新一代寬體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)動(dòng)態(tài)

孫敏

隨著飛機(jī)制造商對(duì)動(dòng)力要求的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商們正在“加足馬力”進(jìn)行新一代產(chǎn)品的研發(fā)。與窄體客機(jī)動(dòng)力市場(chǎng)如今群雄逐鹿的境況不同，在寬體客機(jī)動(dòng)力市場(chǎng)，羅羅和GE公司的地位在短期內(nèi)依舊無(wú)人能夠撼動(dòng)。但是這兩家發(fā)動(dòng)機(jī)制造商并沒(méi)有因此懈怠，為了爭(zhēng)奪更多的市場(chǎng)份額，雙方都在加快進(jìn)行新一代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)。盡管從技術(shù)層面來(lái)看，雙方在下一代發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)理念上略有不同，但從現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，雙方新一代發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品在性能上相比現(xiàn)有產(chǎn)品，都有了質(zhì)的飛躍。

日益緊密的戰(zhàn)略聯(lián)盟

目前，全球大型/中大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)基本被羅羅公司和GE公司所壟斷，兩家公司的合計(jì)訂單約占全球市場(chǎng)97%的份額。近年來(lái)，隨著寬體客機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，飛機(jī)制造商和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商已經(jīng)形成了一定的聯(lián)盟。

與過(guò)去一個(gè)機(jī)型搭配多款發(fā)動(dòng)機(jī)不同，現(xiàn)在一些新型號(hào)的飛機(jī)往往只選擇一款發(fā)動(dòng)機(jī)為其配套。在新一代寬體客機(jī)中，除了787-10確認(rèn)訂單中有GEnx-1B76和遄達(dá)1000-76兩款發(fā)動(dòng)機(jī)可供選擇之外，其余機(jī)型都只裝配一款發(fā)動(dòng)機(jī)。

GE公司在研的全球最大發(fā)動(dòng)機(jī)GE9X就是為波音新一代777X量身定制的一款產(chǎn)品。在波音開(kāi)始醞釀777X項(xiàng)目時(shí)，GE、普惠和羅羅都提出了各自的產(chǎn)品方案。其中，GE提出在GE90和GEnx兩款成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展新型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)GE9X；普惠給出的方案是提供推力達(dá)到440kN的齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)PW1000G；羅羅則提出在遄達(dá)1000和遄達(dá)XWB的基礎(chǔ)上研發(fā)RB3025項(xiàng)目。

由于在波音提出777X項(xiàng)目之前，GE已經(jīng)開(kāi)始著手GE9X的研發(fā)，因此當(dāng)波音在2013年11月正式宣布啟動(dòng)這一項(xiàng)目時(shí)，GE已經(jīng)完成了一部分零部件試驗(yàn)工作。例如，GE在2013年年初進(jìn)行了高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)，年中進(jìn)行了復(fù)合材料的性能和運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)等。在波音的其他項(xiàng)目上，雙方已經(jīng)在某種程度上結(jié)成了戰(zhàn)略聯(lián)盟，因此最終波音宣布GE9X為777X系列飛機(jī)的唯一動(dòng)力選型。

作為同屬歐洲的企業(yè)，羅羅則與空客在諸多項(xiàng)目上進(jìn)行了合作。早前，羅羅就為空客改進(jìn)后的A330neo量身定制了遄達(dá)7000發(fā)動(dòng)機(jī)。作為一款采用遄達(dá)XWB發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)、吸取了遄達(dá)1000、遄達(dá)XWB和遄達(dá)700發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)后推出的一款產(chǎn)品，遄達(dá)7000的發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比從5提高到10，總壓比從36提高至50，燃油效率提高近10%。A330neo投入運(yùn)營(yíng)后，遄達(dá)7000的表現(xiàn)不俗。

但羅羅為787系列飛機(jī)所提供的遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)則遇到了一些問(wèn)題。遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目2004年啟動(dòng)，同年被選為787系列飛機(jī)的兩款可選動(dòng)力之一。2011年，全日空航空裝配遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)的787完成首次商業(yè)運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)正式投入運(yùn)營(yíng)。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)共有4個(gè)系列，分別是A、B、C系列和最新的遄達(dá)1000-TEN。其中，A系列是最初用于取證的型號(hào)，取證后就不再生產(chǎn)，B系列是標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)型，C系列是在B系列的基礎(chǔ)上改進(jìn)了風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，2012年裝配787-9進(jìn)行首飛。最新的遄達(dá)1000-TEN是在遄達(dá)1000的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多方面改進(jìn)后推出的第三代衍生產(chǎn)品，該項(xiàng)目于2012年啟動(dòng)，當(dāng)時(shí)是專(zhuān)門(mén)為波音加長(zhǎng)版的787-10飛機(jī)量身定制的一款產(chǎn)品。如今，這款發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為787全系列飛機(jī)的可選發(fā)動(dòng)機(jī)。截至2018年4月，波音共交付了678架787系列飛機(jī)，其中的261架選裝了遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)。

