艱難的選擇：A320neo的動力之爭

胡勤

中國的互聯網大佬馬云曾說過：“工業時代是‘三十年河東，三十年河西；現在是‘三年河東，三年河西。”當然，他說的是正在蓬勃發展的互聯網創新浪潮，然而在航空工業領域“三十年河東，三十年河西”的定律依然有效，或許這個周期還更長。

起始于20世紀80年代的窄體機動力之爭，伴隨著多年來的技術發展進入了一個全新的階段。CFM公司和普惠公司分別憑借其“二十年磨一劍”的技術成果開啟了未來數十年的新征途。

航空發動機一直是工業領域的頂級產品，它的技術進步直接推動了整個航空業的更新換代。直到今年的巴黎航展，全球范圍內的主流窄體機已經全面啟動下一代的升級工作，在飛機制造商的宣傳中，發動機都作為最核心的亮點予以突出。

在新一代窄體機中，除了空客A320neo外，波音737MAX，中國商飛C919，巴航工業E-Jet E2、龐巴迪C系列和俄羅斯MS21都只有唯一的發動機供應商。這讓兩家發動機公司之間的競爭似乎都集中到了空客A320neo這一飛機平臺上，而A320neo總計近2500架的龐大訂單也給這場動力之爭增添了更多火藥味。

航空發動機廠商在推銷產品時，總說自己是最好的，并拿自己的部件與對方比較，用風扇對比風扇，用壓氣機對比壓氣機，用渦輪對比渦輪。但多年來的技術積累，讓CFM和普惠兩個公司選擇了兩條不同的技術升級路線，每家公司都宣稱自己下一代發動機能比現役產品降低15%的油耗，并比競爭對手做得更好，這給購買了A320neo的航空公司出了道難題。

選擇CFM還是選擇普惠，現在是個問題。

CFM：CMC技術是未來

“質疑CMC，是因為不了解CMC”

CMC是陶瓷基復合材料（ceramic-matrix composites）的簡稱，它是一種有陶瓷成分的復合材料，這種材料由大量陶瓷纖維通過某種形式的排列編織而成。據CFM方面介紹， CMC材料的密度是傳統金屬的1/3，強度是它的兩倍，耐高溫性能比鎳基金屬高20%。

“因為CMC材料可以耐高溫，所以對冷卻氣流的需求就會減少，”CFM國際公司執行副總裁佘克·沙茹日前在北京對本報記者表示：“這不是一個非常新的技術，只不過Leap發動機將是首次應用該材料的商用航空發動機。”

從上世紀80年代中期開始，NASA就已經在研究CMC技術，GE公司多年以來對CMC技術的持續投入和試驗，使該公司對CMC未來的發展潛力給予了很高評價，并認為目前CMC材料的技術成熟度已經足以將其應用在航空發動機的核心部件上。眾所周知，CFM公司是GE公司和斯奈柯瑪公司的合資企業，CFM公司可以分享GE公司在CMC材料上的研究成果。

在Leap發動機上，第一級高壓渦輪罩環將由CMC材料制成。高壓渦輪罩環主要作用是用來控制高壓渦輪葉片和發動機機體之間的間隙，它面對的是從發動機燃燒室出來的高溫高壓氣體，是整個發動機工作環境最惡劣的固定部件之一。如果采用傳統的鎳基合金罩環，由于其耐高溫性能不及CMC材料，需要使用額外的高壓空氣對其進行冷卻，而這些冷卻空氣本來是可以產生推力的。使用CMC材料后，這部分將不需要冷卻空氣，從而提高了發動機的效率。

“我們已經對CMC材料做了數千小時的測試，”GE航空總裁兼CEO大衛·喬伊斯此前在巴黎航展期間表示：“我們不是昨天才把他研制出來，然后立馬就把它用在航空發動機上。” 事實上，GE早在2003年就已經將CMC材料用在工業燃氣輪機上，過去十年來，CMC材料已經在工業燃氣輪機上使用了14000小時。

盡管GE方面已經為CMC材料進行了大量測試，但關于CMC材料能否運用到發動機核心部件上的爭論依然沒有停止。GE航空大中華區總經理向偉明回應道：“我們今后將進一步增加CMC材料的使用范圍，競爭對手質疑我們是因為他們沒有這項技術。當年我們在GE90發動機上使用寬弦葉片也被廣泛質疑，而現在我們用事實證明了自己的選擇。”

