航空動力三巨頭的合縱連橫與技術路線之爭

2020-09-13 尖端工業觀察


GE9X發動機超級誇張的直徑


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作者：尖端工業觀察


在航空發動機產業，美國的GE航空、英國的羅爾斯·羅伊斯公司（以下簡稱「羅羅公司」）、美國的普拉特·惠特尼公司（以下簡稱「普惠公司」）絕對稱得上三巨頭，目前世界上的民用航空發動機基本出自這三家或者相關聯的公司。航空發動機的開發風險巨大，投資巨高，時間巨長，為了分攤風險，三家公司上演了一出精彩的「三國演義」。


合縱連橫

GE航空的逆襲之路

GE航空作為通用電氣集團（GE）的子公司之一，背靠工業界巨無霸，百年老店，實力雄厚。但在20世紀六七十年代，普惠公司是全球民用航空發動機市場的絕對霸主，其市場佔有率達90%！

統治市場的是普惠公司JT系列發動機，此發動機屬於小涵道比渦扇發動機，在70年代全球燃油危機的國際環境下顯得非常不合時宜。於是GE航空想要設計一款更大涵道比從而更省油的發動機挑戰普惠公司的霸主地位。

此時，在軍用航空發動機領域頗有建樹的法國斯奈克瑪公司（2016年改名賽峰公司）分析市場形勢後，也想進入這一市場。但由於自己在民用發動機領域的產品不多，缺乏信心，想找一個合作夥伴分擔風險，於是兩家公司一拍即合，成立了CFM國際公司，各出一半資金。

為了提高研發進度，GE拿出了當時世界上最先進的核心機（包括高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪三大部件）--由GE研發的F101軍用發動機的核心機。有F101軍用發動機高性能且高可靠性的核心機技術作為基礎，再由斯奈克瑪公司承擔風扇、低壓渦輪及其他附屬系統的研發工作。

合資公司CFM國際公司拿出的第一款產品是CFM-56發動機，一經推出，迅速佔據窄體客機的市場，CFM-56系列發動機成為目前最成功的的民用航空發動機，沒有之一。目前有28000臺的CFM-56系列發動機在使用，全球有600家運營商。有人做過統計，每3秒就有一架裝載著CFM-56系列發動機的客機從世界各地的機場起飛。


CFM-56發動機


進入21世紀之後，CFM國際公司又研發出了LEAP系列發動機，LEAP-1A發動機作為空客a320neo飛機的發動機、LEAP-1B作為波音737MAX飛機（就是前兩年連著墜毀兩架飛機後被勒令停飛的那型飛機）的發動機、LEAP-1C發動機則裝配在國產大飛機C919上，該發動機與CFM-56系列發動機相比燃油消耗可減少16%、二氧化碳排放量可減少16%、氮氧化物不足CFM-56的60%，而且噪音更低。作為未來窄體客機的主要發動機，LEAP系列發動機的未來可謂一片光明。


LEAP發動機


失敗者聯盟

風水輪流轉，在CFM-56發動機的衝擊下，原本佔據窄體客機絕對霸主地位的普惠公司差點就被擠出民用發動機市場。於是普惠公司拉著一眾小夥伴成立了IAE公司，普惠公司佔30%的股份，負責燃燒室，高壓渦輪和渦輪排氣機匣的研製，羅羅公司佔30%的股份，負責高壓壓氣機部分研製，由日本石川島播磨重工業公司（IHI）、川崎重工業（KHI)和三菱重工業(MHI)組成的日本航空發動機公司佔19.9%的股份，負責風扇和低壓壓氣機的研製，德國MTU公司佔12.1%的股份，負責低壓渦輪研製，義大利菲亞特佔8%的股份，負責附件齒輪機匣部分研製。

該公司研發出的第一款產品也是唯一一款發動機--V2500航空發動機，由於可靠性、維修經濟性方面不如CFM-56發動機[1], 目前裝機量遠遠小於CFM-56發動機。


V2500發動機


三種技術升級之路

航空發動機實際運行是一個吸氣--壓縮--燃燒--膨脹--噴氣的循環過程，所以要提高發動機的效率，就要提高燃氣的渦輪前溫度和總壓比。

為了實現這一點，三家公司有不同的解決方案！


差點導致羅羅公司破產的技術升級之路

事實上，羅羅公司並沒有把太多精力放在V2500的研發上，此時的羅羅公司正在另闢蹊徑的研發自己的RE-211大涵道比三轉子發動機。


RE-211發動機 很明顯的三轉子


我們都知道發動機的推力和發動機尾部噴出氣體的溫度沒關係，所以現在大涵道渦扇發動機都會通過兩個轉軸（高壓和低壓）來提高總壓縮比，將儘可能多的熱量都用來做功。但為了提高熱效率，羅羅公司選擇增大壓氣機的增壓比（轉速）。

