新一代宽体客机发动机研发动态

孙敏

随着飞机制造商对动力要求的不断提高，发动机制造商们正在“加足马力”进行新一代产品的研发。与窄体客机动力市场如今群雄逐鹿的境况不同，在宽体客机动力市场，罗罗和GE公司的地位在短期内依旧无人能够撼动。但是这两家发动机制造商并没有因此懈怠，为了争夺更多的市场份额，双方都在加快进行新一代大涵道比涡扇发动机的研发。尽管从技术层面来看，双方在下一代发动机产品的研发理念上略有不同，但从现有的试验数据来看，双方新一代发动机产品在性能上相比现有产品，都有了质的飞跃。

日益紧密的战略联盟

目前，全球大型/中大型涡扇发动机市场基本被罗罗公司和GE公司所垄断，两家公司的合计订单约占全球市场97%的份额。近年来，随着宽体客机市场的竞争日益激烈，飞机制造商和发动机制造商已经形成了一定的联盟。

与过去一个机型搭配多款发动机不同，現在一些新型号的飞机往往只选择一款发动机为其配套。在新一代宽体客机中，除了787-10确认订单中有GEnx-1B76和遄达1000-76两款发动机可供选择之外，其余机型都只装配一款发动机。

GE公司在研的全球最大发动机GE9X就是为波音新一代777X量身定制的一款产品。在波音开始酝酿777X项目时，GE、普惠和罗罗都提出了各自的产品方案。其中，GE提出在GE90和GEnx两款成熟产品的基础上发展新型大涵道比涡扇发动机GE9X；普惠给出的方案是提供推力达到440kN的齿轮传动风扇发动机PW1000G；罗罗则提出在遄达1000和遄达XWB的基础上研发RB3025项目。

由于在波音提出777X项目之前，GE已经开始着手GE9X的研发，因此当波音在2013年11月正式宣布启动这一项目时，GE已经完成了一部分零部件试验工作。例如，GE在2013年年初进行了高压压气机试验，年中进行了复合材料的性能和运转试验等。在波音的其他项目上，双方已经在某种程度上结成了战略联盟，因此最终波音宣布GE9X为777X系列飞机的唯一动力选型。

作为同属欧洲的企业，罗罗则与空客在诸多项目上进行了合作。早前，罗罗就为空客改进后的A330neo量身定制了遄达7000发动机。作为一款采用遄达XWB发动机核心机、吸取了遄达1000、遄达XWB和遄达700发动机技术和经验后推出的一款产品，遄达7000的发动机涵道比从5提高到10，总压比从36提高至50，燃油效率提高近10%。A330neo投入运营后，遄达7000的表现不俗。

但罗罗为787系列飞机所提供的遄达1000发动机则遇到了一些问题。遄达1000发动机项目2004年启动，同年被选为787系列飞机的两款可选动力之一。2011年，全日空航空装配遄达1000发动机的787完成首次商业运营，标志着遄达1000发动机正式投入运营。

经过多年的发展，遄达1000发动机共有4个系列，分别是A、B、C系列和最新的遄达1000-TEN。其中，A系列是最初用于取证的型号，取证后就不再生产，B系列是标准生产型，C系列是在B系列的基础上改进了风扇和高压压气机设计的产品，2012年装配787-9进行首飞。最新的遄达1000-TEN是在遄达1000的基础上，经过多方面改进后推出的第三代衍生产品，该项目于2012年启动，当时是专门为波音加长版的787-10飞机量身定制的一款产品。如今，这款发动机已经成为787全系列飞机的可选发动机。截至2018年4月，波音共交付了678架787系列飞机，其中的261架选装了遄达1000发动机。

但从2016年开始，遄达系列发动机故障频发，问题主要集中在涡轮叶片腐蚀和压气机叶片的断裂。2018年4月，美国联邦航空局和欧洲航空安全局先后发布了紧急适航指令，下调了装配遄达1000发动机的波音787飞机双发延程飞行时间，并要求大规模检查和返修该型发动机，这一事件使得遄达1000发动机成为全球民航业关注的焦点。

为了尽快解决问题，罗罗调用了大量的工程技术力量，针对涡轮叶片的腐蚀问题，罗罗已经公布了发动机涡轮叶片更换计划，因此这一问题对航空公司的运营影响有限。但压气机叶片断裂的问题至今还没有完全解决，考虑到787系列飞机还有GEnx-1B这一可选动力装置，因此对于罗罗来说，只有尽快解决问题，才能保证在787机队中占据更多的份额。

各显神通的技术方案

在下一代产品研发中，罗罗和GE都致力于通过提高总压比、新材料使用率、涵道比和部件效率等方式来实现整机热效率的提升，以实现燃油效率的提高。如今，双方都在充分利用各自的技术储备，通过不同的技术路径，努力实现新一代产品燃油效率质的飞跃。

