2023年民用航空動力進展

■ 廖忠權 / 中國航空發動機研究院

2023年是世界民用航空發動機行業自新冠疫情結束后復蘇的一年，在研產品、技術以及正在運營中的發動機都取得了不同程度的新進展。

為了實現2050年凈零排放目標，目前航空業界對電能和氫能都高度關注；但在較長時期內，民用航空運輸特別是遠程運輸動力仍將以燃氣渦輪發動機為主，這既是當前技術所限，也是航空運輸發展的慣性使然。對此，以GE公司、普惠公司、羅羅公司和賽峰集團為代表的傳統發動機制造商都在積極通過開發新技術、驗證新型核心機、采取新工藝、升級在役產品、發展可持續航空燃料（SAF）等措施，鞏固自身在燃氣渦輪發動機領域的領先地位。

技術創新歷久彌新

航空發動機制造商對技術創新的追逐從未停歇，2023年也推出了一些革新性的前沿技術和產品，既有創新的動力設計，又有創新的設計工具和制造工藝。

MT公司開發新型螺旋槳

2023年1月， 德國MT螺旋槳公司推出首型11葉螺旋槳。飛行測試結果表明，11葉螺旋槳比公司已認證的5葉螺旋槳的靜推力提升了15%，同時噪聲顯著降低；使螺旋槳飛機的速度達到740 ～750km/h，接近噴氣飛機的800 ～900km/h；比噴氣飛機燃油效率高30%。從而使螺旋槳飛機具有替代噴氣飛機的潛在可能性。

11葉螺旋槳與5葉螺旋槳在飛行試驗臺上進行對比測試

羅羅公司和波音公司合作開發短進氣道

發動機短艙的性能會影響動力系統效率，羅羅公司和波音公司在美國聯邦航空局（FAA）的持續降低能耗、排放和噪聲（CLEEN）環境研究計劃的第二階段合作中，開發和測試了一種直徑僅2.8m的短進氣道，比傳統發動機短艙進氣道縮短了約50%，浸潤面積更小，短艙質量減輕超過159kg，使油耗降低約0.5%。

MTU公司推進創新推進概念

在混合電推進的可持續噴水渦扇（SWITCH）項目的基礎上，2023年11月，MTU公司在迪拜航展上展示了面向未來的創新推進概念——基于齒輪傳動的水增強渦扇（WET）發動機和飛行燃料電池（FFC）。WET發動機是一型結合了能量回收和濕式燃燒的發動機，可燃燒SAF或氫燃料；FFC只排放水，對大氣的碳排放可以減少95%，MTU公司的目標是到2050年將其運用到中程飛機上。這是MTU公司針對零排放飛行開發的清潔航空發動機（Claire）技術解決方案。

UEC降低渦輪葉片制造成本

俄羅斯聯合發動機制造集團（UEC）旗下土星科研生產聯合體的綜合零件加工技術，采用公司開發的現代研磨工具，取代傳統的車削、銑削、磨削與電火花加工工藝，提高了加工效率及精度，渦輪葉片制造成本下降了35%。

在研產品取得新進展

2023年，發動機制造商對先進燃氣渦輪發動機的研究始終沒有松懈，各自在研的產品都取得不同程度的進展。

水增強渦扇發動機模型

“超扇”發動機技術驗證機試車取得成功

2023年5月，羅羅公司在位于德比工廠的80號試車臺上完成了“超扇”（UltraFan）發動機技術驗證機的首次試車，且使用了100% SAF。發動機采用了Advance3核心機、碳鈦風扇葉片、復合材料機匣和齒輪傳動風扇，其動力齒輪箱運行功率曾達64MW，創下世界紀錄。11月初，驗證機完成最大推力試車，推力達到了377.85kN，比設計時的目標推力高22.23kN。

普惠加拿大公司將推出新型PW545D發動機

2023年5月，普惠加拿大公司宣布將為德事隆航空公司的賽斯納“獎狀”系列新機型——雅晟（Ascend）公務機推出新型PW545D渦扇發動機。PW545D發動機是PW500系列的最新改型，基于PW545C發動機開發，采用了新材料和新技術，主要包括更高效的高壓壓氣機、升級的單級高壓渦輪模塊，以及先進的排氣混合器。

