航空发动机技术的未来发展之路

1、航空发动机技术的未来发展之路为了巩固航空发动机产业的全球核心地位，美国、欧盟 等航空发达国家在航空发动机的技术发展与产品研制过程 中，持续出台具有指导意义的战略政策，并不惜巨资实施系 列专项技术研究计划，如美国的综合高性能涡轮发动机 （IHPTET ）计划、极高效发动机技术（ UEET ）计划，环境 负责航空（ ERA ）计划以及欧盟的系列框架计划。长期持续 高强度的技术研发投入使得美英法等国家在航空发动机的 全产业链形成了突出的技术领先优势，所发展的多种涡扇发 动机牢牢占据了各级别发动机市场，同时不断开展包括齿轮 传动、开式转子、混合电推进技术等新型动力技术的探索， 呈现出多元化的发展趋势。

2、罗罗先进发动机路线图涡扇发动 机仍将主导民用航空动力市场在航空发动机技术不断取得 进步的过程中，涡扇发动机已经牢牢占据了民用干线客机市 场，并形成了满足各级别干线客机、支线客机和喷气公务机 需求的产品线。与此同时，发动机制造商始终专注于通过提 高热效率和涵道比来改善传统结构的大涵道比涡扇发动机 的循环效率，并持续开展循环参数优化、气动设计改进以及 部件耐久性设计的研究，以提高涡扇发动机的性能、可靠性 和耐久性，并降低发动机的耗油率。罗罗公司长期持续推进 大涵道比涡扇发动机技术研究的项目可以归纳为：Advance2x 项目，包括用于公务机、 支线客机和部分窄体客 机的涡扇发动机； Advance

3、3 项目，包括用于宽体客机和大 型窄体客机的大涵道比涡扇发动机。其大致发展途径是以 Advance2 和 Advance3 项目所发展的双转子或三转子发动 机技术在 2020 年前达到成熟为目标，实现发动机耗油率比 遄达 700 发动机至少降低 20% 。2014 年 2 月，罗罗公司首 次揭秘了公司发展 2020 年及更远期的下一代发动机的路线 图，即以三转子发动机结构的衍生发展为基础，依赖于公司 未来发动机设计的大量可缩放的技术，首次引入复合材料低 压系统和齿轮传动结构，并保持向开式转子发动机衍生发展 的潜在可能性。归纳起来，罗罗公司在宽体客机发动机方面 未来主要专注于分别于 2020 年

4、和 2025 年服役的 Advance 和 UltraFan 两型发动机的设计， 以延续其遄达系列发动机所 建立的优势地位，并保持比遄达 XWB 发动机耗油率改善 10% 。其中， Advance 发动机旨在 2020 年左右服役，涵道 比将超过 11 ，总压比将超过 60 ，耗油率至少比当前的遄达 700发动机改善20%。GE公司大涵道比涡扇发动机的发展 思路是长期专注于核心机发展途径，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 面积极开展复合材料风扇等低压系统来匹配核心机，及时研 制出先进大涵道比涡扇发动机，并获得了巨大的研究成果和 市场回报。 GE 公司正

5、在开展 eCore 核心机验证机的研究，采用先进材料的 10 级高压比高压压气机技术、最新双环腔 预混旋流（ TAPS ）燃烧室、采用先进材料和冷却设计的高 压涡轮以及新型短舱等。 将发展成熟的 eCore 核心机技术和 先进低压系统技术不断应用于未来大涵道比涡扇发动机的 设计中去，及时研制出满足市场需求、具有竞争力的发动机 产品，如波音 777X 飞机的 GE9X 发动机、为窄体客机提供 动力的 Leap-1 系列发动机以及公务机的 Passport 发动机等 先进的新型大涵道比涡扇发动机。齿轮传动涡扇发动机将不 断扩大应用平台齿轮传动涡扇发动机（GTF ）是采用由低压涡轮通过减速器来传动风

6、扇的设计方案，先进的齿轮系统使 风扇在不同低压压气机和低压涡轮的速度下运转，并与先进 的核心机进行组合，以保证最低的运营成本，并实现燃油效 率和环保特性的提升。 普惠公司、 GE 公司、 德国 MTU 公司 以及俄罗斯均进行过相关研究， 但是作为 GTF 的忠实拥趸， 普惠公司始终坚持着这一方向，并在三维气动设计、轻质材 料和压气机、燃烧室和涡轮等多项重要结构和关键技术的研 究方面取得了突飞猛进的发展。目前，普惠公司 GTF 技术 已近成熟，全新研制的 PW1000G 系列发动机已经交付使用， 实现耗油率相比在役发动机降低11%12% ,噪声比第三阶段要求低 30dB 。 PW1 000G 系

