HF120渦扇發(fā)動機研制及成功經驗

黃春峰，劉 麟，郭 昕，李曉明

(中國燃氣渦輪研究院，四川江油621703)

1 引言

面對普·惠加拿大公司、威廉姆斯國際公司和霍尼韋爾等發(fā)動機公司強大的競爭壓力，且鑒于小型噴氣發(fā)動機市場的巨大潛力，2004年7月，美國GE公司和日本本田公司各出資50%成立了GE本田航空發(fā)動機公司(下面簡稱GE-Honda)。GE-Honda公司的目標是研制超越國際民用航空組織(ICAO)制定的嚴格的噪聲和排放標準的新型航空發(fā)動機，重點研究降低燃油消耗技術和先進制造技術，主要為輕型公務機(4～8座)提供445～1 557 daN推力的渦扇發(fā)動機。

額定推力為912 daN的HF120發(fā)動機是GE-Honda生產的第一型發(fā)動機(圖1)[1]。其性能優(yōu)異、技術成熟度高，已被選擇用于本田飛機公司的Honda Jet輕型飛機及Spectrum航空技術公司的Freedom公務機。

HF120發(fā)動機有1級寬弦后掠風扇、2級低壓壓氣機、鈦合金葉輪對轉高壓壓氣機、帶單級燃油空氣霧化噴嘴的回流燃燒室和先進的高低壓渦輪。初始樣機在2007年初進行了首次試車，預計2012年完成取證試驗。Honda Jet和Freedom飛機都計劃在2013年投入使用。

2 HF120發(fā)動機的研制歷程

2.1 本田公司小型渦扇發(fā)動機研究

早在1986年，本田公司就開始了小型渦扇發(fā)動機的研究。1991年，本田公司啟動了HFX-01渦扇發(fā)動機的研究和設計工作，1993年該發(fā)動機進行了首次地面試驗，1995年至1996年間進行了約70 h的高空模擬試驗。HFX-01發(fā)動機起飛推力為820 daN，耗油率僅為0.45 kg/(daN·h)。隨后，為進一步降低HFX-01發(fā)動機的耗油率、噪聲，提高維修性，本田公司在HFX-01發(fā)動機的基礎上開始了HFX-20發(fā)動機的研制。最終，本田公司將HFX-20發(fā)動機的起飛推力提高到1 000 daN，耗油率降低到0.44 kg/(daN·h)。HFX-20發(fā)動機的研制取得了很大成功[2]。

1999年，本田公司在HFX-20發(fā)動機的基礎上開始研制HF118發(fā)動機。發(fā)動機的設計目標是：經濟性好、結構緊湊、重量輕、燃油效率高和排放低。在HF118發(fā)動機的研制過程中，本田公司利用其專有的計算流體力學軟件，進一步優(yōu)化結構、氣動性能，還采用了第一個超小型全權限數字電子控制系統。該發(fā)動機從2001年開始地面試驗，到2004年已累計完成l 400 h試驗，其中包括l50 h耐久性試驗和吞鳥試驗，以及超過200 h的飛行試驗臺試驗。與此同時，2003年12月，兩臺HF118發(fā)動機在Honda Jet上開始了飛行試驗。

2.2 HF120發(fā)動機研究

2004年7月GE-Honda成立后，全面接管了HF118發(fā)動機的研制和銷售。在HF118發(fā)動機競爭先進輕型飛機項目失敗后，GE-Honda重新調整了公司的研制戰(zhàn)略，改為面向更大推力級別的市場，在尋求燃油效率高、耐久性好、排放低及噪聲低新標準的同時提高推力，重新設計了HF118發(fā)動機，推出了推力在445～1 557 daN之間的HF120系列發(fā)動機。最初設計定型的HF120發(fā)動機的額定推力為712 daN。

2005年5月，GE-Honda已完成所有部件及核心機試驗，并對HF120發(fā)動機在改進后的性能做了進一步驗證。結果表明，發(fā)動機的燃油消耗降低了約4%，重量減輕了約8%。

HF120發(fā)動機的改進主要包括：①對高壓壓氣機進行重新設計，以增大流量和提高效率；②高壓渦輪采用了GE公司的先進單晶材料，并且渦輪葉片采用了三維氣動設計技術；③風扇借鑒了在GE90-115B和GEnx發(fā)動機上已得到驗證的后掠大流量、寬弦、彎掠風扇葉片設計。

