艱難的選擇：A320neo的動力之爭

胡勤

中國的互聯(lián)網(wǎng)大佬馬云曾說過：“工業(yè)時代是‘三十年河?xùn)|，三十年河西；現(xiàn)在是‘三年河?xùn)|，三年河西。”當(dāng)然，他說的是正在蓬勃發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新浪潮，然而在航空工業(yè)領(lǐng)域“三十年河?xùn)|，三十年河西”的定律依然有效，或許這個周期還更長。

起始于20世紀(jì)80年代的窄體機動力之爭，伴隨著多年來的技術(shù)發(fā)展進入了一個全新的階段。CFM公司和普惠公司分別憑借其“二十年磨一劍”的技術(shù)成果開啟了未來數(shù)十年的新征途。

航空發(fā)動機一直是工業(yè)領(lǐng)域的頂級產(chǎn)品，它的技術(shù)進步直接推動了整個航空業(yè)的更新?lián)Q代。直到今年的巴黎航展，全球范圍內(nèi)的主流窄體機已經(jīng)全面啟動下一代的升級工作，在飛機制造商的宣傳中，發(fā)動機都作為最核心的亮點予以突出。

在新一代窄體機中，除了空客A320neo外，波音737MAX，中國商飛C919，巴航工業(yè)E-Jet E2、龐巴迪C系列和俄羅斯MS21都只有唯一的發(fā)動機供應(yīng)商。這讓兩家發(fā)動機公司之間的競爭似乎都集中到了空客A320neo這一飛機平臺上，而A320neo總計近2500架的龐大訂單也給這場動力之爭增添了更多火藥味。

航空發(fā)動機廠商在推銷產(chǎn)品時，總說自己是最好的，并拿自己的部件與對方比較，用風(fēng)扇對比風(fēng)扇，用壓氣機對比壓氣機，用渦輪對比渦輪。但多年來的技術(shù)積累，讓CFM和普惠兩個公司選擇了兩條不同的技術(shù)升級路線，每家公司都宣稱自己下一代發(fā)動機能比現(xiàn)役產(chǎn)品降低15%的油耗，并比競爭對手做得更好，這給購買了A320neo的航空公司出了道難題。

選擇CFM還是選擇普惠，現(xiàn)在是個問題。

CFM：CMC技術(shù)是未來

“質(zhì)疑CMC，是因為不了解CMC”

CMC是陶瓷基復(fù)合材料（ceramic-matrix composites）的簡稱，它是一種有陶瓷成分的復(fù)合材料，這種材料由大量陶瓷纖維通過某種形式的排列編織而成。據(jù)CFM方面介紹， CMC材料的密度是傳統(tǒng)金屬的1/3，強度是它的兩倍，耐高溫性能比鎳基金屬高20%。

“因為CMC材料可以耐高溫，所以對冷卻氣流的需求就會減少，”CFM國際公司執(zhí)行副總裁佘克·沙茹日前在北京對本報記者表示：“這不是一個非常新的技術(shù)，只不過Leap發(fā)動機將是首次應(yīng)用該材料的商用航空發(fā)動機?！?/p>

從上世紀(jì)80年代中期開始，NASA就已經(jīng)在研究CMC技術(shù)，GE公司多年以來對CMC技術(shù)的持續(xù)投入和試驗，使該公司對CMC未來的發(fā)展?jié)摿o予了很高評價，并認(rèn)為目前CMC材料的技術(shù)成熟度已經(jīng)足以將其應(yīng)用在航空發(fā)動機的核心部件上。眾所周知，CFM公司是GE公司和斯奈柯瑪公司的合資企業(yè)，CFM公司可以分享GE公司在CMC材料上的研究成果。

