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航空发动机技术的未来发展

2018-04-08 来源:两机动力控制微信公号 发布:

  尽管目前非传统创新型动力发展势头迅猛,但主流发动机制造商认为,燃气涡轮类发动机仍将有很长的寿命周期。预计在2018年,自适应循环、先进材料、大尺寸增材制造和其他先进技术都将取得重大进展,对未来数十年军民用航空发动机的发展产生重大影响。

  民用航空发动机新技术

  对于GE公司来说,推力达463kN的GE9X将首次进行飞行试验,这无疑是GE公司在2018年度的重大事件之一。GE9X发动机的直径达3.4m,是目前世界上直径最大的大涵道比涡扇发动机,将用于波音777X全系列客机。在2016年3月,GE9X发动机进行了首次地面运转试验,经过数年的发展,目前GE公司已经制造出8台发动机样机,其中5台整机以及1台核心机正用于各种试验项目。2018年初,该发动机将安装在GE公司的747飞行测试平台上完成首飞。GE公司计划在2018年完成该型发动机的取证工作,为2019年初波音777-9首飞做好准备。

  

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  安装于波音747飞行测试平台上的GE9X

  普惠公司则希望2018年是PW1000G齿轮传动涡扇发动机(GTF)项目的转机之年,不仅希望能赶上空客和庞巴迪的交付进度,而且能改进PW1100G系列和PW1500G系列的部件和服务。尽管自2015年起,GTF项目状况不断,但GTF发动机在实际运行中表现出了很高的可靠性,发动机的耗油率、噪声排放等整体性能达到甚至超过设定目标。

  在大力发展风扇叶片制造能力和备件发动机的装配能力基础上,普惠公司在2017年交付了374台GTF发动机;而2018年生产的新发动机将采用一种新的燃烧室火焰筒设计,装配A320neo的PW1100G发动机也将继续改进其3号轴承盖的碳材料气密结构,这些技术都已经得到验证。2018年普惠公司还面临着为庞巴迪公司加快PW1900G生产的问题,该发动机将于2018年4月装配挪威威德罗航空公司的E190-E2开始商业飞行。此外,该发动机配装的E195-E2客机将持续进行飞行试验,计划在2019年初取证。

  在欧洲地区,2018年将是罗罗公司的Advance技术和超扇(UltraFan)发动机技术发展的关键一年,这两种发动机技术是罗罗公司2020年后中等推力和大推力级发动机市场的关键技术。当前,罗罗公司仍然没有决定是否将Advance项目相关技术发展出一型具体产品型号,但确定的是将在该项目中发展核心机技术;而齿轮传动技术则是超扇发动机的技术基础。目前,罗罗公司正在其英国工厂进行Advance 3验证机的相关试验,并计划在德国达莱维茨工厂开始在超扇发动机概念下发展风扇齿轮减速器。超扇发动机是在Advance项目核心机的基础上,结合大尺寸齿轮传动风扇形成的型号,将用于波音中型客机市场的发动机争夺。

  在加快Advance 3和超扇发动机技术发展的同时,罗罗公司仍在持续推进其独特的三转子涡扇发动机技术,并不断演化成新的型号,如遄达XWB-97、遄达7000和遄达1000 TEN等。罗罗公司为这三型发动机的进度安排得非常紧凑,2017年10月,装配遄达7000发动机的A330neo刚刚完成首飞,11月就完成了对装配遄达XWB-97发动机的A350-1000的取证,同时装配遄达1000TEN发动机的波音787-10也已完成首次试飞。

  2017年波音和空客公司的生产率都创下纪录,这给发动机供应商们带来了很大的供给压力,其中包括CFM国际公司。为了尽快弥补Leap-1和CFM56发动机已经拖欠的订单,CFM国际公司将在2018年初加快生产,争取追上交付进度计划。此外,CFM国际公司还正在解决A320neo装配的Leap-1A发动机涡轮罩环涂层磨蚀问题,一种更加耐用的涂层正在试验中,并将在2018年第一季度投产。

  CFM国际公司在2017年获得了近3000台CFM56和Leap-1系列发动机的订单,因此2017年底正在以周产20台的速度加快Leap发动机的生产,以赶上空客和波音的交付进度。到2017年底,已有超过100架配装Leap-1A发动机的A320neo和近50架配装Leap-1B发动机的波音737-8客机服役,CFM公司计划到2018年第一季度Leap发动机机队飞行小时数达到100万小时,到2018年底前再交付1100台Leap-1发动机。

  

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  俄罗斯PD-14发动机正在进行飞行测试

  中国和俄罗斯也正在加快发展国产发动机,用来与Leap和PW1000G系列发动机开展竞争。中国航发集团2017年已经完成首台CJ1000A发动机的概念设计评审,该发动机推力为125kN,将用于配装C919飞机,2018年该发动机将进行地面试验。

  俄罗斯联合发动机集团正在发展PD-14发动机,该发动机将用于配装俄罗斯国产MC-21客机,目前该发动机正装在伊尔-76飞行试验台上进行飞行试验,计划于2018年取证。

  此外,2017年9月,中国航发和俄罗斯联合发动机集团也已达成协议,将以俄罗斯的PD-35发动机为基础,为CR929宽体客机联合研制发动机,联合开展狗万全额投注、定义潜在客户和确定发动机性能需求。

