下一代窄體客機發動機最新進展

胡曉煜

（中國航空工業發展中心，北京 100029）

下一代窄體客機發動機最新進展

胡曉煜

（中國航空工業發展中心，北京 100029）

圍繞下一代窄體客機發動機，介紹了目前國外飛機和發動機生產商方案選擇的一些思路，敘述了傳統渦扇發動機、齒輪傳動渦扇發動機和開式轉子發動機的最新進展，預測了發展趨勢。

開式轉子發動機；齒輪傳動渦扇發動機；窄體客機

1 引言

在當今世界民用飛機市場上，下一代中短程窄體干線客機無疑是最受關注的焦點，并且最受期待。空客A320和波音737窄體客機的換代，俄羅斯MS-21飛機項目的實施，中國大飛機C919項目的啟動，如同為發動機制造商們注入了強興奮劑。盡管所有的預測都表明A320/737客機在2020年前不會換代，但發動機制造商的熱情卻日益高漲，為爭奪這一400億美元的巨大市場，都在加緊提高發展效率來大力改善其新產品。

在2009年巴黎航展上，發動機公司紛紛為自己的下一代窄體客機發動機方案做宣傳。PW公司堅持認為齒輪傳動發動機是下一代窄體客機的最好選擇；MTU公司展出了自己的齒輪傳動渦扇發動機模型，與PW公司站在了一起；開式轉子發動機呼聲更高，RR公司挑明態度，稱開式轉子發動機燃油效率可改進25%～30%，是“真正的游戲規則改變者”；CFM國際公司顯然也把最終目標鎖定為開式轉子發動機；空客和波音公司與發動機公司合作研究開式轉子的可行性，為開式轉子發動機的實際應用增加了機會。SABC（英國宇航公司協會）也表示，開式轉子發動機可能大大改善新型窄體飛機的環境特性，增大槳葉直徑，取消笨重、帶來阻力的短艙，意味著開式轉子發動機的單位燃油消耗率可比目前窄體客機用渦扇發動機的降低25%～30%。

本文綜述了下一代窄體客機發動機的發展情況。

2 飛機公司需求

在2009年法國巴黎航展上，空客公司明確表示，推出A320后繼機的時間最早是2020年。波音公司和空客公司負責人都表示，希望下一代窄體客機的燃油效率提高20%，甚至更高；在新窄體客機項目啟動以前，發動機制造商必須證明已經突破所有關鍵技術。

目前，波音公司仍在創造良好的窄體客機市場收益。2009年4月，付了第6000架737飛機；還有超過2200架新一代737飛機訂單尚未交付。同時，啟動了737飛機的改進計劃，新改進的CFM56-7BE發動機將于2011年中投入使用，屆時，飛機/發動機的燃油效率將提高2%，CO2排放減少2%，發動機維護成本最多降低4%。種種現象表明，該公司沒有短期內推出新一代窄體客機的理由。

2009年5月，波音公司開始與RR公司、瑞士RUAG宇航公司和德國Deharde Maschinenbau公司合作，研究未來民用飛機用燃油高效的開式轉子推進技術的潛力。計劃2010年初，在RUAG公司的低速風洞進行采用開式轉子發動機的模型飛機的試驗。該公司還沒有決定未來中等尺寸的飛機將采用哪種類型的推進系統，但表示開式轉子技術有大大減少發動機油耗的潛力，是有發展前景的推進系統之一。這項研究將幫助該公司更好地理解開式風扇推進裝置與飛機機體的相互影響，以及到底能節省多少燃油。空客公司指出，下一代窄體客機“需要技術上的大幅跨越，而目前我們還做不到”。此前，該公司還稱，下一代窄體客機需要1種“改變游戲規則”的技術。這顯然是指開式轉子技術。目前，正在與發動機公司一起研究采用開式轉子發動機的飛機的適航取證要求。2009年2月，開始在歐洲新飛機概念研究（Nacre）計劃下，對包括采用開式轉子發動機在內的新飛機結構模型A30X進行風洞試驗。

有工業觀察家認為，下一代窄體客機推出的時間可能比預計的2020年還會推遲，波音公司目前的精力主要在787和747-800飛機項目上，空客公司的重點則主要放在A400M飛機發展、A380飛機的穩定生產和完成A350飛機最終設計上。因此，可以認為這2家公司不會將研究和發展經費放在目前銷量仍然很好的窄體客機上。當前便宜的油價和緊張的研制與發展經費也使得新飛機需求減少。