但從2016年開(kāi)始，遄達(dá)系列發(fā)動(dòng)機(jī)故障頻發(fā)，問(wèn)題主要集中在渦輪葉片腐蝕和壓氣機(jī)葉片的斷裂。2018年4月，美國(guó)聯(lián)邦航空局和歐洲航空安全局先后發(fā)布了緊急適航指令，下調(diào)了裝配遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)的波音787飛機(jī)雙發(fā)延程飛行時(shí)間，并要求大規(guī)模檢查和返修該型發(fā)動(dòng)機(jī)，這一事件使得遄達(dá)1000發(fā)動(dòng)機(jī)成為全球民航業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

為了盡快解決問(wèn)題，羅羅調(diào)用了大量的工程技術(shù)力量，針對(duì)渦輪葉片的腐蝕問(wèn)題，羅羅已經(jīng)公布了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片更換計(jì)劃，因此這一問(wèn)題對(duì)航空公司的運(yùn)營(yíng)影響有限。但壓氣機(jī)葉片斷裂的問(wèn)題至今還沒(méi)有完全解決，考慮到787系列飛機(jī)還有GEnx-1B這一可選動(dòng)力裝置，因此對(duì)于羅羅來(lái)說(shuō)，只有盡快解決問(wèn)題，才能保證在787機(jī)隊(duì)中占據(jù)更多的份額。

各顯神通的技術(shù)方案

在下一代產(chǎn)品研發(fā)中，羅羅和GE都致力于通過(guò)提高總壓比、新材料使用率、涵道比和部件效率等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)熱效率的提升，以實(shí)現(xiàn)燃油效率的提高。如今，雙方都在充分利用各自的技術(shù)儲(chǔ)備，通過(guò)不同的技術(shù)路徑，努力實(shí)現(xiàn)新一代產(chǎn)品燃油效率質(zhì)的飛躍。

憑借RB211發(fā)動(dòng)機(jī)打了一場(chǎng)漂亮的翻身仗之后，三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成為羅羅打開(kāi)商用航空市場(chǎng)大門(mén)的“金鑰匙”。在遄達(dá)系列發(fā)動(dòng)機(jī)大獲成功后，羅羅又宣布在最新的遄達(dá)XWB的基礎(chǔ)上，在2020年和2025年推出Advance和UltraFan兩款全新的發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，Advance項(xiàng)目著重提高熱效率，UltraFan項(xiàng)目的目標(biāo)是提高推進(jìn)效率。

根據(jù)計(jì)劃，Advance發(fā)動(dòng)機(jī)將采用遄達(dá)XWB的風(fēng)扇部件、遄達(dá)1000-TEN的低壓渦輪部件及全新開(kāi)發(fā)的核心機(jī)，預(yù)計(jì)總增壓比將達(dá)到60以上，涵道比達(dá)到11以上。相比遄達(dá)700，Advance發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性將提升20%以上。

UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)將在Advance的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，采用傳動(dòng)比為4∶1的齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，將傳統(tǒng)的三軸發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)椤半p軸半”發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)，UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)還會(huì)采用變槳距的風(fēng)扇葉片，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙是一種帶出口導(dǎo)向葉片支撐的懸臂短艙，這種設(shè)計(jì)省去了反推力裝置，在大大減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量的同時(shí)，還可以減小進(jìn)排氣損失，進(jìn)一步降低噪音水平。

預(yù)計(jì)UltraFan發(fā)動(dòng)機(jī)的總增壓比將達(dá)到70以上，涵道比達(dá)到15以上。相比遄達(dá)700，其燃油經(jīng)濟(jì)性將提升25%以上，推力達(dá)到445kN，可實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)技術(shù)在寬體雙通道飛機(jī)上的突破。此外，UltranFan發(fā)動(dòng)機(jī)的CTi風(fēng)扇系統(tǒng)采用了碳纖維/鈦合金風(fēng)扇葉片和復(fù)合材料機(jī)罩，可減重1500磅。目前，這款發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力齒輪箱已經(jīng)在德國(guó)完成了臺(tái)架試驗(yàn)，輸出功率達(dá)到7萬(wàn)馬力。根據(jù)羅羅公司的規(guī)劃，未來(lái)動(dòng)力齒輪箱的設(shè)計(jì)輸出功率將達(dá)到10萬(wàn)馬力。

