大涵道比渦扇發動機發展研究

沈錫鋼，齊曉雪，郝 勇

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

大涵道比渦扇發動機發展研究

沈錫鋼，齊曉雪，郝 勇

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

大涵道比渦扇發動機用途廣泛、市場巨大，對國民經濟發展、國防建設和科技進步具有重大推動作用和戰略意義。概述了國內外大型軍民用運輸機的發展現狀，歸納了其性能與適航要求更高、經濟性與環保性更好的發展趨勢，總結了其多繼承少創新，共用核心機系列化和軍民融合的發展途徑。針對中國目前和未來的需求，提出了需要突破的總體設計、穩定性、高壓高效葉輪機、高性能燃燒室、先進空氣系統等通用技術和適航、大尺寸彎掠風扇葉片、復合材料風扇葉片、低噪聲設計、低污染燃燒室、反推力裝置等特有技術。

大涵道比渦扇發動機；發展思路；關鍵技術

0 引言

大型運輸機及其動力裝置是1個國家國力和軍力的象征，是1個民族屹立于世界強國之林的標志之一，在維護國家安全和國民經濟建設中起著重要作用。國外從20世紀70年代開始開展大涵道比渦扇發動機的研制，經過幾十年的發展，如今已達到技術成熟，研制出系列化產品。雖然目前中國大涵道比渦扇發動機的研制已經取得了一定的成果，但是與國際上同類先進的發動機相比仍存在一定差距。所以在現階段，應認清形式，梳理發展思路，制定正確的發展策略，為大涵道比渦扇發動機的發展提供支持。

本文針對大涵道比渦扇發動機的研制和發展進行研究。

1 運輸機動力裝置需求分析及預測

據美國波音公司預測，未來20年（2012～2031年），全世界民航市場將需要民用飛機34000架，市場總價值為4.5萬億美元，其中單通道飛機需求量為23240架，占總需求的68.4%，市場價值為2.06萬億美元，占總價值的45.8%；雙通道飛機需求量為7950架，占總需求的23.4%，市場價值為2.08萬億美元，占總價值的46.2%；大型寬體飛機需求量為790架，占總需求的2.3%，市場價值為2800億美元，占總價值的6.2%；支線飛機的需求量為2020架，占總需求的5.9%，市場價值為800億美元，占總價值的1.8%。由此可見，未來民機市場需求量和市值最大的是單通道和雙通道飛機。

中國民航業發展的預測表明，在未來20年，中國的旅客周轉量年均增長7.4%，客機數量年均增長6.9%。到2030年，為滿足運量的增長和替換退役飛機，中國客機新機交付量為4600余架，其中單通道噴氣客機超過3000架，雙通道客機800余架，支線客機600余架。

在大型軍用運輸機方面，目前中國裝備部隊的大型軍用運輸機主要為從俄羅斯購買的伊爾-76大型運輸機，配裝Д-30ΚΠⅡ發動機，由于裝備的飛機數量有限，還不能完全滿足運輸的需求。

未來軍用運輸機將向著載質量更大、航程及作戰半徑更大、巡航高度更高、速度更快以及安全性、可靠性和維護性更高的方向發展，戰術運輸機、戰略運輸機及戰略戰術運輸機需求量將逐步增大，對應需要大量不同推力等級的、更為先進、可靠的大涵道比渦扇發動機。

2 大涵道比渦扇發動機發展概況及趨勢

2.1 大涵道比渦扇發動機發展概況

目前，在國際市場上，大型飛機發動機的研制主要依賴GE、PW和RR 3大公司，各公司發動機系列化發展，已成壟斷格局，推力范圍覆蓋了100～500 kN。而俄羅斯研制的大涵道比渦扇發動機主要配裝本國生產的大型飛機。

國外主要的軍、民用大涵道比渦扇發動機參數見表1、2。

為了滿足未來大涵道比發動機需求，國外制定了大量的技術發展計劃，旨在提高發動機性能和部件效率，降低污染排放、噪聲及維護成本。包括美國的VAATE計劃、UEET計劃，歐洲的ANTLE計劃、CLEAN計劃等，這些計劃所取得的研制成果已逐步貫徹到新研的產品中，使發動機的性能、經濟性、安全性、可靠性和環保水平將進一步提高。