但低壓轉軸上連接著大風扇，限制了低壓壓氣機轉子的轉動速度。所以羅羅公司想到再增加一級轉軸來負責做功推動風扇轉動，這就有了高壓、中壓、低壓三套渦輪帶動的三套系統，即三轉子發動機。

增加一個轉軸，發動機複雜性立馬上升，在十分擁擠的發動機內部也根本無法塞下再多一個轉軸，所以三轉子技術只適合大尺寸發動機，即大型寬體客機的動力裝置。

由於對項目風險估計不足，技術驗證不充分，項目的進行比預期困難得多。最終，這個項目的巨額投入導致羅羅公司瀕臨破產。但航空發動機產業作為國之重器，英國政府不可能讓其倒閉，最終將其收歸國有，羅羅公司變成了英國的國企。

在政府的支持下羅羅公司完成了三轉子發動機的研製，該技術開發的Trent系列發動機在市場上大獲成功，幫助羅羅公司在寬體客機市場佔據領先地位。


羅羅公司Trent XWB發動機


普惠公司神奇的齒輪傳動渦扇發動機


普惠被更多人知道的是軍用發動機 圖為F135發動機 裝在F-35上


普惠公司通過V2500發動機剛剛挽回頹勢，就想通過技術升級來獲得更大的市場。普惠公司和羅羅公司一樣，都是增大壓氣機的增壓比（轉速）提高熱效率，但普惠公司是將低壓轉軸和風扇斷開，中間加入一個3：1定傳動比的齒輪箱，讓低壓渦輪的轉動不受風扇的影響，以至於低壓渦輪工作起來像高壓渦輪一樣有效率，從而大幅度提高了總壓比！


定傳動比齒輪箱


但說起來容易做起來非常難。齒輪箱非常狹小，可靠性還必須非常非常高才不至於空中停車。要在非常小的空間裡最終實現99.8%傳動效率，承受著600kw的廢熱而不至於出問題，可以說定傳動比齒輪箱絕對是人類工程學傑作。

通過超過20多年的臥薪嘗膽，終於在與德國MTU公司合作下，終於研發出創新性的齒輪傳動渦扇發動機--PW1000G，相對於現役的民用航空發動機，PW1000G發動機燃油消耗降低15%，維護成本降低了20%，噪聲降低了75%，汙染物降低了50%。


PW1000G發動機剖面圖 可以很明顯看到風扇後面的齒輪箱


該發動機作為空客A220飛機、三菱支線噴氣飛機、巴西航空工業E-Jets E2飛機的專用發動機，也是俄羅斯MC-21和空客A320neo飛機的選用發動機之一。


穩穩地GE

GE航空上面兩巨頭不一樣，憑藉著CFM-56發動機和LEAP發動機在窄體客機市場獨佔鰲頭，GE航空想同時穩住自己的寬體飛機市場，於是GE航空的技術革新之路走的相對比較保守。

GE航空選擇使用單晶葉片和熱障塗層，提高燃氣的渦輪前溫度，從而提高渦輪機的功率和效率；將發動機運轉時需要葉肩互相鎖緊的鈦合金葉片改用為3D優化空氣動力學的碳纖維風扇（葉刃處為鈦合金包裹來保護脆性的碳纖維），由於本身超寬弦，大曲率，所以完全捨棄了葉肩，而且它的葉片外面一部分是工作在超高速，利用超高速激波來增壓，而且葉片數量更少，重量更輕。


鈦合金包裹的碳纖維葉片


陶瓷基熱障塗層


應用這些技術，GE航空開發出了GEnx系列發動機，在寬體客機市場與羅羅的Trent系列發動機形成競爭，最新研發的GE9X發動機風扇直徑達到了3.35米，直徑跟C919飛機的直徑不相上下。試車推力達到了134300磅（597400牛），創造了新的金氏世界紀錄。可以說GE在民用航發市場穩健如一！


未來，三巨頭有互相學習對方技術來進一步提升自家航空發動機性能的趨勢！在這裡也特別祝願我們的CJ1000A發動機早日裝上C919大飛機。早日參與到這場大競爭中來。


參考文獻：

[1] 三種典型民航發動機：V2500、CFM56-5B、CFM56-7B的維修經濟性對比研究。劉瑞新，趙季勇

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