7、列在成功实现配装覆盖 70190 座级的多个应用平台 （包括 A320neo 、MRJ 、MS-21 、 C 系列、 EJet- E2 系列）后，也不断透露其未来的 GTF 技术发展方向。 2013 年 7 月，普惠公司表示公司有一条到 2020 年中叶相比当前发动机的耗油率节省 20%30% 的技术路线 图。路线图瞄准新应用平台每一年耗油率降低1% ，改进已经服役的发动机实现 50%的降耗，并在 10 年内将耗油率从 当前的 15% 改善量降低到下一代 GTF 的 25% 改善量。未来 在 N+3 代发动机上， 普惠公司正在研究传动比最低为 4:1 的 全动行星齿轮结构来尽量提高 GTF 的

8、涵道比，并采用先进 的气动特性和轻质量的风扇转子、通过更高齿轮比来增加涵 道比、主动燃烧室控制以及涡轮中的新材料和冷却方案。普 惠公司持续开展齿轮箱的研发能够提供发动机耗油率的阶 跃性改善，并在未来挑战 GE 公司和罗罗公司等发动机制造 商。另外，罗罗公司在 2014 年首次揭秘的下一代涡扇发动 机路线图中提出的旨在 2025 年服役的 UltraFan 方案中也包 含了 GTF 技术。 UltraFan 发动机将成为罗罗公司首型采用 由动力齿轮箱驱动风扇的大型商用涡扇发动机，将于 2025 年服役，推力范围将超过 100000 磅（ 445kN ），涵道比增加 到 15 ，总压比达到 70

9、，基于 2025 年服役的技术， 其目标是 实现耗油率比遄达 700 发动机至少改善 25% 。空客的 E-Thrust 概念开式转子发动机将成为“游戏规则的改变者”随 着航空燃油价格上涨和“绿色航空”的倡导，开式转子发动机 技术自上世纪 90 年代以来再次成为国外关注的热点之一， 并获得 GE 公司、罗罗公司和斯奈克玛公司的青睐。 2008 年, GE公司与NASA组合联合团队，重启搁置已久的 GE36 无涵道风扇（ UDF ，又称开式转子）的研究工作。目前， GE 公司在 NASA 的亚声速固定翼飞机 （SFW ）计划和环境负责 航空（ ERA ）计划下在低速风洞和高速风洞中开展对转开式

10、转子的系列试验，以验证开式转子的气动性能和声学性能， 同时，美国 FAA 在持续降低能耗和排放（ CLEEN ）计划下 开展了开式转子适航技术的研究，为开式转子的设计提供资 源保障。系列研究计划开展的开式转子的研究能够提供满足 当前和未来噪声、排放要求的动力解决方案。研究人员预测 了在单通道飞机尾翼上安装 2020 年的开式转子发动机技术 的耗油率和社区噪声，并通过风洞试验验证转子的噪声，报 道的预测累积噪声相比第四阶段要低 13dB ，并验证了开式 转子设计在过去 30 年的重要进步。在商业和环境压力下， 同时为了保持欧盟在航空动力技术上的领导地位，欧盟重燃 了对开式转子技术的兴趣，开展了新

11、型发动机结构系统验证 计划、“净洁天空”计划等一些大型研究计划，以积累能够大 幅降低未来单通道飞机的耗油率、社区噪声、碳氧化物排放 等的先进动力技术。在欧盟的净洁天空计划下，罗罗公司和 斯奈克玛公司各承担了一项可持续、绿色发动机（ SAGE ） 验证机项目，分别开展齿轮传动开式转子和直接驱动开式转 子发动机技术的研究。 罗罗公司将开式转子定义为面向 2025 年“唯一具有潜力的游戏规则改变者”，放弃当前窄体客机A320NEO 和737Max的换发项目，在 100200座级的单 通道干线客机的动力领域专注于开式转子发动机技术，以满 足 2025 年的潜在市场需求。罗罗公司主导的齿轮传动开式 转子

12、的目标是在“净洁天空”时间框架（ 2016 年）和资助内， 继续使主要的技术和部件不断成熟，为整机验证做好准备， 其中，“齿轮传动是后期选项”，将在“净洁天空 2”计划下继续 开展。目前罗罗公司正在策划一项全尺寸开式转子验证机飞 行测试的欧洲项目，不过达到这个里程碑需要约 6 年时间， 并将持续到“净洁天空 2”计划。同时，空客公司与发动机公 司一起研究采用开式转子发动机飞机的适航取证要求。罗罗 公司认为，开式转子发动机进入服役最早也要等到下一个十 年的中期，是下一轮民机发动机技术革新的选项。同时罗罗 公司强调开式转子可实现两位数的效益增长，将会比同等水 平的先进涡扇发动机在油耗方面改善 1