CFM方面表示，先期僅在固定部件上使用CMC材料也是出于風險因素的考量，目前的技術成熟度完全可以滿足固定部件的可靠性要求，未來CMC材料還將用在發動機的更多部件上。在記者問到今后Leap發動機的升級方向上，佘克·沙茹簡單地答道：“CMC技術。”

其實，GE已經開始了相關實驗。去年，GE在F414軍用發動機上進行了CMC材料渦輪轉子葉片的關鍵性試驗。GE方面已明確要將該材料應用到下一代GE9X發動機的第二級高壓渦輪轉子葉片上。

此外，為了應對CMC部件的產能壓力，GE正在建設新工廠用以支持CMC部件的生產。喬伊斯透露，GE將在美國北卡羅萊納州的阿什維爾開設一個工廠為Leap發動機生產CMC部件，這一工廠今后也將為GE9X發動機提供支持。

GE已經將CMC作為其未來發展的核心技術之一。就像GE此前將GEnx的新技術應用到CF6發動機上一樣，隨著CMC技術的進步，該技術也將逐步應用在787和747-8的GEnx上，并在GE和CFM的新一代發動機上得到全面推廣。

除了CMC技術外，CFM用在Leap發動機上的最新技術還包括三維編織的碳纖維復合材料風扇和風扇機匣，壓比為22∶1的高壓壓氣機，其中前5級采用整體葉盤設計以及第二代貧油燃燒室。沙茹表示，CFM公司完成了第三臺核心機驗證機的測試工作，測試結果顯示部件的性能超過預期。

普惠：齒輪只是個支點

“未來GTF發動機還將有20%～30%的升級空間”

盡管相比現役的發動機，CFM公司的Leap-1A和普惠公司的PW1100G都大幅增加了風扇尺寸和涵道比，但可以籠統地說，CFM公司把更多精力放在發動機熱效率的提高上，普惠公司則更注重提高發動機的推進效率。

根據簡單的發動機原理，要想降低發動機的耗油率，最直接的辦法就是增大風扇尺寸，擴大涵道比，但這也將面臨發動機重量增加、飛機阻力增加、風扇設計難度增加以及渦輪轉速不匹配等諸多負面因素。為了解決渦輪轉速和風扇轉速不匹配的問題，普惠利用自己在齒輪技術方面的優勢，將齒輪傳動裝置革命性地引入渦扇發動機，從而極大地提高了發動機的整體效能。

普惠方面表示，PW1100G的性能提升有30%來自新增的齒輪裝置，由于普惠將齒輪傳動技術應用在大型渦扇發動機上，在發動機風扇和低壓壓氣機之間增加了一個1∶3的齒輪箱，在增大低壓壓氣機和低壓渦輪轉速的同時還能降低風扇的轉速，同時提升了這兩部分的效率。

“所有人都認為我們技術進步僅限于齒輪，事實上，齒輪技術只是幫助我們更好地運用發動機的速度特性，” 普惠公司新一代產品部副總裁鮑勃·賽亞在接受媒體采訪表示：“GTF家族的核心機是行業里最好的，它可以提供高達50∶1的總壓比。GTF的高壓壓氣機壓比為16∶1，比Leap發動機低一些，但由于GTF低壓壓氣機的轉速更快，所以低壓部分可以提供更高的壓比，而且低壓渦輪級數也更少。”

更高的轉速也有助于降低發動機核心機的溫度，這將降低發動機部件的維護成本。“PW1100G核心機溫度比目前的V2500發動機高，但是顯著低于Leap-1A，” 鮑勃·賽亞表示：“要想提高發動機效率，要么選擇驅動更多低速空氣，要么提高核心機溫度，我們認為前者更具性價比。”普惠方面表示，更保守渦輪前溫度再加上先進材料以及先進的冷卻系統使GTF的高壓渦輪冷卻氣流減少了20%。