3 發動機公司研制進展

3.1 齒輪傳動渦扇發動機

3.1.1 PW公司

在2009年法國巴黎航展上，PW公司還表示，GTF技術還有很大的改進余地，每年效率可提高 1%。 到 2017年 ，1種PW1000G齒輪傳動渦扇發動機的改型產品可使A320/737后繼機的燃油效率提高22%～23%，最終發動機的油耗將達到與開式轉子發動機相當的水平，同時噪聲將更小。這是目前發動機商提出的下一代窄體客機最大和最快燃油消耗改進指標。并且，GTF渦扇發動機將有可能用于其它多種飛機，包括寬體飛機。目前，為了提高效率，該公司正在進一步改進齒輪系統，期望其傳動比從3增加到4以上，同時，GTF發動機的涵道比超過12，壓比達到50。

PW公司對GTF技術進行了20多年的研究。2008年，全尺寸的GTF驗證機在該公司的747SP飛機和空客公司的A340-600飛機飛行平臺上進行了廣泛的飛行試驗。第1個生產型——P W1000G發動機將在2013年用于MRJ支線客機和龐巴迪公司的C系列飛機。與目前的發動機相比，該發動機可降低燃油消耗12%～15%，同時噪聲比規定的低20dB；但是，與對手——先進渦扇和開式轉子設計相比，這一優勢還不突出。

3.1.2 MTU公司

在2009年法國巴黎航展上，歷來以合作伙伴身份參與世界民用發動機發展的MTU公司出人意料地展出了1個開式轉子發動機模型，顯示出獨立進入下一代窄體客機發動機市場的強烈愿望，這也是該公司“清潔空氣發動機（Claire）”技術計劃的基本概念所在。

該公司制訂了1個雄心勃勃的齒輪傳動渦扇發動機3步走發展計劃。第1步，目標是使燃油消耗降低15%；目前，該公司正與意大利Avio和瑞典Volvo Aero公司一起，在歐盟“清潔天空聯合技術倡議”下開展工作，2012年將運行首臺驗證機。第2步，將2級對轉風扇與齒輪傳動技術結合，使發動機油耗到2025年降低20%。第3步，增加1個回熱器，到2035年，使發動機油耗降低30%。

該公司也是PW公司PW1000G發動機項目的合作者。目前，該公司正在對1個現有的齒輪傳動渦扇發動機進行優化，重點研究高壓壓氣機和高速低壓渦輪，希望能降低渦輪的長度和質量，同時通過采用1種新概來提高第1級低壓渦輪效率。

3.2 開式轉子發動機

3.2.1 RR公司

在2009年巴黎航展上，RR公司提出在盡可能長的時間內，對雙轉子渦扇、3轉子渦扇或開式轉子發動機幾種方案的研究將同步進行，以保證在燃油價格浮動的情勢下，始終能提供1種壽命期成本最有競爭力的發動機。該公司計劃通過實施“Option 15-50”策略，發展可使發動機油耗降低15%～50%的下一代窄體客機發動機技術。目前，正在研制3轉子的RB285和雙轉子的RB282發動機，以抗衡CFM國際公司的LEAP-X和PW公司的PW1000G齒輪傳動渦扇發動機。“Option15-20”的基礎是雙轉子的RB282和3轉子的RB285發動機，雙轉子和3轉子發動機的核心機也將作為“Option 30”開式轉子的核心機（如圖1所示）。

Option 15的發動機可達到Trent XWB和Trent 1000的水平，比20世紀90年代中期的V2500發動機的油耗降低15%；Option 20是1種先進的3轉子渦扇發動機RB285X，油耗降低20%，噪聲比第4階段標準降低20dB，2018年投入使用；Option 30是開式轉子發動機，油耗降低30%，噪聲比第4階段標準低10dB，有可能在2018年投入使用；Option 50可使油耗降低50%（如圖2所示）。

該公司稱，3轉子結構具有低的SFC，但結構復雜，成本更高；雙轉子方案效率高，成本更低，并且推力有提高的潛力，但噪聲較大；開式轉子的應用可使SFC獲得巨大改進，但需要采用高速齒輪箱和革新的低噪聲葉片設計。目前，該公司正在“展望20”計劃下研究這一技術。最近，在華盛頓舉辦的Eco-航空會議上表示，開式轉子發動機是“真正的游戲改變者”，與今天的窄體客機用渦扇發動機相比，燃油效率可提高25%～30%，比未來10年可能投入使用的先進渦扇發動機燃油效率高10%～15%。稱已開始進行120～220座級飛機用開式轉子發動機的工程研究，這是真實而且是可實現的，但是距離實際應用還有很長的路要走，因為該項目風險很大，特別是噪聲問題比較突出。開式轉子發動機也是歐洲投資16億歐元的“清潔天空聯合技術計劃”中的優先研究內容。

該公司的計劃是在4年的驗證機階段內，研制出1種具有飛行能力的開式轉子發動機驗證機，于2013年開始研制，2018～2020年投入使用。目前正在進行1/6縮尺的RB3011開式轉子設計模型試驗，已經滿足了第4階段噪聲標準。

