大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展研究

沈錫鋼，齊曉雪，郝 勇

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展研究

沈錫鋼，齊曉雪，郝 勇

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)用途廣泛、市場(chǎng)巨大，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防建設(shè)和科技進(jìn)步具有重大推動(dòng)作用和戰(zhàn)略意義。概述了國(guó)內(nèi)外大型軍民用運(yùn)輸機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，歸納了其性能與適航要求更高、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性更好的發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)了其多繼承少創(chuàng)新，共用核心機(jī)系列化和軍民融合的發(fā)展途徑。針對(duì)中國(guó)目前和未來(lái)的需求，提出了需要突破的總體設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性、高壓高效葉輪機(jī)、高性能燃燒室、先進(jìn)空氣系統(tǒng)等通用技術(shù)和適航、大尺寸彎掠風(fēng)扇葉片、復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、低噪聲設(shè)計(jì)、低污染燃燒室、反推力裝置等特有技術(shù)。

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；發(fā)展思路；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

大型運(yùn)輸機(jī)及其動(dòng)力裝置是1個(gè)國(guó)家國(guó)力和軍力的象征，是1個(gè)民族屹立于世界強(qiáng)國(guó)之林的標(biāo)志之一，在維護(hù)國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著重要作用。國(guó)外從20世紀(jì)70年代開(kāi)始開(kāi)展大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已達(dá)到技術(shù)成熟，研制出系列化產(chǎn)品。雖然目前中國(guó)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制已經(jīng)取得了一定的成果，但是與國(guó)際上同類先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比仍存在一定差距。所以在現(xiàn)階段，應(yīng)認(rèn)清形式，梳理發(fā)展思路，制定正確的發(fā)展策略，為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展提供支持。

本文針對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和發(fā)展進(jìn)行研究。

1 運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力裝置需求分析及預(yù)測(cè)

據(jù)美國(guó)波音公司預(yù)測(cè)，未來(lái)20年（2012～2031年），全世界民航市場(chǎng)將需要民用飛機(jī)34000架，市場(chǎng)總價(jià)值為4.5萬(wàn)億美元，其中單通道飛機(jī)需求量為23240架，占總需求的68.4%，市場(chǎng)價(jià)值為2.06萬(wàn)億美元，占總價(jià)值的45.8%；雙通道飛機(jī)需求量為7950架，占總需求的23.4%，市場(chǎng)價(jià)值為2.08萬(wàn)億美元，占總價(jià)值的46.2%；大型寬體飛機(jī)需求量為790架，占總需求的2.3%，市場(chǎng)價(jià)值為2800億美元，占總價(jià)值的6.2%；支線飛機(jī)的需求量為2020架，占總需求的5.9%，市場(chǎng)價(jià)值為800億美元，占總價(jià)值的1.8%。由此可見(jiàn)，未來(lái)民機(jī)市場(chǎng)需求量和市值最大的是單通道和雙通道飛機(jī)。

中國(guó)民航業(yè)發(fā)展的預(yù)測(cè)表明，在未來(lái)20年，中國(guó)的旅客周轉(zhuǎn)量年均增長(zhǎng)7.4%，客機(jī)數(shù)量年均增長(zhǎng)6.9%。到2030年，為滿足運(yùn)量的增長(zhǎng)和替換退役飛機(jī)，中國(guó)客機(jī)新機(jī)交付量為4600余架，其中單通道噴氣客機(jī)超過(guò)3000架，雙通道客機(jī)800余架，支線客機(jī)600余架。

在大型軍用運(yùn)輸機(jī)方面，目前中國(guó)裝備部隊(duì)的大型軍用運(yùn)輸機(jī)主要為從俄羅斯購(gòu)買(mǎi)的伊爾-76大型運(yùn)輸機(jī)，配裝Д-30ΚΠⅡ發(fā)動(dòng)機(jī)，由于裝備的飛機(jī)數(shù)量有限，還不能完全滿足運(yùn)輸?shù)男枨蟆?/p>