在Leap發(fā)動機上，第一級高壓渦輪罩環(huán)將由CMC材料制成。高壓渦輪罩環(huán)主要作用是用來控制高壓渦輪葉片和發(fā)動機機體之間的間隙，它面對的是從發(fā)動機燃燒室出來的高溫高壓氣體，是整個發(fā)動機工作環(huán)境最惡劣的固定部件之一。如果采用傳統(tǒng)的鎳基合金罩環(huán)，由于其耐高溫性能不及CMC材料，需要使用額外的高壓空氣對其進行冷卻，而這些冷卻空氣本來是可以產(chǎn)生推力的。使用CMC材料后，這部分將不需要冷卻空氣，從而提高了發(fā)動機的效率。

“我們已經(jīng)對CMC材料做了數(shù)千小時的測試，”GE航空總裁兼CEO大衛(wèi)·喬伊斯此前在巴黎航展期間表示：“我們不是昨天才把他研制出來，然后立馬就把它用在航空發(fā)動機上?！?事實上，GE早在2003年就已經(jīng)將CMC材料用在工業(yè)燃?xì)廨啓C上，過去十年來，CMC材料已經(jīng)在工業(yè)燃?xì)廨啓C上使用了14000小時。

盡管GE方面已經(jīng)為CMC材料進行了大量測試，但關(guān)于CMC材料能否運用到發(fā)動機核心部件上的爭論依然沒有停止。GE航空大中華區(qū)總經(jīng)理向偉明回應(yīng)道：“我們今后將進一步增加CMC材料的使用范圍，競爭對手質(zhì)疑我們是因為他們沒有這項技術(shù)。當(dāng)年我們在GE90發(fā)動機上使用寬弦葉片也被廣泛質(zhì)疑，而現(xiàn)在我們用事實證明了自己的選擇?！?/p>

CFM方面表示，先期僅在固定部件上使用CMC材料也是出于風(fēng)險因素的考量，目前的技術(shù)成熟度完全可以滿足固定部件的可靠性要求，未來CMC材料還將用在發(fā)動機的更多部件上。在記者問到今后Leap發(fā)動機的升級方向上，佘克·沙茹簡單地答道：“CMC技術(shù)?！?/p>

其實，GE已經(jīng)開始了相關(guān)實驗。去年，GE在F414軍用發(fā)動機上進行了CMC材料渦輪轉(zhuǎn)子葉片的關(guān)鍵性試驗。GE方面已明確要將該材料應(yīng)用到下一代GE9X發(fā)動機的第二級高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片上。

此外，為了應(yīng)對CMC部件的產(chǎn)能壓力，GE正在建設(shè)新工廠用以支持CMC部件的生產(chǎn)。喬伊斯透露，GE將在美國北卡羅萊納州的阿什維爾開設(shè)一個工廠為Leap發(fā)動機生產(chǎn)CMC部件，這一工廠今后也將為GE9X發(fā)動機提供支持。

GE已經(jīng)將CMC作為其未來發(fā)展的核心技術(shù)之一。就像GE此前將GEnx的新技術(shù)應(yīng)用到CF6發(fā)動機上一樣，隨著CMC技術(shù)的進步，該技術(shù)也將逐步應(yīng)用在787和747-8的GEnx上，并在GE和CFM的新一代發(fā)動機上得到全面推廣。

除了CMC技術(shù)外，CFM用在Leap發(fā)動機上的最新技術(shù)還包括三維編織的碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇和風(fēng)扇機匣，壓比為22∶1的高壓壓氣機，其中前5級采用整體葉盤設(shè)計以及第二代貧油燃燒室。沙茹表示，CFM公司完成了第三臺核心機驗證機的測試工作，測試結(jié)果顯示部件的性能超過預(yù)期。

普惠：齒輪只是個支點

“未來GTF發(fā)動機還將有20%～30%的升級空間”

盡管相比現(xiàn)役的發(fā)動機，CFM公司的Leap-1A和普惠公司的PW1100G都大幅增加了風(fēng)扇尺寸和涵道比，但可以籠統(tǒng)地說，CFM公司把更多精力放在發(fā)動機熱效率的提高上，普惠公司則更注重提高發(fā)動機的推進效率。