2.2 大涵道比渦扇發動機發展特點和趨勢

軍、民用運輸機的基本功能均為運送有效載荷，因此其配裝的發動機技術特點和發展趨勢基本類似。但由于其使用環境和用途及目的不同，造成其技術發展趨勢稍有差異。

（1）采用成熟的大涵道比渦扇發動機。為降低技術風險，提高可靠性，大型運輸機動力裝置普遍采用成熟的大涵道比渦扇發動機。同時針對軍、民用發動機技術通用性強的特點，充分考慮軍民共用，避免了由于更換發動機引起的技術風險。如在伊爾-76MF軍用運輸機，選用了已經在伊爾-96和圖214客機上使用驗證的ПС-90A發動機。同樣在A330客機基礎上改進研制的MRTT多用途加油機/軍用運輸機仍然采用原A330客機的Trent700發動機。

表1 大型軍用運輸機及特種飛機發動機參數

（2）為了降低技術難度和風險，強調繼承性，采用縮放技術，系列化發展。大涵道比渦扇發動機的研制和發展強調“繼承”，在充分利用已有經驗基礎上逐漸創新，同時通過發動機整機或核心機縮放快速獲得不同推力級的發動機產品，以實現降低研制費用，縮短周期，降低技術風險的目標。CFM56發動機就是基于F101發動機核心機技術基礎而研制的，其系列化發展（如圖1所示）始終以保證可靠性、延長使用壽命、滿足環保要求為目標，堅持走“大部分繼承，少部分更改”的道路。而Trent系列發動機（如圖2所示）通過縮放核心機也已經發展至第6代，推力范圍覆蓋235～422 kN。

表2 民用大涵道比渦扇發動機參數

圖1 CFM56發動機系列發展

圖2 Trent發動機系列發展

（3）成熟技術與新技術結合，發展新型號。對于新研的大涵道比渦扇發動機，主要在成熟技術的基礎上，采用部分已有發動機或研究計劃中驗證的新技術來提高和改善發動機性能。GP7200發動機的研制是GE和PW公司在原有的PW4090和GE90發動機基礎上，研究和突破了3維氣動設計、噪聲控制、低排放燃燒室、新材料和第3代FADEC等關鍵技術。同時如GE90、Trent XWB、CFM56系列發動機采用的先進技術，均在E3E、Tech56等發動機或研究計劃中得到充分驗證。

（4）進一步提高發動機部件效率和總體熱力水平。為滿足未來軍、民用運輸機對性能、環保性和可靠性的要求，進一步提高發動機部件效率水平和總體熱力循環參數是必然采取的措施。由于軍用運輸機使用頻率比民用運輸機的低，且對經濟性及成本要求也沒有民機要求苛刻，因此軍用運輸機發動機的涵道比不會增加太多，基本保持在目前水平，但是民用發動機涵道比有進一步增加的趨勢。

（5）滿足適航要求。隨著適航要求的逐步提高，未來大型軍、民用大涵道比渦扇發動機的發展趨勢仍然是進一步減少污染排放，降低發動機噪聲，提高安全性并減少壽命期運行成本。

（6）新型結構大涵道比渦扇發動機。常規結構渦扇發動機技術在國外發展已相當成熟，發展的空間已經有限。在石油價格需求日益增加的情況下，齒輪傳動風扇（GTF）發動機和槳扇發動機等新型結構發動機，由于其能有效降低噪聲和耗油率，將得到一定的發展。