未來(lái)軍用運(yùn)輸機(jī)將向著載質(zhì)量更大、航程及作戰(zhàn)半徑更大、巡航高度更高、速度更快以及安全性、可靠性和維護(hù)性更高的方向發(fā)展，戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)及戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)需求量將逐步增大，對(duì)應(yīng)需要大量不同推力等級(jí)的、更為先進(jìn)、可靠的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展概況及趨勢(shì)

2.1 大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展概況

目前，在國(guó)際市場(chǎng)上，大型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制主要依賴GE、PW和RR 3大公司，各公司發(fā)動(dòng)機(jī)系列化發(fā)展，已成壟斷格局，推力范圍覆蓋了100～500 kN。而俄羅斯研制的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要配裝本國(guó)生產(chǎn)的大型飛機(jī)。

國(guó)外主要的軍、民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1、2。

為了滿足未來(lái)大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)需求，國(guó)外制定了大量的技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，旨在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和部件效率，降低污染排放、噪聲及維護(hù)成本。包括美國(guó)的VAATE計(jì)劃、UEET計(jì)劃，歐洲的ANTLE計(jì)劃、CLEAN計(jì)劃等，這些計(jì)劃所取得的研制成果已逐步貫徹到新研的產(chǎn)品中，使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和環(huán)保水平將進(jìn)一步提高。

2.2 大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展特點(diǎn)和趨勢(shì)

軍、民用運(yùn)輸機(jī)的基本功能均為運(yùn)送有效載荷，因此其配裝的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)基本類似。但由于其使用環(huán)境和用途及目的不同，造成其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)稍有差異。

（1）采用成熟的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高可靠性，大型運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力裝置普遍采用成熟的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。同時(shí)針對(duì)軍、民用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，充分考慮軍民共用，避免了由于更換發(fā)動(dòng)機(jī)引起的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。如在伊爾-76MF軍用運(yùn)輸機(jī)，選用了已經(jīng)在伊爾-96和圖214客機(jī)上使用驗(yàn)證的ПС-90A發(fā)動(dòng)機(jī)。同樣在A330客機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)研制的MRTT多用途加油機(jī)/軍用運(yùn)輸機(jī)仍然采用原A330客機(jī)的Trent700發(fā)動(dòng)機(jī)。

表1 大型軍用運(yùn)輸機(jī)及特種飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

（2）為了降低技術(shù)難度和風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)調(diào)繼承性，采用縮放技術(shù)，系列化發(fā)展。大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和發(fā)展強(qiáng)調(diào)“繼承”，在充分利用已有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上逐漸創(chuàng)新，同時(shí)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)或核心機(jī)縮放快速獲得不同推力級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)降低研制費(fèi)用，縮短周期，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)。CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)就是基于F101發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)而研制的，其系列化發(fā)展（如圖1所示）始終以保證可靠性、延長(zhǎng)使用壽命、滿足環(huán)保要求為目標(biāo)，堅(jiān)持走“大部分繼承，少部分更改”的道路。而Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖2所示）通過(guò)縮放核心機(jī)也已經(jīng)發(fā)展至第6代，推力范圍覆蓋235～422 kN。

表2 民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖1 CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)系列發(fā)展

圖2 Trent發(fā)動(dòng)機(jī)系列發(fā)展

（3）成熟技術(shù)與新技術(shù)結(jié)合，發(fā)展新型號(hào)。對(duì)于新研的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，主要在成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用部分已有發(fā)動(dòng)機(jī)或研究計(jì)劃中驗(yàn)證的新技術(shù)來(lái)提高和改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。GP7200發(fā)動(dòng)機(jī)的研制是GE和PW公司在原有的PW4090和GE90發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，研究和突破了3維氣動(dòng)設(shè)計(jì)、噪聲控制、低排放燃燒室、新材料和第3代FADEC等關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)如GE90、Trent XWB、CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用的先進(jìn)技術(shù)，均在E3E、Tech56等發(fā)動(dòng)機(jī)或研究計(jì)劃中得到充分驗(yàn)證。