根據(jù)簡單的發(fā)動機原理，要想降低發(fā)動機的耗油率，最直接的辦法就是增大風(fēng)扇尺寸，擴大涵道比，但這也將面臨發(fā)動機重量增加、飛機阻力增加、風(fēng)扇設(shè)計難度增加以及渦輪轉(zhuǎn)速不匹配等諸多負(fù)面因素。為了解決渦輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不匹配的問題，普惠利用自己在齒輪技術(shù)方面的優(yōu)勢，將齒輪傳動裝置革命性地引入渦扇發(fā)動機，從而極大地提高了發(fā)動機的整體效能。

普惠方面表示，PW1100G的性能提升有30%來自新增的齒輪裝置，由于普惠將齒輪傳動技術(shù)應(yīng)用在大型渦扇發(fā)動機上，在發(fā)動機風(fēng)扇和低壓壓氣機之間增加了一個1∶3的齒輪箱，在增大低壓壓氣機和低壓渦輪轉(zhuǎn)速的同時還能降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，同時提升了這兩部分的效率。

“所有人都認(rèn)為我們技術(shù)進步僅限于齒輪，事實上，齒輪技術(shù)只是幫助我們更好地運用發(fā)動機的速度特性，” 普惠公司新一代產(chǎn)品部副總裁鮑勃·賽亞在接受媒體采訪表示：“GTF家族的核心機是行業(yè)里最好的，它可以提供高達(dá)50∶1的總壓比。GTF的高壓壓氣機壓比為16∶1，比Leap發(fā)動機低一些，但由于GTF低壓壓氣機的轉(zhuǎn)速更快，所以低壓部分可以提供更高的壓比，而且低壓渦輪級數(shù)也更少?！?/p>

更高的轉(zhuǎn)速也有助于降低發(fā)動機核心機的溫度，這將降低發(fā)動機部件的維護成本。“PW1100G核心機溫度比目前的V2500發(fā)動機高，但是顯著低于Leap-1A，” 鮑勃·賽亞表示：“要想提高發(fā)動機效率，要么選擇驅(qū)動更多低速空氣，要么提高核心機溫度，我們認(rèn)為前者更具性價比?！逼栈莘矫姹硎荆Ｊ販u輪前溫度再加上先進材料以及先進的冷卻系統(tǒng)使GTF的高壓渦輪冷卻氣流減少了20%。

相比普惠PW1100G發(fā)動機上9級高壓壓氣機和3級低壓渦輪，Leap-1A發(fā)動機則選擇了10級高壓壓氣機和7級低壓渦輪的設(shè)計方案。顯然，這會提高發(fā)動機重量，并有可能增加維護成本。對此，佘克·沙茹表示：“我們需要綜合評估發(fā)動機的整體性能，高壓壓氣機增加一級帶來了5%的油耗節(jié)省，由于需要帶動更大的風(fēng)扇所以低壓壓氣機級數(shù)也有所增加，但Leap發(fā)動機的核心段尺寸減少了很多，所以整體的重量增幅很小?！贝送?，得益于新材料技術(shù)的應(yīng)用，CFM方面認(rèn)為Leap發(fā)動機的維護成本將與當(dāng)前的CFM56發(fā)動機保持一致。

巴黎航展期間，普惠總裁大衛(wèi)·漢斯表示，CFM不可能達(dá)到其聲稱的燃油效率和維護成本“除非他們違反物理定律”。LEAP-1A還沒開始進行整機測試，“而我們的neo發(fā)動機都已經(jīng)飛上天了，在我們已經(jīng)完成的認(rèn)證測試中，燃油效率比預(yù)期好0.5%?！?/p>

日前，佘克·沙茹在北京媒體見面會上表示，Leap-1A發(fā)動機在燃油效率方面要比PW1100G發(fā)動機高3%?！盎谖覀兊臏y試結(jié)果，在進入服役時，-1A發(fā)動機的耗油率將比競爭對手少1%；隨著未來的進一步升級，耗油率還將比對手減少1%；在A321neo上，由于航線更長，我們的巡航耗油率還將比對手少1%?！?/p>

