GE公司民用航空發動機發展戰略

索德軍，鄒迎春

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

現代航空運輸的發展與大涵道比渦扇發動機的發展和應用密不可分。20世紀70年代的民用航空發動機市場由PW公司的JT9D發動機所占據；隨著CF6、RB211和CFM56發動機的投入使用，到80年代，逐漸形成美國PW、GE和英國RR公司三足鼎立的格局；90年代以來，GE公司研制的GE90、GP7000和GEnx等寬體客機發動機的成功應用進一步提升了其民用發動機的市場地位；進入21世紀，GE公司以其優越的產品性能和合理的產品布局在民用航空發動機市場表現得更加突出，頗有獨占鰲頭之勢。

本文總結了GE公司民用航空發動機的發展歷程和經驗，以期為中國航空發動機的研制和發展提供借鑒。

1 注重技術預先研究，產品性能不斷提高

大涵道比民用渦扇發動機追求更低的油耗、噪聲、污染和成本等目標。為了保持技術領先，GE公司從20世紀70年代開始參與和實施民用發動機相關的預先研究計劃，開展新技術的開發與驗證，提高技術成熟度，隨著新技術的成功應用，形成了降低風險、避免后續顛覆性設計更改，以及節約成本的良性循環。

1.1 不斷開發和驗證創新技術

圖1 GE公司為降低耗油率進行的技術研發[1]

20世紀70年代開始，GE公司參與了QCSEE、E3、UEET、IHPTET和 VAATE 等政府級預研計劃，并組織開展了如TECH56和LEAP等民用渦扇發動機專項研究計劃（見表1），將計劃中開發和驗證的先進氣動、結構、材料以及燃燒技術等不斷應用于大涵道比民用渦扇發動機研制中，持續降低發動機耗油率，如圖1所示；通過對燃燒系統的研究，采用新材料、新方案不斷提高燃燒效率，形成其特有的TAPS燃燒室技術，污染物排放量遠低于國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization,ICAO）規定的水平，如圖2所示；采用故障監測、任務優化、服役優化等措施，提高發動機的可靠性，延長發動機在役時間，提升航空公司運營效率。這些先進技術的應用，保證了發動機的總體性能和經濟可承受性不斷提高，形成一系列先進產品，如圖3所示，使得GE公司不斷提高民用發動機市場占有率[1-2]。

圖2 GE公司為降低NOx排放所進行的燃燒室技術研發[1]

圖3 GE公司利用預研計劃技術成果開發的民用發動機產品[1]

表1 GE公司開展的與民用發動機相關的預研計劃

1.2 不斷開發和驗證核心機

GE公司關注核心機的技術開發和驗證，使其性能穩步提升，提高技術成熟度，增加技術儲備，降低風險，縮短研制周期，為型號成功研制提供堅實的核心保障。20世紀90年代以來GE公司所進行的與大涵道比民用渦扇發動機相關的核心機試驗和所開發的新型發動機如圖4所示。實際上，據不完全統計，自1963年美國提出ATEGG計劃驗證航空發動機核心機技術以來，GE公司從GE1開始發展了GE37以及XTE76、XTE77等40多種核心機（發動機）驗證機[7]，而真正應用的民用發動機只有CF6（TF39發動機的核心機GE1/6）、CFM56（F101發動機的核心機 GE9）、CF34（TF34發動機的核心機 GE1）、GE90/GP7000/GEnx（E3計劃的核心機）和 LEAP（eCore核心機）等。

圖4 GE公司核心機試驗和產品發展[1]

2 重視核心機系列發展，產品不斷改型升級

利用成熟的核心機衍生發展適應需要的系列產品，是當前航空發動機降低研制風險和成本、縮短研制周期所采取的基本方法。GE公司在成熟核心機基礎上優化設計，既提升了核心機的性能又能兼顧可靠性，優化后的核心機可發展為新一代產品，能更好地滿足飛機需求。GE公司采用核心機系列發展策略，逐漸形成了龐大的民用發動機家族體系，如圖5所示。

圖5 GE公司民用發動機的系列發展[1]

2.1 由軍用核心機衍生發展

民用大涵道比渦扇發動機在20世紀70年代才正式應用，因此，包括GE、PW和RR公司在內的航空發動機公司當時都是基于軍用發動機核心機開展民用發動機研制的，只有這樣才能滿足迅速發展的民航運輸的旺盛需求。GE公司的CF6、CFM56和CF34系列民用發動機都是在軍用發動機基礎上衍生發展而來的。

2.1.1 基于TF39核心機的CF6系列發動機

GE公司采用TF39軍用發動機核心機和關鍵技術進行民用適應性設計，形成CF6-6、-80、-80C2、-80E等系列發動機，如圖6所示。截至2015年已交付的CF6-80C2/E1系列發動機達到5153臺，預計到2025年還將生產489臺[8]。

圖6 GE公司寬體客機發動機采用核心機技術系列發展

2.1.2 基于F101核心機的CFM56系列發動機

GE公司基于F101發動機核心機技術，而且在其他部件方面應用CF6發動機的實際經驗，使得CFM56發動機具有費用低、周期短、繼承性強、技術風險低、可靠性高、通用性和經濟性好等特點，是世界民航史上最成功的發動機之一。CFM56發動機系列發展如圖7所示。截至2015年已交付26984臺，預計到2025年還將生產4614臺[9-10]。

圖7 GE公司窄體客機發動機采用核心機技術系列發展

2.1.3 基于TF34核心機的CF34系列發動機

CF34發動機是利用了TF34的核心機技術改型研制的，主要用于支線客機和噴氣式商務/公務機。發展 了 CF34-3B、CF34-8、CF34-10A、CF34-10E 等系列發動機，CF34發動機系列發展如圖8所示。截至2015年已交付9653臺，預計到2025年還將生產1829臺[11]。