（4）進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)部件效率和總體熱力水平。為滿足未來(lái)軍、民用運(yùn)輸機(jī)對(duì)性能、環(huán)保性和可靠性的要求，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)部件效率水平和總體熱力循環(huán)參數(shù)是必然采取的措施。由于軍用運(yùn)輸機(jī)使用頻率比民用運(yùn)輸機(jī)的低，且對(duì)經(jīng)濟(jì)性及成本要求也沒(méi)有民機(jī)要求苛刻，因此軍用運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比不會(huì)增加太多，基本保持在目前水平，但是民用發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比有進(jìn)一步增加的趨勢(shì)。

（5）滿足適航要求。隨著適航要求的逐步提高，未來(lái)大型軍、民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)仍然是進(jìn)一步減少污染排放，降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，提高安全性并減少壽命期運(yùn)行成本。

（6）新型結(jié)構(gòu)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。常規(guī)結(jié)構(gòu)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在國(guó)外發(fā)展已相當(dāng)成熟，發(fā)展的空間已經(jīng)有限。在石油價(jià)格需求日益增加的情況下，齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇（GTF）發(fā)動(dòng)機(jī)和槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)等新型結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其能有效降低噪聲和耗油率，將得到一定的發(fā)展。

3 中國(guó)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展方向及途徑

3.1 中國(guó)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展方向

根據(jù)軍、民用飛機(jī)對(duì)動(dòng)力裝置的需求以及中國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展，未來(lái)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)可考慮以下幾個(gè)方向。

（1）戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)和戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力裝置。該型發(fā)動(dòng)機(jī)可雙發(fā)配裝于戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)，或4發(fā)配裝于戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前中國(guó)在研的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)主要是小型運(yùn)輸機(jī)，運(yùn)載能力相對(duì)較小，無(wú)法滿足空軍運(yùn)力以及發(fā)展需求；同時(shí)根據(jù)目前國(guó)際發(fā)展的趨勢(shì)，既具有戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)功能又具有戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸機(jī)特點(diǎn)的新型運(yùn)輸機(jī)受到了重視，需要配裝推力較大的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

（2）更大推力級(jí)的軍、民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。中國(guó)目前還沒(méi)有自主研制的大載質(zhì)量長(zhǎng)航程重型運(yùn)輸機(jī)，從而制約了空軍對(duì)重型裝備的空中運(yùn)載能力。美、俄等國(guó)家擁有的C-5、安-124、安-225等重型運(yùn)輸機(jī)已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)臄?shù)量，國(guó)內(nèi)的運(yùn)力無(wú)法與之抗衡。同時(shí)根據(jù)民航飛機(jī)的發(fā)展，民用發(fā)動(dòng)機(jī)具有很大的市場(chǎng)空白和發(fā)展前景。

（3）新型結(jié)構(gòu)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。目前傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展已經(jīng)接近極致，因此提高效率和經(jīng)濟(jì)性是發(fā)動(dòng)機(jī)未來(lái)主要發(fā)展方向，即要開(kāi)展新型結(jié)構(gòu)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，如發(fā)展齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)等，在國(guó)外已經(jīng)得到了初步驗(yàn)證。

3.2 中國(guó)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展途徑

根據(jù)中國(guó)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)水平和發(fā)展方向，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展應(yīng)采取以下途徑。

（1）充分利用已有的研制基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)化應(yīng)用研制成果，以發(fā)展為主線，堅(jiān)定不移地堅(jiān)持自主創(chuàng)新，掌握知識(shí)產(chǎn)權(quán)。通過(guò)自主開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，突破主要關(guān)鍵技術(shù)，解決技術(shù)落后的被動(dòng)局面。

（2）雖然中國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，并取得了一些成果，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，部分關(guān)鍵技術(shù)尚未掌握等差距。因此在堅(jiān)持自主創(chuàng)新的同時(shí)，積極開(kāi)展對(duì)外合作，在合作中汲取先進(jìn)技術(shù)，鍛煉設(shè)計(jì)隊(duì)伍，提升研制能力。