3 中國大涵道比渦扇發動機發展方向及途徑

3.1 中國大涵道比渦扇發動機發展方向

根據軍、民用飛機對動力裝置的需求以及中國航空工業的發展，未來大涵道比渦扇發動機的研發可考慮以下幾個方向。

（1）戰略運輸機和戰略戰術運輸機動力裝置。該型發動機可雙發配裝于戰術運輸機，或4發配裝于戰略戰術運輸機，具有廣泛的應用前景。目前中國在研的戰術運輸機主要是小型運輸機，運載能力相對較小，無法滿足空軍運力以及發展需求；同時根據目前國際發展的趨勢，既具有戰略運輸機功能又具有戰術運輸機特點的新型運輸機受到了重視，需要配裝推力較大的大涵道比渦扇發動機。

（2）更大推力級的軍、民用大涵道比渦扇發動機。中國目前還沒有自主研制的大載質量長航程重型運輸機，從而制約了空軍對重型裝備的空中運載能力。美、俄等國家擁有的C-5、安-124、安-225等重型運輸機已經具備相當的數量，國內的運力無法與之抗衡。同時根據民航飛機的發展，民用發動機具有很大的市場空白和發展前景。

（3）新型結構大涵道比渦扇發動機。目前傳統結構大涵道比渦扇發動機的發展已經接近極致，因此提高效率和經濟性是發動機未來主要發展方向，即要開展新型結構大涵道比渦扇發動機的發展，如發展齒輪傳動渦扇發動機和槳扇發動機等，在國外已經得到了初步驗證。

3.2 中國大涵道比渦扇發動機發展途徑

根據中國的大涵道比渦扇發動機水平和發展方向，大涵道比渦扇發動機的發展應采取以下途徑。

（1）充分利用已有的研制基礎，轉化應用研制成果，以發展為主線，堅定不移地堅持自主創新，掌握知識產權。通過自主開展技術攻關，突破主要關鍵技術，解決技術落后的被動局面。

（2）雖然中國已經開展了大涵道比渦扇發動機的研制，并取得了一些成果，但與國際先進水平相比還存在技術基礎薄弱，部分關鍵技術尚未掌握等差距。因此在堅持自主創新的同時，積極開展對外合作，在合作中汲取先進技術，鍛煉設計隊伍，提升研制能力。

（3）重視軍民融合，同時認識各自的特性，在民用發動機適航、經濟性、安全性等方面開展深入研究，形成軍、民用大涵道比渦扇發動機獨立而完善的發展體系。

4 需突破的關鍵技術

雖然軍、民用大涵道比渦扇發動機技術具有較強的通用性，但由于使用方法和側重不同，仍有一些各自的技術特點。同時大涵道比渦扇發動機與中國研制的軍用小涵道比渦扇發動機相比，除在技術原理、理論基礎等方面有一定的通用性之外，在涵道比的大小、使用要求和側重點等方面存在不同，從而帶來了關鍵技術上的差異。軍、民用發動機關鍵技術對比見表3。