將首先研究拉進式的開式轉子發動機。

3.2.2 CFM國際公司

下一代窄體客機發動機研究方面，CFM國際公司提出2套方案。第1套為發展油耗降低16%的先進LEAP-X傳統渦扇發動。2012年，對首臺驗證機發動機進行整機試驗，如果2012年飛機制造商決定推出A320/737后繼機，則該發動機將繼續研制；計劃于2016年取證，于2018年投入使用。否則，將轉入第2套方案：LEAP-X發動機項目暫緩，將在LEAP-X核心機的基礎上，發展開式轉子發動機；計劃于2025年投入應用。CFM公司認為，如果空客和波音公司窄體客機換代推遲到2030年，這個時機正合適。

在2008年范堡羅航展上，CFMI的合作伙伴GE和SNECMA公司宣布開始為下一代窄體客機研制新型LEAP-X發動機（如圖3所示），該發動機研制目標是噪聲比第4階段標準低10～15dB，油耗比737NG飛機用CFM56-7B發動機的降低16%，NOx排放比CAEP 6的標準低60%，并滿足目前的維護要求。

LEAP-X發動機所采用的主要先進技術如下。

（1）三維纏繞樹脂傳遞模型（RTM）復合材料風扇葉片和機匣。這項稱為“MASCOT”的SNECMA公司專利技術已經過多年研究，將大大減輕發動機的質量，提高葉片的耐久性。2009年1月，CFMI開始在1臺CFM56-5C發動機上進行全尺寸的RTM風扇地面試驗。之前，采用MASCOT技術的發動機在SNECMA公司完成了氣動和性能試驗，并進行了廣泛的側風試驗，目前正在進行聲學試驗。發動機將在其后返回法國，進行耐久性試驗。CFMI公司將繼續改進，以確定2012年試驗的首臺LEAP-X驗證機發動機的最佳結構。預計LEAP-X發動機涵道比為10；風扇葉片數量為18片，比CFM56-5C發動機的減少50%，比CFM56-7B發動機的減少25%。

（2）先進的核心機。8級高壓壓氣機、先進的第2代雙環型預旋混合器（TAPS II）燃燒室和渦輪工作葉片將采用某種先進材料，導向器和葉冠將采用陶瓷基復合材料（CMC）。GE公司eCore核心機首次采用上述材料。第1臺核心機壓比為 16，第 2臺的為22～23，而目前CFM56發動機核心機的壓比僅為11左右。2009年6月12日，采用單級高壓渦輪的首臺LEAP-X核心機開始進行100h地面試驗。2011年，采用2級高壓渦輪的第2臺核心機將開始進行試驗。在3年的試驗計劃中將運行6臺核心機。

NASA和GE公司從20世紀70年代開始研究開式轉子技術，一直持續了20年，耗資12億美元。20世紀80年代，成功進行了開式轉子發動機的地面試驗和飛行試驗，證明開式轉子發動機的燃油消耗可比相同尺寸的有涵道渦扇發動機的降低30%。但是90年代中期，開式轉子技術研究中斷。2009年4月，NASA和GE公司重新開始了為期6～9個月的新一代開式轉子技術試驗驗證工作；試驗采用1/6縮尺模型，在NASA的2個風洞內進行，將對7種風扇葉片設計進行研究，評估氣動力學和聲學性能。CFMI公司說，開式轉子還要做一些“專門的技術發展和成熟”研究，這些技術將在LEAP-X發動機于2016年投入使用后的幾年內發展成熟。

3.3 俄羅斯公司

由俄羅斯聯合飛機制造公司（OAK）研制的新型中短程干線飛機 MS-21（150～220座級）將用來替代現有的圖-154、圖-204以及A320和波音737客機。預計，MS-21飛機比A320飛機的主要技術性能優12%～15%，經濟性提高25%。

目前，俄羅斯正在為MS-21飛機的發動機招標。彼爾姆“航空發動機”股份公司推出油耗可比CFM56-5B2和V2524/2533發動機的降低10%～11%的PS-14發動機。俄羅斯“禮炮”機械制造企業、烏克蘭扎波羅日“進步”發動機機械制造設計局和“西奇”發動機公司聯合推出SPM-21發動機，該發動機是由用于安-70飛機的D-27槳扇發動機發展而來的。參加招標的還有PW、RR公司和CFMI國際公司。招標的1個基本條件是必須有俄羅斯公司參與發動機研制。2009年12月，俄羅斯伊爾庫特公司選擇了PW公司的PW1000G齒輪傳動渦扇發動機，作為其150～210座級MS-21客機的動力裝置。該客機將于2014年首飛，2016年投入使用。