“珍珠”700發動機獲得FAA適航認證

2023年8月，FAA向羅羅公司的“珍珠”700發動機頒發了型號合格證，該發動機于一年前已獲得歐洲航空安全局（EASA）的型號合格證。發動機將配裝灣流公司的G700和G800大型公務機，推力為81.2kN，比羅羅公司上一代公務機動力BR725發動機的推力提高了8%。

霍尼韋爾公司試驗新一代公務機發動機核心機

自2010年以來，霍尼韋爾公司一直在進行CLEEN計劃前兩個階段的研發工作，開展公務機發動機高壓核心機研究。2023年，霍尼韋爾公司在CLEEN計劃的第三階段研發中增加了新的項目，包括緊湊型高功率低壓渦輪和高效風扇模塊等低壓系統的研究，并計劃在2024年進行高壓核心機、風扇和低壓渦輪模塊試驗。

PD-35 發動機成功進行首次核心機試驗

2023年10月，UEC對PD-35發動機進行了首次核心機試驗，試驗在模擬全尺寸發動機工作條件下進行。PD-35發動機是俄羅斯歷史上尺寸最大的渦扇發動機，風扇直徑達到3.1m，于2016年開始研制，預計于2030年開始批量生產，計劃配裝安-124大型軍用運輸機和伊爾-96-400M遠程寬體客機。

賽峰集團將領導開式轉子發動機項目

在航空環境低影響開式轉子（OFELIA）項目下，賽峰集團將與26家歐洲工業關鍵合作伙伴共同開展新型開式轉子發動機技術驗證。OFELIA項目為期3年，從2023年1月持續到2025年12月，總投資1億歐元，目標是驗證2035年投入使用的窄體飛機發動機開式轉子架構的優勢，路線圖包含20多項測試，2026年將在一架A380飛行試驗臺上開始進行飛行測試。賽峰飛機發動機公司、Avio公司和吉凱恩（GKN）公司將合作設計制造開式轉子發動機驗證機的部件。

RISE發動機通過概念評審里程碑

2023年11月，GE公司和賽峰集團完成可持續發動機革新技術（RISE）項目開式轉子發動機的概念設計評審，共進行了100余次測試。RISE項目主要特征包括直徑3.96m的開式轉子、大功率齒輪傳動系統和緊湊型高壓核心機。該項目還包括混合電推進和氫能研究，11月在美國國家航空航天局（NASA）電推進飛機試驗臺進行了測試，已經驗證了GE公司的混合電推進系統結構，為RISE項目發展混合電推進渦扇發動機奠定了基礎。

開式轉子發動機安裝在A380上測試構想

在役產品持續升級

GE公司、普惠公司和羅羅公司紛紛開展既有產品的技術升級，專注提升各自主打產品的耐久性、可靠性和在翼時間。

GE公司提升發動機在多塵地區的耐久性

GE公司正在小幅改進并測試LEAP發動機的一些部件，包括燃油噴嘴、高壓渦輪葉片和尾噴管，以解決LEAP發動機在印度和中東這些多塵的國家和地區的耐久性。由于沙塵多的環境增加了發動機的維護需求，GE公司此前已經修改了配裝波音787飛機的GEnx發動機和配裝波音777飛機的GE90發動機的一些關鍵部件，解決了沙塵環境下的耐久性問題。其中，針對GE90發動機改進了機匣、燃油噴嘴、葉片和燃燒室襯套，而這些前期工作為解決LEAP發動機類似的耐久性問題提供了基礎。

羅羅公司提高遄達7000和遄達1000發動機在翼時間

高壓渦輪葉片是配裝空客A330neo飛機的遄達 7000發動機和一些配裝波音787飛機的遄達1000發動機上的限壽件。羅羅公司提出開發一個可翻新的升級包，以提高高壓渦輪葉片耐用性，進而提高發動機的在翼時間。早在2022年8月，用于遄達7000發動機的耐用性增強包已經獲得適航認證，如今科威特航空公司已在使用，延長了發動機的在翼時間。早于該增強包推出的遄達7000發動機可在其首次大修期間接受升級。同樣的升級包也適用于遄達1000TEN發動機，羅羅公司計劃在2024年年初應用于該發動機，2025年時將其在翼時間增加一倍。

此外，羅羅公司還計劃利用“超扇”發動機的技術改進配裝A350-1000飛機的遄達 XWB-97發動機，以提高可用性、效率和可靠性，這些計劃包括碳鈦風扇葉片、低排放燃燒室以及高溫材料和部件。