13、0%左右。斯奈克玛公 司主导的直接驱动开式转子的目标是验证用于评估开式转 子结构可行性和环境优势的技术，采用已有燃气发生器和台 架开展技术验证和集成验证，开发用于发动机技术验证的制 造技术和材料，计划 2015 年年底台架试验， 2016 年交付并 开展验证机的地面试验，基于预测和试验结果来评估未来生 产型开式转子推进系统的耗油率和噪声排放的改善； 2019 年在后续的“净洁天空 2”计划下在修改的空客 A340-600 飞机 上开展飞行试验，使得齿轮传动开式转子发动机在 2020 年达到技术成熟度 6，并准备好生产型产品的研发，以实现20252030年投入市场。对于基于布雷顿循环的推进系统

14、而言，每一次技术进步都能带来燃油效率的大幅提升。 目前， 性能最好的涡扇发动机只能使用燃油 40%的潜在能量， 而正 在研发的新一代涡扇发动机变循环发动机（即在压气机 末级和进气道中间采用可变涵道流以及超高压比技术）也只 能利用 55% 70%的燃油能量。然而，可能在 5075 年以 后，布雷顿循环将面临极限的挑战，因此，为了进一步提升 推进系统的效率，美、欧政府均将混合电推进系统视为有潜 力在 2030 年后投入使用的、极有前景的民用航空动力解决 方案，并组织飞机系统集成商和动力厂商积极开展探索和预 研。 NASA 的混合电推进一体化系统试验台 Heist 混合电推 进技术，是指通过传统燃气

15、涡轮发动机为分布在机翼或机身 的电机 / 风扇提供电力， 并由电机驱动风扇提供绝大多数或全 部推力（燃气涡轮发动机可部分提供或不提供推力）的一种 新型推进技术，等效于大幅提高动力系统的涵道比，其最大 的优势是能够极大地降低推进系统的燃油消耗量和各种排 放。美国波音公司、 GE 公司，以及欧洲空客集团、德国西 门子公司和英国罗罗公司，都已在政府支持的科研计划中开 展混合电推进系统研究。目前各国正不断提升混合动力技术 水平及其技术成熟度，探索多种新型混合动力飞机方案。2014 年 3 月， NASA 德赖登飞行研究中心建成名为 AirVolt的电推进试验台，用于准确测量从电池、马达到速度控制器 和

16、螺旋桨等各个系统部件的效率。之后，为进一步试验更紧 凑电力推进系统 -飞机集成的收益， NASA 与实验系统航宇公 司（ ESAero ）合作，实施前沿异步推进技术（ LEAPTech ） 验证机项目，开展混合电推进一体化系统试验台（ Heist ）的 地面试验；为进一步验证高效、低噪声和排放以及高的总转 换效率的电力飞机推进系统， NASA 于 2015 年启动了缩比 尺寸电推进技术运用研究 （Sceptor ）项目， 将 P2006T 型轻 型活塞双发飞机转换为分布式电推进系统。 与此同时， NASA 在其面向N+3代飞机（代表20302035年左右服役的技术 水平）的亚声速超绿色研究（

17、Sugar ）计划中，也探索了采 用燃气涡轮电力分布式推进系统（ TeDP ）的 N3-X 飞机。 TeDP 将产生推进力的装置与产生动力的装置分开，由两台 安装在翼尖的涡轴发动机驱动超导发电机产生电能，并驱动 15 台嵌入机身的超导电动推进器产生推力。 然而，由于 N3-X 飞机的技术风险更大，并面临适航问题，因此，研究工作目 前聚焦到可在近期实现的波音 737 尺寸大小、 常规布局的混 合电推进技术飞机方案带有后置附面层推进器的单通 道涡轮 -电动力飞机，其中，涡扇发动机在起飞时提供80%推力，巡航时提供 55% 推力。在欧盟“航迹 2050”计划下，空 客集团提出了基于分布式混合电推进系

18、统的 100 座级 E-Airbus 支线客机概念。 E-Airbus 采用 6 台电动风扇， 每个机翼上沿展向分布 3 台，并通过一个燃气动力单元（即涡扇 发动机连接到发电机，以产生电力）为风扇（产生推力）提 供电力和为电能存储装置充电，推进系统的等效涵道比预计 将超过 20 。进一步地，通过 E 飞机项目来研究电力推进的 优势，验证了混合电推进技术所需的轻质、高效的发电机和 电动机技术，评估降低二氧化碳排放的潜力。另外，美国极 光飞行科学公司也提出了一型基于混合电推进系统的“雷击” 无人机方案。 该无人机由 1 台涡轴发动机驱动 3 台发电机产 生电力，并将电力分配至全机 24 个涵道风扇，最终实现持 续飞行速度达到 556741千米/时、悬停效率不低于 75%、 机动性能能够承受-0.5g2.0g过载的项目目标。后续极光 公司将开展原型机研制和试验工作， 预计 2018 年完成首飞。 除这些研究项目外，美国和欧盟的其他多家公司也均在开发 混合电推进技术和分布式电推进技术的飞行器，旨在进一步 提升混合电推进技术的技术水平和技术成熟度,实现最终服役。随着航空涡扇发动机性能的不断提升，其热效率将