近日江蘇新揚新材料股份有限公司「航空航天用高性能複合材料及結構件的關鍵技術研發與產業化」獲獎,在該公司參與研製的複合材料風扇葉片已經進入試製件生產階段,標誌著中國已經掌握了這個關鍵技術,為國產大涵道比渦扇發動機性能升級打下了堅實的基礎。根據江蘇新揚公司透露的信息,國產複合材料風扇葉片將會用於CJ系列大涵道發動機,包括CJ1000A發動機,後者是C919客機配套發動機,CJ1000A換上複合材料風扇葉片之後,性能更好,耗油率更低,可以讓C919客機性能向前再邁進一步,有效增強了客機在國內外市場的競爭能力。
C919客機現在採用進口的LEAP-X1C發動機
它採用了複合材料風扇葉片對於大涵道比渦扇發動機來說,風扇葉片是關鍵部件之一。
它的作用就是將空氣吸入,為燃燒室提供源源不斷能量,所以風扇葉片性能好壞很大程度決定著發動機性能。從渦扇發動機原理我們可以知道,發動機涵道比越大,油耗越低,因此現代民用客機發動機涵道比呈現增加趨勢。不過這樣就產生一個問題,那就是發動機涵道比越大,風扇直徑相應也會增加,重量隨之上升,根據相關資料,風扇質量已經佔據到發動機整機重量三分之一左右。風扇重量增加之後,還會帶動機匣、傳動系統重量上升,飛機機體和結構重量也要跟著增加,結果致飛機結構重量提高,降低飛機經濟性。這樣就產生一個矛盾,想提高涵道比必須採用更大風扇葉片,但是更大風扇葉片又意味著更大的重量,又會影響飛機經濟性,為了解決這個問題複合材料葉片就出現了。複合材料葉片顧名思義就是葉片採用碳纖維製成,由於碳纖維比金屬輕的多,所以複合材料葉片重量要比金屬葉片也要輕的多。例如比現有鈦合金葉片輕一半左右,效果可以說非常顯著。根據相關資料,C919客機的LEAP發動機就採用了複合材料葉片,發動機重量比採用鈦合金葉片的發動機減少接近500公斤,加上機體降低重量,飛機結構重量降低1000公斤左右,這對於客機來說會產生非常大經濟效益。另外一方面複合材料也要比金屬更好加工,更容易製成複雜曲面,這樣葉片工作的時候會更加貼合氣流,提高工作效率。相比較之下金屬葉片加工成複雜曲面就非常困難,從而降低發動機工作效率。不過風扇葉片工作的時候高速旋轉,還要承受外力衝擊,對於葉片強度、剛度要求較高,難度非常大。當年羅羅公司研製複合材料葉片遲遲未能取得突破,一度處於破產的邊緣,英國政府不得不將它國產化。羅羅公司是現代民用航空發動機三大巨頭之一,研製複合材料葉片都如此艱難,其中難度可想而知。
國產CJ1000A渦扇發動機,它將用於C919客機
CJ1000A結構示意圖,它採用鈦合金風扇葉片中國相關單位研製第一代國產大涵道比渦扇發動機的時候,考慮到國內碳纖維水平、複合材料葉片研製難度,所以沒有採用複合材料葉片,仍然採用了鈦合金葉片。隨著國內碳纖維技術提高,已經能夠量產T800級別碳纖維,從而研製國產複合材料葉片打下了堅實的基礎。而江蘇新揚新材料股份有限公司通過引進技術組建專業團隊,突破了一系列技術難關,獲取大量的數據,為國產複合材料葉片工程化鋪平了道路。國產複合材料葉片研製成功之後,將會替代現有鈦合金葉片,提高國產大涵道渦扇發動機性能,從而進一步推動國產客機、運輸機性能升級。
在研大渦扇從14噸級推力直接到35噸以上,20噸級何在?
目前在研發的民用渦扇發動機,作為重中之重的CJ1000A的額定推力在13噸到14噸之間,最大推力也不會超過15噸。而另外一個作為預研的型號,也就是CJ2000AX發動機的額定推力,就直接一步到位的跳到了35噸級,甚至還可以進一步加大推力。這樣在兩者之間就形成了20噸以上的巨大推力差異。為何會出現這種現象?那麼還有沒有在研的20噸級推力的大渦扇?未來會不會出現推力高達50噸級的自產超級大渦扇發動機?瀚海狼山(匈奴狼山)個人認為,目前出現這類現象本身是正常的。首先大涵道比渦扇發動機推力要配合目標大型客機的需求。而當今全球銷量最大,應用面最廣的發動機,第一是150座以下的雙發單通道支線客機;第二是280座以下的雙通道雙發洲際客機。這兩種類型幾乎佔當今全球,
運行中客機總數的70%以上,也是最容易盈利的類型。除此以外更小的客機和更大的4發巨型客機,反倒越來越不是主流。起飛重量超過380噸的4發的747系列,因為油耗偏大,機型較老,紛紛被更省油的雙發洲際客機替代。而起飛重量達到500噸級,堪稱豪華豪華的4發的A380居然也因為載人太多,上下飛機太麻煩也被市場接近自動淘汰了。客機對動力的推力值要求不是特別嚴。只要滿足推重比在25%左右就完全符合要求;而油耗、環保、靜音性能反倒是更被看重的。150座以下客機的起飛自重在80噸到100噸之間,雙發推力只要超過25噸即可。而280座以下的洲際客機的最大起飛重量不超過300噸,因此雙發推力超過70噸也完全達標了。這兩種客機目前恰恰就是正在試飛階段的919和進入研發階段的929;因此CJ1000A和CJ2000AX;也作為配套的發動機進入研發攻關而且進度順利。至於說推力在35噸以上直到50噸以上的巨型發動機,主要為350噸以上起飛重量的巨型客機或者巨型運輸機研發。其實目前全球僅有2種,最多也不超過3種的45噸推力以上的在役巨型渦扇。而且還都是從35噸級推力的大渦扇,再放大風扇尺寸進化而來。因此可以說,只要突破了35噸級大渦扇的技術門檻,那麼再進化到50噸級的超級推力就變得相對容易。而真正的困難在於如何首先實現35噸級大渦扇的突破。在整個蘇聯時代,推力最大的渦扇也沒有達到25噸級的水平,最高只在23噸到24噸之間徘徊。因此CJ2000AX的研發目標,已經遠遠超過了蘇聯時代的最高理想,開始往全球航發第一集團邁進。已經實現了核心機的一次性點火成功,這是一個非常好的開端。而CJ1000A的進度則更加可喜,已經在為批量上天試飛進行前期的Z標工作。
事實上在當今全球,真正從8噸級、13噸級、15噸級、18噸級、25噸級、35度級一直到55噸級的大涵道比渦扇全部型號齊全的國家,只有超級大國一家。而新興大國作為剛剛在這方面發力不到十年的後來者,已經開始研發35噸級推力的大渦扇,也算相當不得了。目前的型號線有缺項實屬正常。其實很可能已經有18噸到20噸級推力的中間產品,這就是WS20。如果其風扇直徑真的在2.2米以上。額定推力起碼到18噸是非常正常的。