相比普惠PW1100G發動機上9級高壓壓氣機和3級低壓渦輪，Leap-1A發動機則選擇了10級高壓壓氣機和7級低壓渦輪的設計方案。顯然，這會提高發動機重量，并有可能增加維護成本。對此，佘克·沙茹表示：“我們需要綜合評估發動機的整體性能，高壓壓氣機增加一級帶來了5%的油耗節省，由于需要帶動更大的風扇所以低壓壓氣機級數也有所增加，但Leap發動機的核心段尺寸減少了很多，所以整體的重量增幅很小。”此外，得益于新材料技術的應用，CFM方面認為Leap發動機的維護成本將與當前的CFM56發動機保持一致。

巴黎航展期間，普惠總裁大衛·漢斯表示，CFM不可能達到其聲稱的燃油效率和維護成本“除非他們違反物理定律”。LEAP-1A還沒開始進行整機測試，“而我們的neo發動機都已經飛上天了，在我們已經完成的認證測試中，燃油效率比預期好0.5%。”

日前，佘克·沙茹在北京媒體見面會上表示，Leap-1A發動機在燃油效率方面要比PW1100G發動機高3%。“基于我們的測試結果，在進入服役時，-1A發動機的耗油率將比競爭對手少1%；隨著未來的進一步升級，耗油率還將比對手減少1%；在A321neo上，由于航線更長，我們的巡航耗油率還將比對手少1%。”

齒輪作為普惠新一代發動機的“支點”已經撬動了整個發動機性能，而齒輪本身的技術狀態和可靠性則成為業內關注的焦點之一。普惠方面表示，齒輪傳動技術已經經過了20多年的技術積累，技術成熟度已經完全可靠，對航空公司來說是免維護的。“干工程的人都會有疑惑，新增加的機械機構必然帶來維護方面的憂慮，大齒輪和小齒輪區別很大，”GE的工作人員對記者表示。

與CFM不同，普惠的技術路線圖中沒有CMC技術，但在齒輪傳動、風扇設計以及核心機設計方面將有大幅提升。大衛·漢斯表示，根據普惠已經制定的技術升級路線圖，到本世紀20年代中期GTF發動機的燃油效率將比目前水平再提高20%～30%。這一計劃涵蓋了整個發動機，包括更高效和更輕的風扇葉片和更大傳動比的齒輪箱，并計劃將發動機總壓比提升至60，還有更高效的燃燒室和渦輪冷卻系統。

“我們曾希望將CMC技術應用在五代機的發動機上，但是那樣并不劃算，沒有什么技術是免費的。”鮑勃·賽亞表示，普惠正在研發其他性能類似的材料，并計劃將新材料用在發動機的非核心部件上。我們不用CMC技術也能在20年代中期將發動機效率提高20%～30%。

航空公司用訂單投票

根據CFM方面的統計數據，目前CFM贏得了726架A320neo的發動機訂單，普惠贏得了759架。但是，CFM國際公司執行副總裁佘克·沙茹說：“目前，CFM還有一個75架A320neo的新訂單沒有計算在內，這樣的話，我們在A320neo上的市場份額也居于領先地位。”

然而，現在仍有超過1/3的A320neo發動機訂單尚未宣布，對航空公司來說，進一步了解兩款發動機的性能和維護成本則變得至關重要。“很多航空公司準備觀察早期進入運營的飛機表現，然后再決定發動機的歸屬。” 普惠及IAE中國區總裁中野茂秋表示：“普惠PW1100G發動機地面和飛行測試的順利進展將會對發動機銷售帶來很多促進作用，這些測試降低了發動機運營時的潛在風險，這很有利于航空公司控制成本。”

不管是飛機制造商還是航空公司，他們都希望在飛機進入服役時，發動機已經有了足夠的可靠性，這也就迫使發動機制造商更早的確定技術路線，并花費更多時間和金錢用以開發相關技術，甚至是在飛機平臺尚未出現前，就已經做好了準備。其實，不管是哪家公司，新一代發動機所采用的核心技術和整體架構都已在多年前確定。

為了確保發動機的可靠性，CFM公司和普惠公司都投入了大量精力。CFM公司表示，今后幾年CFM公司將生產60臺發動機，用于Leap發動機家族三個型號的地面和飛行測試，這些發動機的所有測試時間，累計起來相當于一架飛機在航空公司運營15年。同樣的，普惠方面將投入8臺發動機用于PW1100G發動機的驗證試驗。

數十年的技術積累和多年的驗證試驗，讓兩個發動機公司都志在必得，對航空公司來說，或許任何一種選擇都沒有錯。