配裝A330neo飛機的遄達7000發動機

波音公司重新設計737NG飛機發動機短艙

美國西南航空公司波音737-700飛機曾發生了兩起因風扇葉片脫落（FBO）引起的非包容性事故，脫落的風扇葉片擊穿了發動機短艙進入了機身。2021年8月，波音公司提出了短艙新的設計方案，以保證短艙不再發生非包容性事故。2023年7月，波音公司完成了737NG發動機短艙的重新設計和改進工作。FAA要求波音公司于2028年8月前完成對737NG運營商的短艙改造，在2029年年底之前提供與新設計相關的維護補救計劃。

GE公司已交付的GE90發動機達3000臺

GE90系列發動機專為波音777系列飛機設計，于1995年投入市場，截至2023年9月，GE公司交付了第3000臺GE90生產型發動機。其中，408臺為GE90-94B，2592臺為GE90-115B。GE90發動機創造了許多首次紀錄：首型使用碳纖維復合材料風扇葉片的商用發動機；首型推力超過444.5kN的商用發動機；首型通過雙發延程飛行（ETOPS）認證的發動機；首型通過增材制造部件認證的商用發動機（T25傳感器機匣）；首型使用雙環腔燃燒室的商用發動機。

普惠加拿大公司實現重大里程碑

截至2023年10月，普惠加拿大公司達到了一系列里程碑，包括發動機累計飛行10億h、PT6發動機誕生60周年，以及5月份第6000臺PW300系列渦扇發動機的交付。11月，用于ATR42-600S支線客機的PW127XT-L發動機獲得加拿大交通部適航認證，這是公司發動機第200次獲得認證。

新變化影響未來格局

近年來，在世界民用航空發動機領域發生的重大變化主要有兩個：一是羅羅公司希望回到窄體客機動力市場；二是美國和歐洲制裁俄羅斯，迫使俄羅斯不得不采取國產化替代策略，同時民用航空的對外擴展也受到了限制。

羅羅公司希望重返窄體客機市場

羅羅公司自2012年將其在國際航空發動機（IAE）公司V2500發動機項目中的股份出售給普惠公司以后，就沒再參與生產單通道干線客機發動機。近年來，羅羅公司多次表達了對重返窄體客機發動機市場的樂觀態度，認為“超扇”發動機架構可適用于111 ～489kN推力范圍內的窄體或寬體客機，效率可比遄達 XWB發動機提高10%。

用于ATR42-600S支線客機的PW127XT-L發動機

俄羅斯用國產化替代應對制裁

俄烏沖突導致美國和歐洲對俄羅斯發起全面制裁。此前，EASA接收了PD-14發動機認證費卻仍然中止了對PD-14發動機的認證，限制了該發動機的市場應用。俄羅斯的民用航空產業也不能繼續獲得美國和歐洲供應的相關配套產品。對此，為了自救圖存，俄羅斯發起國產化行動，用國產產品替換進口產品，并開發適用和配裝國產產品的改進型客機。

針對MC-21干線客機，俄羅斯伊爾庫特公司開發了改進型飛機MC-21-310，用國產復合材料機翼組件替換相應的進口組件；用國產PD-14發動機替換最初采用的普惠PW1400G發動機。俄羅斯預測，到2030年超過50%的PD-14發動機生產任務將由UEC下屬的彼爾姆發動機公司承擔，該公司預計將生產450臺PD-14發動機。2023年4月初，彼爾姆發動機公司已開始批量生產該發動機。

針對SSJ-100支線客機，蘇霍伊航空控股公司改型研制了SSJ-NEW客機，用國產PD-8發動機替換原裝的賽峰集團和土星科研生產聯合體共同研制的SaM146發動機。2023年8月，SSJ-NEW試驗樣機完成首飛，為加快試驗進度，首臺試驗樣機依然采用了SaM146發動機。10月，PD-8發動機裝在伊爾-76LL飛行平臺開始飛行試驗。目前，SSJ-100客機的部件、附件和系統的國產化替代工作正在全面開展。

UEC還計劃建設大型飛機和直升機發動機零件加工綜合體，投資總額為350億盧布（4.7億美元），其中4個主要生產設施計劃于2026年完工，占地總面積7.7萬多m2，UEC將在新設施生產TV7-117ST-01/02、PD-14、PD-8飛機發動機和VK-650V、VK-1600V直升機發動機的零件。此外，還將建設增材制造技術中心，生產復雜結構零件。