與羅羅的思路不同，GE在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)上一直專(zhuān)注于核心機(jī)的研發(fā)，其一方面通過(guò)實(shí)施先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器等研究計(jì)劃來(lái)發(fā)展核心機(jī)技術(shù)，另一方面積極研制先進(jìn)的復(fù)合材料風(fēng)扇等低壓系統(tǒng)來(lái)匹配核心機(jī)。

目前，GE正在開(kāi)展eCore核心機(jī)驗(yàn)證機(jī)研究。該核心機(jī)采用10級(jí)高壓比壓氣機(jī)技術(shù)、雙環(huán)腔預(yù)混旋流（TAPS）燃燒室、全新設(shè)計(jì)的高壓渦輪以及新型短艙等。GE的思路是，將發(fā)展成熟的eCore核心機(jī)技術(shù)和先進(jìn)的低壓系統(tǒng)技術(shù)不斷應(yīng)用于未來(lái)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，及時(shí)研制出滿足市場(chǎng)需求、具有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。GE9X就是這一發(fā)展思路的產(chǎn)物。

作為目前全球在研發(fā)動(dòng)機(jī)中推力最大的一款產(chǎn)品，GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)增壓比高達(dá)27，是GE公司迄今為止研發(fā)的增壓比最高的核心機(jī)。隨著核心機(jī)增壓比的提高，GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)的總增壓比達(dá)到60以上，這使得壓氣機(jī)后端和高壓渦輪進(jìn)口的工作溫度超出了常規(guī)材料的承受范圍。為此，GE發(fā)展了第四代粉末合金材料、陶瓷基復(fù)合材料（CMC）火焰筒與渦輪、更先進(jìn)的冷卻技術(shù)等。這些新技術(shù)和新材料將使GE9X的燃油經(jīng)濟(jì)性提升10%。

GE9X首臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試車(chē)于2016年4月開(kāi)始。當(dāng)年10月，GE完成了首臺(tái)完整發(fā)動(dòng)機(jī)首輪地面測(cè)試，共進(jìn)行了335小時(shí)試車(chē)。2017年5月，GE開(kāi)始第二臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。這是首臺(tái)生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機(jī)，將與其他幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一起參與取證試驗(yàn)。

2018年3月，GE9X被裝在由波音747飛機(jī)改裝而成的飛行試車(chē)臺(tái)上進(jìn)行了首次飛行，飛行試驗(yàn)持續(xù)了4個(gè)小時(shí)。根據(jù)計(jì)劃，GE9X將在2019年取得適航證，以滿足777-9X在2020年投入運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)。

從技術(shù)層面來(lái)看，GE近年來(lái)在新材料、3D打印等方面的巨額投入所獲得的成績(jī)，都在GE9X上有了直觀的體現(xiàn)。

作為GE9X的“前輩”，GE90采用了第一代碳纖維復(fù)合材料，GE90-115B和GEnx采用了第二代和第三代碳纖維復(fù)合材料，而GE9X采用了第四代碳纖維復(fù)合材料。在新一代材料中，采用了剛性更高的碳纖維與新的環(huán)氧樹(shù)脂。為了提升葉片的強(qiáng)度，葉片前緣包覆合金鋼薄片，比包覆鈦合金薄片的GE90、GEnx的葉片更薄。同時(shí)，GE9X還采用了先進(jìn)的三維掠形設(shè)計(jì)，使風(fēng)扇葉片后掠更大、葉弦更寬，葉片數(shù)量更少，僅有16片。相比之下，GE90為22片，GEnx為18片。因此，有人用“薄、尖、彎”這三個(gè)字來(lái)概括GE9X風(fēng)扇葉片的特點(diǎn)。

此外，GE9X的燃油噴嘴頭部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。如果采用常規(guī)的制造工藝，耗時(shí)多、成本高，因此，GE在這一部件的生產(chǎn)中使用了3D打印技術(shù)。近年來(lái)，GE在3D打印技術(shù)方面投入了大量資金，在業(yè)內(nèi)創(chuàng)造了多個(gè)第一。例如，LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)就是第一個(gè)采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)燃油噴嘴的型號(hào)。

在GE9X的生產(chǎn)中，GE利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)噴嘴頭部，大大提高了生產(chǎn)效率，特別是在調(diào)整試驗(yàn)燃燒室性能時(shí)，更容易實(shí)現(xiàn)噴嘴設(shè)計(jì)的早期迭代，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)更改和試驗(yàn)迅速合并，節(jié)約了大量的時(shí)間和研制經(jīng)費(fèi)。未來(lái)，當(dāng)以GE9X為動(dòng)力的777X投入運(yùn)營(yíng)時(shí)，將標(biāo)志著大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)又進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。