2006年，GE-Honda公司選中古德里奇公司為HF120發(fā)動機提供綜合發(fā)動機控制系統。

2007年4月，在本田公司的研究和發(fā)展中心對重新設計的HF120核心機進行了試驗，試驗驗證了壓氣機和渦輪葉片的氣動/機械特性；5月進行的第二臺核心機試驗，重點考察了發(fā)動機整體部件性能及發(fā)動機的熱特性；而7月進行的全尺寸發(fā)動機試驗，驗證了發(fā)動機的性能和系統能力。最終，HF120發(fā)動機在2007年凍結設計，2008年提供了用于取證試驗的首臺HF120發(fā)動機[3～5]。

2008年的測試結果表明，HF120發(fā)動機的推力超過了953 daN，效率和耐久性也超過了既定目標。

2009年下半年HF120發(fā)動機開始取證試驗，其測試工作一直持續(xù)到2010年。

2010年3月，HF120發(fā)動機已完成FAA(美國聯邦航空管理局)取證試驗前的大量試驗工作。這些試驗包括在高空模擬試驗艙所進行的模擬飛行高度14 000 m的高空模擬試驗、風車及空中起動試驗，在試驗臺上開展的葉片脫落、側風條件下的喘振與失速和耐久性試驗，以及在Honda Jet上進行的飛行試驗[6]。

截止2010年11月，GE-Honda已制造了8臺試驗用核心機和11臺完整的驗證機。進入FAA取證階段，GE-Honda計劃使用13臺HF120發(fā)動機整機和2臺核心機，并在位于美國、日本和加拿大的6個地方同時進行。預計，HF120發(fā)動機將在2013年正式交付客戶使用。HF120發(fā)動機的研制歷程如表1所示。

表1 HF120發(fā)動機研制歷程Table 1 The schedule of the HF120 engine development

3 HF120發(fā)動機的卓越品質特性

HF120是GE-Honda針對未來輕型公務飛機市場研制的一款小型渦扇發(fā)動機，融合了GE公司和本田公司在航空動力方面的尖端科技及卓越品質，集成了本田的精益制造傳統和發(fā)展理念與GE的創(chuàng)新設計和嚴格測試標準，具有更加優(yōu)異的性能品質、環(huán)境品質和更高的技術成熟度(表2)[7]。

(1)性能品質

HF120發(fā)動機與HF118發(fā)動機相比，提高了發(fā)動機的燃油經濟性和安全性，降低了噪聲和排放。HF120發(fā)動機采用了寬弦風扇葉片、先進的高溫材料和雙通道全權限數字電子控制系統，額定推力912 daN，質量不到180 kg；HF120可靠性高，定期維修間隔時間非常長，通過在葉片根部采用先進材料及涂層技術，使得發(fā)動機的首次大修時間超過5 000 h，與其它同類型發(fā)動機相比，在翼時間將延長約40%。如此高的耐久性非常適合用于Air Taxi等高工作效率的飛機上，輕型而高效的設計可以給乘客提供舒適的長途飛行體驗。

(2)環(huán)境品質

通過減重和創(chuàng)新的三維氣動設計，HF120發(fā)動機具備優(yōu)異的效率和操作性能。采用更為成熟的燃燒室和燃油噴嘴設計后，發(fā)動機的燃油效率提高了30%～35%，NOx、CO、HC以及煙排放得到了進一步降低；噪聲排放完全滿足噪聲適航審定第4階段標準規(guī)定，并在此基礎上還有改進空間。

表2 HF120發(fā)動機的性能參數Table 2 Performance parameters of the HF120 engine

(3)技術成熟度

HF120發(fā)動機的設計和材料均已得到大量驗證。2007年4月完成了核心機首次試驗后，HF120渦扇發(fā)動機正式進入全面試驗驗證階段。在開始服役前，HF120發(fā)動機試驗(包括地面試驗和飛行試驗)預計將超過15 000個工作循環(huán)(10 000 h)。