SAF亟待增產降本

SAF作為航空新能源，與氫能、電能頗有不同，是即插即用的航空煤油替代燃料，無需對飛機和發動機設備或基礎設施進行任何修改，就可以直接使用，當前SAF面臨的主要問題是如何增加產能和降低成本。

SAF將長期存在

目前，全球使用的噴氣動力燃料中，SAF產量約占0.1%，成本則是化石燃料的2 ～9倍。GE公司認為，盡管目前SAF占比小、產量少、價格貴，但將長期存在。因為航空運輸業為了實現2050年凈零排放目標，SAF將是關鍵一環。目前全球已有超過50萬次航班使用SAF，業界已經研究SAF超過15年，如今GE公司、普惠公司、羅羅公司、賽峰集團等都對SAF開展了廣泛的研究，以使各自的民用航空發動機可適用經批準的SAF。

SAF的價格到21世紀中期仍將是煤油的兩倍

全球戰略咨詢公司LEK在一份報告中表示，要實現SAF到2050年65%采用率的目標，全球產能需要從目前的每年不足100萬t躍升至每年4億t以上；但即使到21世紀中期，價格仍將是煤油的兩倍多。報告認為18%的機票價格漲幅可涵蓋這一額外成本，而不會嚴重影響銷量。

航空業尋求SAF增產

2023年9月，空客公司與美國DG燃料公司建立了SAF戰略合作伙伴關系，從纖維廢舊料和殘留物（木材廢料等）中獲取原料并利用風能和太陽能等可再生能源生產SAF。10月，漢莎航空公司、德國航空航天中心、空客公司、慕尼黑機場有限公司和MTU公司的代表在柏林簽署了一份技術合作意向書，共同研究被認為是下一代SAF的電轉液（PtL）航空燃料，此次技術合作的目的是加快德國PtL航空燃料的技術選擇、市場引入和工業規模化。

未來市場需求巨大

隨著新冠疫情的結束，航空運輸業逐漸復蘇，雖然2023年尚未完全恢復到2019年的水平，但未來10年航空運輸業將迎來持續復蘇和增長，隨之而來的是商用航空發動機交付以及維護、修理和大修（MRO）市場的穩步攀升。

2024—2033年世界商用航空發動機市場持續增長

未來10年全球在役商用航空發動機數量預計將從2024年的67800余臺增加到2033年的89700余臺，期間年增長率在3.2%。而全球商用航空發動機MRO市場預計將超過5530億美元，復合年增長率也為3.2%。CFM國際公司將獲得發動機MRO市場的最大份額，占全球的32%，其次是GE公司占30%。

亞太地區市場保持穩步增長

2024—2033年亞太地區商用航空發動機交付的復合年增長率預計將達到4.9%，到2033年將交付超過8400臺新發動機，發動機數量從2024年的略多于10000臺增加到2033年的超過15400臺。其中，CFM國際公司將占所有交付量的64%；普惠公司的份額為12%；GE公司的份額為11%（不含CFM份額）。亞太地區商用航空發動機MRO支出預計將以1.7%的復合年增長率增長，總價值達到1018億美元，占全球市場份額的18%。

2024—2033年亞太地區MRO價值構成預測

結束語

2023年是新冠疫情結束后的第一年，也是世界民用航空產業全面復蘇的一年，世界領先的航空發動機制造商都在推動各自產品和技術的發展。本年度民用航空發動機的發展主要有幾大趨勢和特點：一是技術創新體現在發動機設計、制造的多個環節；二是主要制造商都在開發新型發動機技術和產品，已經取得階段性成果，為未來競爭做準備；三是目前已經投入運營的新一代航空發動機，例如，LEAP、PW1000G、GEnx、遄達7000等都還在持續臻于完善，制造商都在設法提升拳頭產品的性能、可靠性和耐久性；四是俄羅斯被美國和歐洲制裁，其航空業近乎成了孤島，被迫救亡圖存，走國產化替代之路；五是民用航空業對SAF的關注有增無減，力圖增產降價；六是未來較長時期，民用航空運輸將持續穩步增長，航空發動機需求數量龐大，市場前景依然向好，其中MRO市場價值尤其可觀。