凭借RB211发动机打了一场漂亮的翻身仗之后，三转子发动机技术成为罗罗打开商用航空市场大门的“金钥匙”。在遄达系列发动机大获成功后，罗罗又宣布在最新的遄达XWB的基础上，在2020年和2025年推出Advance和UltraFan两款全新的发动机。其中，Advance项目着重提高热效率，UltraFan项目的目标是提高推进效率。

根据计划，Advance发动机将采用遄达XWB的风扇部件、遄达1000-TEN的低压涡轮部件及全新开发的核心机，预计总增压比将达到60以上，涵道比达到11以上。相比遄达700，Advance发动机的燃油经济性将提升20%以上。

UltraFan发动机将在Advance的基础上进行研发，采用传动比为4∶1的齿轮驱动风扇，将传统的三轴发动机变为“双轴半”发动机。同时，UltraFan发动机还会采用变桨距的风扇叶片，发动机短舱是一种带出口导向叶片支撑的悬臂短舱，这种设计省去了反推力装置，在大大减轻发动机重量的同时，还可以减小进排气损失，进一步降低噪音水平。

预计UltraFan发动机的总增压比将达到70以上，涵道比达到15以上。相比遄达700，其燃油经济性将提升25%以上，推力达到445kN，可实现齿轮传动技术在宽体双通道飞机上的突破。此外，UltranFan发动机的CTi风扇系统采用了碳纤维/钛合金风扇叶片和复合材料机罩，可减重1500磅。目前，这款发动机的动力齿轮箱已经在德国完成了台架试验，输出功率达到7万马力。根据罗罗公司的规划，未来动力齿轮箱的设计输出功率将达到10万马力。

与罗罗的思路不同，GE在大涵道比涡扇发动机的研发上一直专注于核心机的研发，其一方面通过实施先进涡轮发动机燃气发生器等研究计划来发展核心机技术，另一方面积极研制先进的复合材料风扇等低压系统来匹配核心机。

目前，GE正在开展eCore核心机验证机研究。该核心机采用10级高压比压气机技术、双环腔预混旋流（TAPS）燃烧室、全新设计的高压涡轮以及新型短舱等。GE的思路是，将发展成熟的eCore核心机技术和先进的低压系统技术不断应用于未来大涵道比涡扇发动机的设计中，及时研制出满足市场需求、具有竞争力的发动机产品。GE9X就是这一发展思路的产物。

作为目前全球在研发动机中推力最大的一款产品，GE9X发动机的核心机增压比高达27，是GE公司迄今为止研发的增压比最高的核心机。随着核心机增压比的提高，GE9X发动机的总增压比达到60以上，这使得压气机后端和高压涡轮进口的工作温度超出了常规材料的承受范围。为此，GE发展了第四代粉末合金材料、陶瓷基复合材料（CMC）火焰筒与涡轮、更先进的冷却技术等。这些新技术和新材料将使GE9X的燃油经济性提升10%。

GE9X首台发动机的地面试车于2016年4月开始。当年10月，GE完成了首台完整发动机首轮地面测试，共进行了335小时试车。2017年5月，GE开始第二台发动机试验。这是首台生产型发动机，将与其他几台发动机一起参与取证试验。

2018年3月，GE9X被装在由波音747飞机改装而成的飞行试车台上进行了首次飞行，飞行试验持续了4个小时。根据计划，GE9X将在2019年取得适航证，以满足777-9X在2020年投入运营的目标。

从技术层面来看，GE近年来在新材料、3D打印等方面的巨额投入所获得的成绩，都在GE9X上有了直观的体现。

作为GE9X的“前辈”，GE90采用了第一代碳纤维复合材料，GE90-115B和GEnx采用了第二代和第三代碳纤维复合材料，而GE9X采用了第四代碳纤维复合材料。在新一代材料中，采用了刚性更高的碳纤维与新的环氧树脂。为了提升叶片的强度，叶片前缘包覆合金钢薄片，比包覆钛合金薄片的GE90、GEnx的叶片更薄。同时，GE9X还采用了先进的三维掠形设计，使风扇叶片后掠更大、叶弦更宽，叶片数量更少，仅有16片。相比之下，GE90为22片，GEnx为18片。因此，有人用“薄、尖、弯”这三个字来概括GE9X风扇叶片的特点。

此外，GE9X的燃油噴嘴头部结构非常复杂。如果采用常规的制造工艺，耗时多、成本高，因此，GE在这一部件的生产中使用了3D打印技术。近年来，GE在3D打印技术方面投入了大量资金，在业内创造了多个第一。例如，LEAP系列发动机就是第一个采用3D打印技术生产燃油喷嘴的型号。

在GE9X的生产中，GE利用3D打印技术生产喷嘴头部，大大提高了生产效率，特别是在调整试验燃烧室性能时，更容易实现喷嘴设计的早期迭代，能够将设计更改和试验迅速合并，节约了大量的时间和研制经费。未来，当以GE9X为动力的777X投入运营时，将标志着大涵道比涡扇发动机又进入了一个全新的发展阶段。