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世界航空发动机2016年度观察

2017-1-13 08:25| 发布者: admin| 查看: 58| 评论: 0

摘要:  整合  2016年8月28日,中国航空发动机集团在北京挂牌成立,新集团将集中致力于发动机设计、制造、试验、相关材料研制等方面,建立中国航空发动机研制和生产的完整产业链,提升我国航空发动机整体水平。新集团成为 ...
 整合

  2016年8月28日,中国航空发动机集团在北京挂牌成立,新集团将集中致力于发动机设计、制造、试验、相关材料研制等方面,建立中国航空发动机研制和生产的完整产业链,提升我国航空发动机整体水平。新集团成为航空发动机和燃气轮机国家科技重大专项的实施主体,标志着我国航空发动机产业将形成全新格局。

  9月,通用电气(GE)公司宣布收购2家欧洲3D打印公司:德国SLM解决方案公司和瑞典Arcam公司,两家公司均制造金属3D打印机械,能够3D打印涡轮发动机零部件。12月,GE公司与德国概念激光公司达成收购协议,允许GE在几年内完全收购该公司。概念激光公司主营业务是设计并制造基于粉末床的激光3D打印机床。在2001年,该公司商业化了首台金属增材制造机床,16年来保持行业领先。

日本P-1反潜机配备的F7-10发动机。

  12月,罗尔斯·罗伊斯公司确认将向西班牙工程集团SENER支付7.2亿欧元,买下双方合资的ITP公司剩余的53.1%的股份。ITP公司是西班牙知名的航空发动机制造商。

  发展

  1月,日本防卫省透露,日本正准备制造其下一代战斗机用发动机核心机,2017财年开始演示验证,2018财年进行整机演示验证;并已开展对高压压气机、燃烧室等核心机关键部件的试验。10月,在“2016-国际航空宇宙展”上,日本展示了最新国产XF7-10涡轮风扇发动机。XF7-10由石川岛播磨重工(IHI)为P-1反潜机研制。作为航空发动机零部件供应商,IHI还为普惠公司提供齿轮传动式涡扇(GTF)发动机的风扇叶片,并参与GE公司的GE9X发动机项目。

  8月,伊朗在首都德黑兰首次展出其自行生产的涡轮喷气发动机。11月,报道称伊朗已经推出了新的重型航空发动机,将采用军用飞机的应用标准,可以配装在伊朗正在研制的超声速军用飞机上。

  6月,俄罗斯媒体报道,俄罗斯已经开始研制最大推力达到35吨级涡扇发动机,瞄准中俄联合研制的大型远程宽体客机,这是迄今为止俄罗斯研制的最大推力涡扇发动机。

  在燃气涡轮发动机领域踌躇不前的印度,在8月成功完成了首次超燃冲压发动机带飞点火试验。飞行平台在达到高度20千米、马赫数 6的预定条件后,超燃冲压发动机点火启动,并持续工作5秒。试验验证了超声速点火、稳定燃烧、进气道结构、燃油喷注系统等关键技术。

  由于航空发动机的技术难度高、研制费用高、研制风险大、研制周期长的特点,经多年发展,已呈现高度寡头垄断格局。以民用大推力涡扇发动机为例,只有美国、英国、俄罗斯、法国等国家能完成自主研制。这些发达国家在严格封锁技术的同时,逐步控制产业链上游,以此抑制其他国家发展。中国、印度等国通过不断改革调整、持续发展来提高能力、缩小差距。值得注意的是,日本在通过技术、资金等多种途径积极“蹭入”美国各种先进航空发动机项目的同时,自身还在沿核心机到整机的航空发动机研发道路上稳步前进。

  新产品开启新时代

罗罗测试新一代Advance发动机复合材料风扇。

  投入市场

  1月,首架装有普惠PW1000G 发动机的A320neo飞机交付德国汉莎航空,标志普惠GTF发动机正式投入商业运营。除A320neo以外,GTF发动机还用于庞巴迪C系列、三菱公司MRJ等飞机上。该发动机通过一套紧密的齿轮传动系统将大涵道比涡扇发动机风扇轴与低压涡轮轴分离,使各部件都可以按照最佳转速运行,以提高部件效率,进而降低燃油消耗(比当前单通道飞机发动机低15%)。目前,普惠GTF发动机已经获得30多个国家的80多家客户的订单,并陆续交付。12月15日,中国南方航空公司接收了首批该型发动机,16日,装配GTF发动机的庞巴迪CS300飞机开始商业飞行。

