孔工艺；
(17) 轮盘粉末冶金的制粉、锻造工艺以及缺陷检测。
   3 试验测试技术
  （1）整机试验与调试技术；
  （2）发动机反推力试车技术；
  （3）发动机吞鸟试验技术；
  （4）发动机吞水、吞冰、吞砂试验技术；
  （5）发动机侧风、逆风试验技术
  （6）发动机噪声场测量技术；
  （7）风扇叶片包容试验技术；
  （8）部件、整机寿命和可靠性试验技术。
对我国研制大型飞机发动机的几点看法和建议
1 贯彻中央领导指示精神，抓住机遇，迎接挑战
（1）大飞机及其发动机项目是建设创新型国家的标志性工程，是关系国家安全和国民经济命脉的重要行业和关键领域，动力装置必须在突破关键技术的基础上自主研发，拥有自主知识产权，不能长期外购、受制于人。
（2）大型飞机及其发动机项目是我国航空动力行业难得的发展机遇，是摆脱纯粹依靠军机的单一发展模式，实现航空动力军、民、燃协调发展的重大举措，也是促进企业核心竞争力的形成和巩固，大幅提升企业的经济实力和在国民经济中的地位，促进行业发展的历史契机。
（3）我们必须下定决心，不辱使命，抓住机遇，迎难而上，加快发展。
2 自主创新，全力搞好关键技术研究
（1）我国民用大涵道比涡扇发动机的技术储备严重不足，但面对世界市场的激烈竞争，又必须推出具有当代国际先进水平的产品。这是一个很大的矛盾，也是严峻的挑战。
（2）将研制工作分为验证机和原型机两个阶段，首先通过部件、系统、核心机、验证机研制，突破、掌握关键技术，提高自主创新能力。然后，在验证机的基础上进一步研发出拥有自主知识产权、具有当代先进水平、并能够取得适航证进入市场的民用大涵道比涡扇发动机。先突破关键技术，再开发产品取证，这是实事求是、合理可行的选择。
3 抓紧国际合作，尽快组织实施在国际合作中，应尽快组织好队伍，统一领导，加强协调，统一对外，抓紧谈判，抓紧审批，签约实施
4  深化机制体制改革，加快研发队伍培养
   (1)在干客发动机的研制中，应整合行业内部的技术力量，统一研究和组织有关事项，勇于承担主力军的作用。
（2）航空集团公司应联合有关科研院所、工厂和高校，发挥各自的优势，形成产学研相结合的技术创新体系，加快人才培养，组成大型飞机发动机产学研联合研发团队。
5  协调安排好基础条件建设
（1）协调安排好有关材料和工艺技术的攻关。
（2）材料、工艺和加工制造是军民用大涵道比涡扇发动机的关键技术之一，必须尽早安排计划，攻关研究，加以突破。
（3）抓紧有关基础设施和研发保障条件建设。
（4）大涵道比涡扇发动机的研制需要特殊的设计、加工和试验手段，必须抓紧投资建设。

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