(4)設計特點

HF120發(fā)動機結構如圖2所示，主要部件有1級風扇、2級低壓壓氣機、1級高壓壓氣機、燃燒室、1級高壓渦輪和2級對轉低壓渦輪等，其部件設計與性能特點見表3。設計中，成本、性能和進度三者放在同等重要的位置。

(5)應用

尺寸小、價格略為便宜的公務機(4～8座)的出現，以及更靈活的商業(yè)和個人旅游需求的不斷增長，為可靠性高和耐久性好的噴氣發(fā)動機帶來了大量的發(fā)展機會。據本田航空公司預測，未來市場每年將需要200架或更多數量的公務機，未來10年，推力在445～1 557 daN之間的噴氣發(fā)動機有30億美元的潛在市場。

表3 HF120發(fā)動機部件設計與性能特點Table 3 Components design of the HF120 engine with their performance features

HF120發(fā)動機是針對輕型/超輕型公務機和私人噴氣式飛機研制的小型渦扇發(fā)動機，其研制和取證費用較低，具有廣闊的應用前景和強大的市場競爭力。

目前，Honda Jet公務機的訂單已超過200架。另外，公司還在與其它幾個飛機制造商洽談，以尋求更多的客戶。

4 HF120發(fā)動機成功經驗啟示

GE-Honda研制的HF120渦扇發(fā)動機即將完成FAA取證試驗，顯現出良好的市場發(fā)展前景。其成功的經驗啟示主要有：

(1)發(fā)動機公司合作具有明確的發(fā)展目標。GE-Honda的目標就是要生產出性能好、可靠性高、成本低、有競爭力的小型渦扇發(fā)動機。

(2)公司產品定位準確。HF120發(fā)動機定位于為尺寸小、價格略便宜的公務機(4～8座)提供動力。

(3)擁有大量的技術儲備。GE公司雄厚的發(fā)動機研制實力及本田公司在小型渦扇發(fā)動機方面多年研究的成果，是HF120發(fā)動機成功的保證。

隨著中國經濟的高速發(fā)展和國家低空空域向民間開放，未來10年，中國私人飛機市場每年將以20%～25%的規(guī)模增長，為小型渦扇發(fā)動機提供了良好的發(fā)展空間。

相對于大型客機發(fā)動機，輕型噴氣機用小型渦扇發(fā)動機的進入門檻低。因此，我國發(fā)展民用航空發(fā)動機的策略，可以選擇研制小型渦扇發(fā)動機作為突破口。在借鑒大型發(fā)動機研究成果的基礎上，對小型渦扇發(fā)動機的設計、制造及試驗技術進行研究，充分認識加強基礎研究、技術儲備工作的重要性和必要性，并廣泛開展與世界航空發(fā)動機先進國家的技術合作，融入世界高端制造產業(yè)鏈，朝著風險收益共享合作伙伴模式發(fā)展。在制定技術發(fā)展目標時應充分考慮到我國的經濟及技術發(fā)展水平，注重基礎研究和設計體系建設，走核心機和驗證機的發(fā)展道路，提高設計水平和自主創(chuàng)新能力。只有這樣才能研制出具有國際競爭力的民用飛機發(fā)動機。

[1]HP120 Engine Was Formally into the Calibration Testing Phase[EB/OL].(2009-07-27).http://www.cannews.com.cn/2009/0818/8388.html.

[2]The American GE Company and the Japanese Honda Com?pany Cooperated to Develop New Jet Engines[EB/OL].(2004-10-13).http://www.honda.com.cn/corporate/compa?nynews/news/2004/97.html.

[3]趙 磊.國外航空發(fā)動機巨頭近況及研制計劃[R].北京：中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，2007.

[4]HF120 Turbofan[EB/OL].http://world.honda.com/index.ht?ml.

[5]The First Full-Scale H120 Light Jet Engine of the GE-Honda Company Has Been Tested[EB/OL].(2007-09-10)http://www.honda.com.cn/corporate/compa?nynews/news/2007/289.html.

[6]GE-Honda Aero-Engine Company Continues to Test HF120[EB/OL].(2007-05-28)http://www.dsti.net/Infor?mation/News/40876.

[7]The Honda Jet Concept Demonstrator Is Planned to Fly for the First Time in Nov[EB/OL].(2010-08-07).http://www.honda.com.cn/corporate/companynews/news/2010/1938.ht?ml.