  10月,行业巨头CFM国际公司交付了第30000台CFM56发动机,该发动机在单通道飞机市场备受青睐,为超过12000架军民用飞机提供动力,是最可靠的航空发动机之一。新一代LEAP系列发动机在向首家客户交付之前,就已经售出超过11000台发动机。该发动机通过在低压部件引入碳纤维复合材料、高压部件应用陶瓷基复合材料(CMC)及使用第四代3D气动设计叶片等技术,使燃油消耗、温室气体排放、噪声等指标显著减低。今年夏季,装载LEAP的首架A320neo客机交付土耳其飞马航空公司。

  在研型号

  8月,罗罗公司的Advance 3核心机验证机开启一系列测试工作。这是罗罗公司下一代战略发动机研发计划(Advance项目和UltraFan项目)的里程碑,标志其在民用发动机领域又向前迈出了坚实一步。罗罗预期在2020年投入使用Advance发动机,其涵道比将超过11,总压比超过60,燃油消耗比当前的“遄达”700至少降低20%。UltraFan则在Advance核心机基础上,引进齿轮传动装置,使涵道比达到15,压比超过70,而油耗比“遄达”700至少降低25%。10月,罗罗公司开始测试其大型“动力齿轮箱”。

  10月,GE完成首台完整GE9X航空发动机首轮地面测试。作为世界上最大的商用飞机发动机,其风扇直径约3.4米,推力级别约45吨,将为波音777X提供动力,计划于2020年投入使用。该发动机采用了压比高达27的新一代高压压气机,高效、低排放的第三代TAPS III燃烧室及采用CMC材料的燃烧室和涡轮。

  10月,赛峰直升机发动机公司正式启动了2500~3000轴马力(1838~2205千瓦)的民用涡轴发动机项目,计划在年底前准备适航认证,2017年底制造更高功率的型号。新发动机基于赛峰Tech 3000项目验证的技术进行设计,采用与RTM 322类似的架构,作为GE CT7发动机的新一代竞争者,主要瞄准空客计划下个十年投入使用的X2直升机项目。

  11月,俄罗斯完成“产品30”发动机的首次试车,该发动机是俄第五代战斗机PAK FA的第二阶段发动机,以替换原型机和早期生产型机配装的117S发动机。与117S相比,“产品30”风扇和高压压气机级数减少,增加了镍基单晶叶片、CMC材料、新型耐热合金等新材料的使用范围,耗油率降低15%以上,加力推力由14.5吨增至18吨。预计“产品30”将于2017年首飞,2020年完成研制。

  12月,俄罗斯专为本国“大飞机”MC-21研制的新一代民用涡扇发动机PD-14开始第二阶段测试。值得注意的是,为满足经济性、环保性等要求,该核心机是全新设计的,被称为俄罗斯航空工业复兴的希望。

  或针对军方需要,或为了迎合市场需求,特别是针对环保性、安全性、经济性等要求的提高,航空发动机巨头们纷纷采用新技术,推出新产品。一方面可以保持行业领先和市场占有率,排挤对手,另一方面也是将技术研发的成熟成果及时应用到型号中去,通过技术变现回笼资金以反哺研发,二者相辅相成。在新产品的实现路径上,不同公司给出了不同回答,有的稳扎稳打、小步前进,如CFM56公司采用优化传统部件的方式来提升性能;有的另辟蹊径、跨越发展,如普惠公司引入革新的齿轮传动技术,使发动机性能得到飞跃式进步。

  技术创新迈入新阶段

  SABRE发动机。

  常规发动机发展项目

  6月,美国空军分别授予GE公司和普惠公司“自适应发动机转化项目”(AETP)合同,总金额高达20亿美元,旨在延续2016年底结束的“自适应发动机技术发展”(AETD)项目,利用AETD关键部件和核心机的成熟技术,研发、制造和测试自适应发动机工程验证机,为2020年后美国空军六代战斗机发动机做准备,以及用于F-35飞机的中期换发工作。这标志着美军六代机发动机已从技术研究阶段正式转入工程研制阶段。

  8月,美国陆军分别授予先进涡轮发动机公司(ATEC)和GE公司一份“改进涡轮发动机项目”(ITEP)合同。项目旨在发展功率更大、可靠性更高、耗油率更低的涡轴发动机,用于UH-60“黑鹰”通用直升机和AH-64E“阿帕奇”攻击直升机换发。本合同至2018年,主要用于推进设计工作,为发布“工程与制造发展”(EMD)阶段招标做准备。美国陆军希望首批ITEP发动机能在2024年投入使用,与UH-60和AH-64当前配装的T700涡轴发动机相比,其耗油率降低25%,功率增大50%,设计寿命延长20%,能在高温/高原环境中良好工作。ATEC公司、GE公司已分别为项目发展了双轴的HPW3000和单轴的GE3000。