圖8 GE公司支線客機和商務/公務機發動機采用核心機技術系列發展

2.2 由民用核心機衍生發展

20世紀70年代開始，一系列針對大涵道比民用渦扇發動機的計劃應需而立，不僅發展了節油、降噪、減排等特有的民用技術，而且開始民用核心機的開發和驗證。在此基礎上，研發了“真正”的大涵道比民用渦扇發動機。

20世紀90年代，GE公司采用高效節能發動機（E3）計劃核心機開始研制GE90大涵道比發動機，在GE90發動機的基礎上，形成GE90-76B、-94B、-115B和GP7000、GEnx等一系列性能卓越、高效可靠的寬體客機發動機產品，截至2015年底，GE90、GEnx系列發動機產量分別為2211、1039臺，預計到2025年，2款發動機分別還將生產1913、2008臺[12-13]。GE90發動機改型升級所作的改進如圖9所示。

圖9 GE90發動機改型升級所作的改進

LEAP發動機雖然是CFM國際公司研制的CFM56系列發動機換代產品，但實際上該發動機采用的是LEAP56計劃中驗證的eCore核心機，并且應用了CFM56和GE90系列發動機的成熟經驗和先進技術，包括超高壓比核心機、3D編織樹脂模傳遞成型（RTM）復合材料風扇葉片和機匣、更輕的風扇包容機匣、可變面積外涵噴管、第3代3D氣動設計壓氣機和渦輪葉片設計、第2代雙環預混旋流器（TAPS II）燃燒室技術、先進的冷卻技術、新的耐高溫材料、先進的控制診斷技術以及全新的性能保持技術等[14]。

3 適應市場需要，產品布局不斷優化

為滿足各類民用飛機的動力需求，GE公司開發了干線、支線飛機以及公務機等配裝的不同推力等級的發動機（圖5）。

GE公司研制的寬體干線客機發動機（如CF6、GE90、GP7000和GEnx等）的應用相當廣泛，而且在未來很長一段時間內將繼續保持市場占有率領先優勢。GE公司正在研制的GE9X發動機是波音777X客機發動機的惟一選型，已于2017年5月進行型號認證試驗，預計2019年完成取證試驗，2020年投入運營。

在GE公司研制的窄體干線客機發動機中，CFM56系列發動機處于絕對領先的地位，其市場份額達到近70%。截至2016年，CFM56發動機訂單產量近30000臺；新研發LEAP系列發動機同樣獲得巨大成功，自2016年投入使用以來表現優異，訂單量不斷增加。在2017年6月的第52屆巴黎航展上，LEAP發動機成為參展的焦點，航展結束后發動機訂單總量超過14000臺。

在GE公司研制的支線客機和商務/公務機發動機中，CF34系列發動機處于絕對優勢地位，市場上70～120座的大型支線客機（包括中國ARJ21支線客機）幾乎全部配裝CF34發動機。2010年，GE公司利用Tech56計劃的先進技術，結合CF34發動機經驗和成熟技術研發了Passport發動機，于2014年完成飛行臺試驗，2016年4月取得FAA適航許可證，2017年投入批量生產。另外，GE公司還與日本本田公司于2004年成立GE/Honda航空發動機公司，在原本田公司的HF118發動機基礎上利用GEnx發動機先進技術研發HF120發動機，以彌補其10 kN推力級的小型發動機的不足。

4 堅持合作共贏，降低成本和風險

20世紀70年代以來，GE公司的民用航空發動機基本上采用聯合研制、合作共贏的方式，按照投資比例和主導地位，將GE公司的合作分為3種方式:AA制合作（2家公司各占50%比例），產品為CFM56、CFE38和 HF120發動機等（見表 2）；AA+X制合作（2家公司占較大比例，處于主導地位，加其他公司），產品為GP7000發動機；A+X制合作（以GE公司為主，加其他公司），產品為GE90、GEnx和GE9X發動機等（見表3）。

采用聯合研制方式具有以下優點:（1）各合作公司具有不同的技術基礎，根據能力和意愿共同投資，保證充足的資金運營；（2）各合作公司責任分擔，形成技術互補，共享市場收益，能夠規避技術競爭與市場競爭風險；（3）各合作公司收入共享而不是利潤共享，每家公司的利潤取決于各自的管理和運營；（4）各合作公司分擔從方案論證、設計、生產、試驗、直到銷售等的所有工作，確保高的技術水平、工作效率和產品質量。

表2 AA制合作情況

表3 AA+X和A+X合作情況

5 結束語

從20世紀80年代開始，GE公司不斷刷新民用發動機市場占有率，通過重視并實施技術預研、核心機研究和發展、研究市場需求和導向、合作研發等研制策略，實現了技術積累和突破。GE公司民用航空發動機已經形成了成熟的技術和產品發展路線，其產品發展和研發策略具有以下特點:

（1）通過開展預先研究計劃對新技術進行驗證，提高技術成熟度，之后進行產品應用。

（2）成功研制1款核心機，并在其基礎上進行優化設計和流量縮放，用以發展不同推力級別的發動機，使產品的發展更加多元化，并能保證后續產品性能的先進性。

（3）有針對性地研究市場需求，合理配置資源發展不同類型產品，滿足多種民用飛機的市場需求，使產品利潤最大化，同時避免因單一機型運營不善而虧損的風險。

（4）采用軍民結合的方式，通過轉化和繼承成熟軍用航空發動機的技術，提高可靠性，相比全新研制，降低了研發成本和風險。

（5）通過聯合研制的模式降低前期的研發成本和市場運營風險，在合作中實現共利共贏。