（3）重視軍民融合，同時(shí)認(rèn)識(shí)各自的特性，在民用發(fā)動(dòng)機(jī)適航、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面開(kāi)展深入研究，形成軍、民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立而完善的發(fā)展體系。

4 需突破的關(guān)鍵技術(shù)

雖然軍、民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)具有較強(qiáng)的通用性，但由于使用方法和側(cè)重不同，仍有一些各自的技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)與中國(guó)研制的軍用小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，除在技術(shù)原理、理論基礎(chǔ)等方面有一定的通用性之外，在涵道比的大小、使用要求和側(cè)重點(diǎn)等方面存在不同，從而帶來(lái)了關(guān)鍵技術(shù)上的差異。軍、民用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 軍民用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比

4.1 大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)共用關(guān)鍵技術(shù)

（1）總體方案設(shè)計(jì)技術(shù)（含飛發(fā)一體化和經(jīng)濟(jì)性分析）。

（2）穩(wěn)定性設(shè)計(jì)技術(shù)研究和驗(yàn)證。

（3）整機(jī)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與減振技術(shù)。

（4）葉尖間隙控制技術(shù)。

（5）高壓比、高效高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。

（6）高效、高負(fù)荷高壓渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)。

（7）高效、低噪聲多級(jí)低壓渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)。

（8）空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)及驗(yàn)證。

4.2 民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)特有關(guān)鍵技術(shù)

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)/飛機(jī)整機(jī)噪聲預(yù)測(cè)分析及控制技術(shù)。

（2）高性能大尺寸風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片3維彎掠設(shè)計(jì)技術(shù)。

（3）寬弦空心/復(fù)合材料風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。

（4）復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣及包容環(huán)包容技術(shù)。

（5）風(fēng)扇/增壓級(jí)低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)。

（6）風(fēng)扇機(jī)匣及其降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。

（7）低排放、長(zhǎng)壽命燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)。

（8）低排放燃燒室組織燃燒技術(shù)。

（9）燃用航空替代燃料燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)。

（10）排氣系統(tǒng)噪聲預(yù)測(cè)及降噪關(guān)鍵技術(shù)。

（11）控制系統(tǒng)安全性、可靠性設(shè)計(jì)和高可靠性、高壽命部件設(shè)計(jì)技術(shù)。

（12）預(yù)測(cè)與健康管理（EPHM）技術(shù)。

（13）適航技術(shù)。

（14）齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)。

（15）大功率減速齒輪箱設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是自主研制大型飛機(jī)的關(guān)鍵，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不突破，就無(wú)法掌握大型飛機(jī)研制的主動(dòng)權(quán)。由于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制技術(shù)難度大、研制周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，為了提升國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平，滿足軍、民用飛機(jī)需求，應(yīng)盡早明確發(fā)展方向，理清思路，開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用研究，同時(shí)開(kāi)展新型循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)論證和探索，以實(shí)現(xiàn)中國(guó)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平的飛躍。

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Investigation of High Bypass Ratio Turbofan Engine Development

SHEN Xi-gang,QI Xiao-xue,HAO Yong
（AVICShenyangEngineDesignandResearchInstitute,Shenyang110015,China）

High bypass ratio turbofan engine has been widely used in global market, and it has remarkable promotion and strategy meaning on economy development,national defense construction,and science and technology improvement.The future development trend was summarized that including the performance is higher,the airworthiness requirement is stricter,the affordability and environmental protection ability are better.The development road was overviewed that is more inherent and less innovation,and is derivates from common core,and could be used in both military and civil.For future advanced high bypass ratio turbofan engine,the common and special technologies to be developed and demonstrated are proposed.The common technologies include general engine design,stability,high pressure and high efficiency turbomachinery,high performance combustor,advanced second air system,etc.The special technologies include airworthiness,large size lean-swept fan blade,composites fan blade,low noise design,low emission combustor,thrust reverser,etc.

high bypass ratio turbofan engine;development ideas;key technology

沈錫鋼（1963），男，自然科學(xué)研究員，中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所副所長(zhǎng)，主要從事大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)工作。

2013-08-15