PS-14發動機推力為122～153kN，采用PS-12發動機的燃氣發生器；8級高壓壓氣機，2級高壓渦輪；低壓部分從2級變為4級；風扇直徑從1.78m增大到1.97m。與當代最好的同類發動機 （CFM56-5B2和 V2524/2533）的相比，PS-14發動機的燃油消耗預計降低10%～11%。該發動機不僅可用于MS-21飛機，也可用于Tu-204-300飛機降低起飛質量的改進型和IL-76運輸機的改進型，以及俄羅斯計劃與印度合作研制的MTA多用途軍用運輸機。

SPM-21發動機由俄羅斯“禮炮”機械制造企業、烏克蘭扎波羅日“進步”發動機機械制造設計局和“西奇”發動機公司聯合研制，是在用于安-70飛機的D-27槳扇發動機基礎上發展而來的。

3.4 小結

發動機制造商已為下一代窄體客機做好準備。目前，面對近期（5年內）推出的下一代窄體客機，每個發動機制造商都準備了先進的渦扇發動機，RR公司有3轉子的 RB285，GE 公司有 LEAP-X，PW公司有GTF。幾家公司都稱其

發動機燃油效率可降低15%。

面對遠期（10年后）推出的下一代窄體客機，PW公司決定不斷改進GTF技術，RR公司和CFM國際公司將發展開式轉子技術；前者油耗可降低23%，后者可降低26%。

4 結束語

開式轉子發動機有發展前景，但尚有爭議。業界普遍認為，開式轉子技術是能給飛機經濟性和環境帶來巨大改變的，1架采用開式轉子發動機的飛機在其壽命期內排放的碳氧化物相當于種植25萬棵樹，但是這種發動機的噪聲大。PW公司認為自己的GTF途徑是滿足要求的簡單而低風險的途徑。開式轉子的單位燃油消耗可能少，但將額外增加飛機的質量；而采用GTF發動機，速度更快，也更安靜。CFMI公司則提出，看不到GTF結構的真正優勢，卻看到了它在操縱可靠性上的一些真正不足。CFMI公司認為，GTF是冒險的，如果齒輪箱出現問題，就要拆卸發動機。

但PW公司堅持認為自己的齒輪傳動已不存在問題。

5 預測

（1）下一代窄體客機構型因發動機而可能完全不同。

種種跡象表明，空客和波音公司的下一代中短程飛機即使都采用開式轉子發動機設計，但其構型可能完全不同。空客公司打算將發動機安裝于機身后部，可能認為機身有助于屏蔽發動機的噪聲，將采用1種推進式的開式轉子發動機；而波音公司打算在機翼上安裝發動機，將采用1種拉進式的開式轉子發動機，可能是考慮便于維護，以獲得良好的操縱性。這2種發動機的結構存在差異，拉進式可能需要齒輪驅動，推進式可能是齒輪傳動或直接驅動。

（2）開式轉子發動機可能適用于更短的航程。

未來飛機面臨的一個關鍵問題可能是空客和波音公司對于航程的要求。目前，只有不到0.5%的窄體客機航程超過2500海里，而航程從3500海里縮短到2500海里可使飛機油耗降低6%。對于開式轉子發動機來說，理想的航程甚至更短，1500海里的航程可能是最理想的；在爬升階段，耗油率低的優勢最突出。

下一代窄體客機到底采用哪種發動機？飛機制造商是盡早選擇下一代渦扇發動機，如LEAP-X，或是等待開式轉子發動機？還是利用新渦扇發動機為現有的A320/737換發？目前還很難給出答案。一些航空公司提出，需要更快而不是更遲地獲得1種經濟性可大大改善的新窄體客機。但開式轉子發動機顯然更加誘人，如果空客和波音公司的A320/737飛機后繼機的推出時間推遲到2025年左右，開式轉子發動機就極有可能成為新一代窄體客機的發動機。因為這至少可促進發動機制造商繼續研究這一技術，使之成為可行。預計到2011年底，答案將揭曉；屆時，發動機公司將有足夠的實驗數據證明開式轉子發動機是否可行。

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Latest Development of Next Generation Narrow Aircraft Engine

HU Xiao-yu
（Aviation Industries Development Research Center of China,Beijing100029,China）

Some considerations of foreign aircraft and engine manufactures on next generation narrow aircraft engine were presented.The latest developments of traditional turbofan engine,geared turbofan engine and open rotor engine are described.The development trend of next generation narrow aircraft engine was forecasted.

open rotor engine;geared turbofan engine;narrow aircraft

胡曉煜（1965），女，碩士，中國航空工業發展研究中心副總師，自然科學研究員，從事航空發動機情報研究。