齒輪作為普惠新一代發(fā)動機的“支點”已經(jīng)撬動了整個發(fā)動機性能，而齒輪本身的技術(shù)狀態(tài)和可靠性則成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點之一。普惠方面表示，齒輪傳動技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了20多年的技術(shù)積累，技術(shù)成熟度已經(jīng)完全可靠，對航空公司來說是免維護的?！案晒こ痰娜硕紩幸苫?，新增加的機械機構(gòu)必然帶來維護方面的憂慮，大齒輪和小齒輪區(qū)別很大，”GE的工作人員對記者表示。

與CFM不同，普惠的技術(shù)路線圖中沒有CMC技術(shù)，但在齒輪傳動、風(fēng)扇設(shè)計以及核心機設(shè)計方面將有大幅提升。大衛(wèi)·漢斯表示，根據(jù)普惠已經(jīng)制定的技術(shù)升級路線圖，到本世紀(jì)20年代中期GTF發(fā)動機的燃油效率將比目前水平再提高20%～30%。這一計劃涵蓋了整個發(fā)動機，包括更高效和更輕的風(fēng)扇葉片和更大傳動比的齒輪箱，并計劃將發(fā)動機總壓比提升至60，還有更高效的燃燒室和渦輪冷卻系統(tǒng)。

“我們曾希望將CMC技術(shù)應(yīng)用在五代機的發(fā)動機上，但是那樣并不劃算，沒有什么技術(shù)是免費的?！滨U勃·賽亞表示，普惠正在研發(fā)其他性能類似的材料，并計劃將新材料用在發(fā)動機的非核心部件上。我們不用CMC技術(shù)也能在20年代中期將發(fā)動機效率提高20%～30%。

航空公司用訂單投票

根據(jù)CFM方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前CFM贏得了726架A320neo的發(fā)動機訂單，普惠贏得了759架。但是，CFM國際公司執(zhí)行副總裁佘克·沙茹說：“目前，CFM還有一個75架A320neo的新訂單沒有計算在內(nèi)，這樣的話，我們在A320neo上的市場份額也居于領(lǐng)先地位?！?/p>

然而，現(xiàn)在仍有超過1/3的A320neo發(fā)動機訂單尚未宣布，對航空公司來說，進一步了解兩款發(fā)動機的性能和維護成本則變得至關(guān)重要?！昂芏嗪娇展緶?zhǔn)備觀察早期進入運營的飛機表現(xiàn)，然后再決定發(fā)動機的歸屬。” 普惠及IAE中國區(qū)總裁中野茂秋表示：“普惠PW1100G發(fā)動機地面和飛行測試的順利進展將會對發(fā)動機銷售帶來很多促進作用，這些測試降低了發(fā)動機運營時的潛在風(fēng)險，這很有利于航空公司控制成本?！?/p>

不管是飛機制造商還是航空公司，他們都希望在飛機進入服役時，發(fā)動機已經(jīng)有了足夠的可靠性，這也就迫使發(fā)動機制造商更早的確定技術(shù)路線，并花費更多時間和金錢用以開發(fā)相關(guān)技術(shù)，甚至是在飛機平臺尚未出現(xiàn)前，就已經(jīng)做好了準(zhǔn)備。其實，不管是哪家公司，新一代發(fā)動機所采用的核心技術(shù)和整體架構(gòu)都已在多年前確定。

為了確保發(fā)動機的可靠性，CFM公司和普惠公司都投入了大量精力。CFM公司表示，今后幾年CFM公司將生產(chǎn)60臺發(fā)動機，用于Leap發(fā)動機家族三個型號的地面和飛行測試，這些發(fā)動機的所有測試時間，累計起來相當(dāng)于一架飛機在航空公司運營15年。同樣的，普惠方面將投入8臺發(fā)動機用于PW1100G發(fā)動機的驗證試驗。

數(shù)十年的技術(shù)積累和多年的驗證試驗，讓兩個發(fā)動機公司都志在必得，對航空公司來說，或許任何一種選擇都沒有錯。