表3 軍民用發動機關鍵技術對比

4.1 大涵道比渦扇發動機共用關鍵技術

（1）總體方案設計技術（含飛發一體化和經濟性分析）。

（2）穩定性設計技術研究和驗證。

（3）整機動力學設計與減振技術。

（4）葉尖間隙控制技術。

（5）高壓比、高效高壓壓氣機設計技術。

（6）高效、高負荷高壓渦輪設計技術。

（7）高效、低噪聲多級低壓渦輪設計技術。

（8）空氣系統設計技術及驗證。

4.2 民用大涵道比渦扇發動機特有關鍵技術

（1）發動機/飛機整機噪聲預測分析及控制技術。

（2）高性能大尺寸風扇轉子葉片3維彎掠設計技術。

（3）寬弦空心/復合材料風扇葉片設計及制造技術。

（4）復合材料風扇機匣及包容環包容技術。

（5）風扇/增壓級低噪聲設計技術。

（6）風扇機匣及其降噪結構設計及制造技術。

（7）低排放、長壽命燃燒室設計技術。

（8）低排放燃燒室組織燃燒技術。

（9）燃用航空替代燃料燃燒室設計技術。

（10）排氣系統噪聲預測及降噪關鍵技術。

（11）控制系統安全性、可靠性設計和高可靠性、高壽命部件設計技術。

（12）預測與健康管理（EPHM）技術。

（13）適航技術。

（14）齒輪傳動發動機總體設計技術。

（15）大功率減速齒輪箱設計及制造技術。

5 結束語

大涵道比渦扇發動機是自主研制大型飛機的關鍵，發動機技術不突破，就無法掌握大型飛機研制的主動權。由于大涵道比渦扇發動機的研制技術難度大、研制周期長、費用高，為了提升國內發動機研制水平，滿足軍、民用飛機需求，應盡早明確發展方向，理清思路，開展關鍵技術研究和應用研究，同時開展新型循環發動機論證和探索，以實現中國大涵道比渦扇發動機研制水平的飛躍。

[1]潘振文.21世紀初軍用運輸機研制趨勢分析 [J].運輸機工程，2001（1）：12-18. PAN Zhenwen.Development of military transport aircraft by the early 21st Century[J].Transport Engineering，2001（1）：12-18.（in Chinese）

[2]胡曉峰.論發展我國軍用運輸機[J].運輸機工程，2001（5）：2-8. HU Xiaofeng.On the development of military transport aircraft[J].Transport Engineering，2001 （5）：2-8.（in Chinese）

[3]李廣義.國外大型軍用運輸機發展現狀與趨勢 [J].航空制造技術，2005（9）：36-43. LI Guangyi.Development status and trends of large for

eign military transport aircraft [J]. Aeronautical Manufacturing Technology， 2005 （9）：36-43. （in Chinese）

[4]世界飛機手冊編寫委員會.世界飛機手冊[M].北京：航空工業出版社，2001：601-910. World Aircraft Handbook Writing Committee.World aircraft handbook [M].Beijing:Aviation Industry Press, 2001：601-910.（in Chinese）

[5]沈虹，李兆慶.干線客機發動機的研制特點[J].航空航天，2007（2）：21-26. SHEN Hong,LIZhaoqing.Main characteristics oftrunk liner engine development[J].Aerospace,2007（2）：21-26.（in Chinese）

[6]梁春華.歐盟大涵道比渦扇發動機技術研究計劃 [J].航空發動機，2007，33（2）：57-58. LIANG Chunhua.Program of EuropeanUnionhigh bypass ratio turbofan engines technology [J]. Aeroengine,2007，33（2）：57-58.（in Chinese）

[7]胡曉煜.下一代窄體客機發動機最新進展[J].航空發動機，2010，36（1）：53-57. HU Xiaoyu.Latest development of next generation narrow aircraft engine [J].Aeroengine,2010，36 （1）：53-57.（in Chinese）

[8]Benzakein MJ.Propulsion strategy for the 21st Century a vision into the future[R].ISABE-2001-1005.

[9]Jeffrey K Schweitzer.Propulsion technology readiness for next generation transport systems [R]. AIAA-2003-2787.

Investigation of High Bypass Ratio Turbofan Engine Development

SHEN Xi-gang,QI Xiao-xue,HAO Yong
（AVICShenyangEngineDesignandResearchInstitute,Shenyang110015,China）

High bypass ratio turbofan engine has been widely used in global market, and it has remarkable promotion and strategy meaning on economy development,national defense construction,and science and technology improvement.The future development trend was summarized that including the performance is higher,the airworthiness requirement is stricter,the affordability and environmental protection ability are better.The development road was overviewed that is more inherent and less innovation,and is derivates from common core,and could be used in both military and civil.For future advanced high bypass ratio turbofan engine,the common and special technologies to be developed and demonstrated are proposed.The common technologies include general engine design,stability,high pressure and high efficiency turbomachinery,high performance combustor,advanced second air system,etc.The special technologies include airworthiness,large size lean-swept fan blade,composites fan blade,low noise design,low emission combustor,thrust reverser,etc.

high bypass ratio turbofan engine;development ideas;key technology

沈錫鋼（1963），男，自然科學研究員，中航工業沈陽發動機設計研究所副所長，主要從事大涵道比渦扇發動機總體設計工作。

2013-08-15