  9月,美国开始“支持经济可承受任务能力的先进涡轮技术”(ATTAM)计划的规划工作。ATTAM计划的目标是研发用于一系列下一代高、中、低功率涡轴和战斗机发动机的技术;除先进推进技术外,该计划还首次纳入了完整的综合能量与热管理要素,主要针对未来发动机支撑更多电力系统、定向能武器、功率更大的传感器等需求,同时提高推进效率和飞行器自身的能量水平。该计划被认为是美国新一代国家级军用航空发动机技术发展计划。

  12月,美国国家航空航天局(NASA)表示成功测试了一个“嵌入式”发动机设计方案,将航空发动机内置到飞机的机翼中,利于边界层摄入(BLI)技术,“逆传统”地摄入流经飞机表面的低速边界层空气来提高燃油效率,降低噪声。如果该设计可行,那将使类似“双气泡”D8的革命性飞机成为可能,航空运输也将开启新时代。

  创新探索发展计划

  7月,英国反作用发动机公司(REL)声称将在2020年前开始启动协同吸气式火箭发动机“佩刀”(SABRE)1/4缩比验证机(尺寸与F135发动机相当)的地面试验。“佩刀”发动机是该公司针对其“云霄塔”单级入轨空天飞机发展的动力装置,其核心是将来流空气急速冷却的强预冷却技术,该技术已被美国空军研究实验室(AFRL)确认具备可行性。

  8月,美国国防预先研究计划局(DARPA)公开“先进全状态发动机”(AFRE)项目的招标预告文件,标志着项目进入实质性阶段。本项目旨在研发和地面验证一种能够在马赫数为 0~5之间的范围内无缝工作、可重复使用、碳氢燃料、全尺寸涡轮基冲压组合(TBCC)的发动机,瞄准实用化高超声速飞机的动力需求,例如,能够在拒止环境下执行情报监视侦察(ISR)任务的高超声速飞机。项目将采取射流预冷技术扩展涡轮发动机包线,实现涡轮/冲压模态间的无缝转换。

  另外值得一提的是,随着3D打印、CMC材料等技术的成熟,其在航空发动机中使用逐渐增多,并体现出显著优势。例如,LEAP发动机就使用了3D打印的燃油喷嘴,其耐久性提高了4倍,燃油效率提高15%,重量降低25%。美国3D打印的高超声速发动机燃烧室也测试成功。继F414发动机率先于2014年成功进行CMC低压涡轮转子叶片的试验验证后,PW1000G发动机也采用了CMC低压涡轮叶片,Advance核心机采用了带有CMC的封严段。

  在常规燃气涡轮航空发动机和高超声速发动机技术均大幅领先其他国家的同时,美国仍几十年如一日地通过一系列全面的、成体系的、前后连贯的项目计划,完成由技术研究到发展验证、再到向型号转移的技术成熟过程,推动创新发展,一方面持续挖掘传统技术的潜力,一方面探索前沿技术、培育颠覆技术,为技术成熟、型号预研、产品发展强根固本。

  ■观点

  观察航空发动机的年度发展,能显著体会到,航空发动机是国家综合实力的体现,能研发、制造的国家寥寥无几。航空发动机强国在以往的雄厚技术基础上持续前进,遥遥领先;后起国家尽管努力追赶,仍有较大差距,但这种差距正在逐步缩小。总体而言,航空发动机发展至今,其合理的发展道路已经基本明确,即常规型改进发展与创新型探索发展。一个立足当前,一个着眼未来;一个瞄准产品,一个强调技术;二者相互依赖,互成因果,都需坚持。

  打牢基础,积累技术。探索与预先研究是基础,一型高性能的发动机是几十年技术沉淀、经验积累的结果,离开了先期那些不针对具体型号、甚至不知能否成功的探索研究与预先研究等基础性工作,研制型号无异于空中楼阁。美国的各种项目计划旨在推动技术进步,在其研制过程中开发的各项先进技术与获得的经验教训,或被用于某型发动机,或用于别的行业产品,最终都将推动国家的进步,同时还具有防止别国技术突袭的作用。

  认准方向,坚持发展。在常规形式燃气涡轮发动机上,美国敏锐捕捉到变循环这个可能改变游戏规则的技术方向后,官方和企业通过一个接一个的计划、项目,几十年如一日,支持该项技术发展。从原理到关键技术研究与到核心部件试验,再到集成验证,研发者循序渐进,一步一个脚印。研发一套全新的推进系统本来就是一项周期长、资本密集的工程,如此大量资源的投入预期结果是制造出一型能持续服役数十年的高度复杂产品,以在经济和军事上长期领先于其他国家。

  分散难点,各个击破。任何一型新发动机,可能会涉及多项下一级关键技术,例如其中的风扇、压气机、高温材料等,这就需要充分利用已有平台资源,合理安排技术路线,对这些技术开展单项研究验证,进而多项组合验证,最后集成验证,逐步增加难度。这样容易把握研究进度、控制风险,同时也容易展示研究成果,提升项目信心。


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