  通用航空市场的新型发动机

  世界公务机发动机市场,配装GE“Passport”发动机的庞巴迪“环球”7000、配装加普惠PW800发动机的“湾流”G500将于2018年首次亮相,这两种产品具有很强的竞争力,足以威胁罗罗公司长期把持的公务机发动机市场垄断地位。而罗罗公司已经意识到这种威胁,正在Advance 2计划下研发一系列的技术验证机,并将于2018年初开始试验。

  Advance2计划下发展的技术验证机包括3个型号,涵盖推力级44.5—89kN,由两种不同的核心机和三种低压系统组成。这个新的发动机系列,预计2020年可投入运营。该系列最早的一个型号目标瞄准的是BR725这一推力级别的市场,这正是目前罗罗公司公务机发动机市场最有竞争力的产品。

  

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  “银冠”发动机研发遇到了问题,使达索“猎鹰”5X公务机项目取消

  作为霍尼韦尔HTF7000系列的最新型号,HTF7700刚刚取证,将于2018年交付赛斯纳公司的“奖状纬度”公务机开始服役。HTF7000系列已经累计了350万飞行小时,配装2000架飞机。“纬度”公务机配装的是该系列发动机的第6种机型,此前已经配装了庞巴迪“挑战者”300/350、“湾流”G280和巴航的莱格赛450/500。

  2017年底,法国赛峰公司承认为达索“猎鹰”5X发展的“银冠”(SilverCrest)发动机遇到了问题,将改进压气机设计以提高其响应特性。这一事件直接导致2017年12月达索公司取消了“猎鹰”5X计划,但德事隆公司的“奖状Hemisphere”公务机仍然选择了“银冠”发动机作为动力,该机航程达8300km,计划2019年首飞,2020年取证。

  在涡轴发动机领域,新进者是2018年赛峰公司的Aneto 1K发动机,该发动机是在RTM322发动机和Tech 3000发动机验证机的基础上研制的,将用于配装意大利莱昂纳多公司的AW189K中型双发直升机,计划2018年底取证。

  GE公司也正在研制先进涡桨发动机(ATP),用于与加普惠公司的PT6发动机竞争,计划2018年配装赛斯纳Denali单发涡桨飞机。与PT6发动机相比,该发动机耗油率可降低20%,功率增加10%,由于大量使用增材制造零件,该发动机把之前需要的855个零件数量缩减到12个。

  加普惠公司也并未放松,正在加紧研制PT6的升级型号,瞄准下一代涡桨飞机的应用,如皮拉图斯公司的PC-12NG、Daher的TBM900和比奇“空中国王”。目前新发动机披露的细节较少,但加普惠公司将在2018年继续进行数字控制系统和1500kW级发动机的综合推进系统的试验。

  军机动力

  对于战斗机发动机而言,2018年最引人注目的事件仍是GE和普惠公司在美国空军“自适应发动机转化”(AETP)项目下研制的自适应三涵道验证机的发展。AETP项目于2016年启动,旨在加速自适应相关技术向第六代战斗机发动机型号的转化,也可用于2020年后F-35战斗机的换发。

  在美国空军“自适应发动机技术发展”(AETD)项目支持下,GE公司的XA100和普惠公司的XA101验证机正在验证相关技术,与AETP一样,AETD项目是评估增加第三涵道对推力和耗油率的影响。2018年初,在美国空军研究实验室“满足经济可承受任务能力的先进涡轮发动机技术”(ATTAM)项目第一阶段支持下,对于自适应发动机的研究方向将有所改变,从增加第三涵道改为改变通过高压核心机的空气流量。

  

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  GE公司正在测试T901-GE-900发动机(左)和“未来经济可承受涡轴发动机”(FATE)原型机(右)

  按计划,ATTAM项目是对VAATE计划的继承,将为下一代大、中、小推力级涡轴发动机和战斗机发动机发展带来革新意义。ATTAM项目第一阶段将持续到2026年,目标是在目前基准发动机的基础上,将耗油率降低10%—30%。该项目是首次从一开始就综合研究动力和热管理技术的项目,瞄准的是增加推力,并使热管理能力提高20倍以上,推进系统效率增长的目标是10%~25%。

  2018年,GE公司的T901以及霍尼韦尔和普惠的合资公司ATEC的T900,两者谁将成为美国陆军西科斯基UH-60M“黑鹰”和波音AH-64E“阿帕奇”机队的新发动机这件事将尘埃落定,这两型发动机都来自陆军的“改进涡轮发动机”项目(ITEP),与T700发动机相比,动力将提升50%,耗油率降低25%,寿命周期成本大幅降低。

  俄罗斯也发展了第五代战斗机及发动机,其土星公司的“产品”30发动机已经于2017年12月配装苏-57首飞,将在2018年继续进行飞行试验,该发动机推力达178kN,将在2020年用于替换AL-41F1发动机。

  日本石川岛播磨公司研制的XF9-1涡扇发动机正在进行核心机试验,该发动机目标瞄准2030年的战斗机,推力超过146kN,全状态的验证机正在装配中,预计2018年年中完成。核心机和整机试验结果将成为日本政府2018年底做出替换F-2战斗机决策的依据,即是引进国外设计机型,还是与国外开展合作开发一型新产品。