大涵道比渦扇發(fā)動機的發(fā)展

■ 陳光 / 北京航空航天大學

1970年1月22日，配裝JT9D-3A大涵道比渦扇發(fā)動機的波音747寬體客機投入使用，翻開了航空發(fā)展的新篇章；2020年，隨著配裝GE9X 發(fā)動機的波音777X投入使用，又將迎來航空發(fā)展的新時代。

從JT9D發(fā)動機到GE9X發(fā)動機，民用大涵道比發(fā)動機經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展。期間，大涵道比渦扇發(fā)動機的發(fā)展有著天翻地覆的變化，不僅研制出的型號多達幾十個，而且隨著新技術（氣動、結(jié)構(gòu)、材料、涂層、工藝）的不斷加入，使發(fā)動機的性能（推力、耗油率、排放與噪聲）、可靠性、維修性及壽命均大幅提高?；仡欉@50年的發(fā)展歷程，大致每隔10年可劃分為一個階段，每個階段都有其特點。

20世紀70年代

20世紀70年代是民用大涵道比渦扇發(fā)動機發(fā)展初期，代表型號有普惠公司的JT9D（用于波音公司的四發(fā)747）、GE公司的CF6-6（用于麥道公司的三發(fā)DC-10）、羅羅公司的RB211-22B（用于洛克希德公司的三發(fā)L-1011），這3型發(fā)動機分別于1970年、1971年與1972年投入使用。羅羅公司在RB211中采用了獨特的三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與復合材料的風扇葉片，雖然研制過程遇到了許多困難，經(jīng)費超支，加上英鎊貶值，不僅是3型發(fā)動機中最后投入使用的，而且公司還被迫宣布破產(chǎn)，直至英國政府接管后，才完成了項目研制，但其獨特的三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)卻沿用至今，成為羅羅公司的招牌設計。

這一批大涵道比渦扇發(fā)動機的涵道比約為5∶1，總壓比約為24∶1，與當時著名的小涵道比渦扇發(fā)動機（如斯貝、JT8D）相比，均有大幅度提高。涵道比的增大使推進效率提高，總壓比增大使熱效率提高、耗油率下降較多，如表1所示。

這一批的大涵道比渦扇發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設計特點：風扇葉片均采用了具有減振與加強抗外物打擊能力的葉身凸肩，包容環(huán)為帶凸環(huán)的合金鋼制成的環(huán)形機匣，壓氣機葉片采用二維氣動方法設計，高壓壓氣機轉(zhuǎn)子中輪盤—鼓環(huán)—輪盤間采用短螺栓的連接方式，燃油調(diào)節(jié)器采用液壓機械式等。飛機與發(fā)動機的關系是：一型飛機只配一型發(fā)動機，一型發(fā)動機只用于一型飛機。

20世紀80年代

20世紀80年代是民用大涵道比渦扇發(fā)動機的蓬勃發(fā)展時期，主要的發(fā)動機型號包括：大推力級別有普惠公司的PW4000（見圖1）、GE公司的CF6-80C2、羅羅公司的RB211-524D、RB211-524G/H，推力為220～280kN；中等推力級別有普惠公司的PW2000、羅羅公司的RB211-535E4，推力為170～190kN；小推力級別有IAE公司的V2500、CFM國際公司的CFM56-3，推力為90～110kN。

表1 20世紀60、70年代幾型著名發(fā)動機的參數(shù)

圖1 PW4000發(fā)動機

表2 20世紀80年代幾型著名發(fā)動機的參數(shù)

圖2 CF6-80C2包容環(huán)

這一批發(fā)動機的涵道比基本維持在5∶1左右，但總壓比增加較顯著達到28～32∶1，因此耗油率有明顯降低。表2列出了20世紀80年代的幾種代表型號的主要參數(shù)。

20世紀80年代中期，民用飛機得到大力發(fā)展，世界上兩大飛機制造商推出了多種飛機型號，波音公司推出 了747-400、757、767與737-300/-400系列，空客公司則推出了A300-600系列與A320系列。飛機與發(fā)動機的關系則出現(xiàn)了所謂的“一機多發(fā)、一發(fā)多機”的關系，即一型客機可選用多型發(fā)動機，而一型發(fā)動機又可用于多型飛機中。例如，747既可以配裝普惠的PW4000，又可以配裝GE的CF6-80C2或羅羅的RB211-524。發(fā)動機也是如此，PW4000既可用于747-400，又可用于767或A300-600，CF6-80C2與RB211-524也是既可用于747-400，又可用于767或A300。

這一批發(fā)動機，除RB211-535E4外，所有風扇葉片仍帶葉身凸肩；在風扇與壓氣機葉片上，葉型設計已由二維逐漸向準三維、全三維發(fā)展；包容環(huán)已由純鋼制外環(huán)改為在鈦或鋁制薄環(huán)外纏繞幾十層由凱芙拉復合材料制成的條帶結(jié)構(gòu)（見圖2）；壓氣機中廣泛采用了焊接轉(zhuǎn)子，取代螺栓連接的結(jié)構(gòu)；定向結(jié)晶、單晶渦輪葉片以及粉末冶金的渦輪盤廣泛被采用；全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的燃油調(diào)節(jié)器；完善的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)動機中得到廣泛應用。

這其中值得一提的是RB211-535E4（見圖3），它是羅羅公司為滿足757的需要，在RB211-22B的基礎上縮小尺寸研發(fā)的，裝此發(fā)動機的757于1984年10月投入航線運營。在距JT9D投入運營 14年后，RB211-535E4的風扇葉片終于做成了取消葉身凸肩的寬弦設計，而普惠公司與GE公司則在其后11年才研發(fā)出無凸肩的寬弦風扇葉片。

圖3 RB211-535E4發(fā)動機

圖4 分開式尾噴口（上圖）與共享式尾噴口（下圖）

應該說，RB211-535E4在大涵道比航空發(fā)動機發(fā)展歷程中占據(jù)了一定地位，因為它實現(xiàn)了多個世界第一。第一次研發(fā)了“三明治”式的夾層風扇葉片的制造技術，使寬弦風扇葉片得以取消凸肩。第一次采用了共享式噴口，在之前的大涵道比渦扇發(fā)動機中，外涵道的冷氣流與內(nèi)涵道的高溫熱氣流是分別由各自的噴口流出，而在共享式噴口中，外涵道的冷氣流通過摻混器流入內(nèi)涵道，與內(nèi)涵道的熱氣流摻混后由共享的噴口流出（見圖4），可提高推進效率，降低耗油率和噪聲，打開反推裝置時反推力大等，但這一設計使發(fā)動機質(zhì)量增加，適合遠航程的發(fā)動機采用。另外，還第一次在壓氣機葉片中采用端彎處理，以減少端壁邊界層影響，從而提高效率與喘振裕度。在渦輪中，采用復合傾斜的渦輪導向葉片，即導向葉片是采用三維設計成復合傾斜式的，即沿軸向、徑向均做成曲線狀，而不像常規(guī)葉片做成直線的，以減少端壁損失等。

20世紀90年代

20世紀90年代，新研發(fā)的大型客機有空客的A330/A340與波音的777：A330采用的發(fā)動機為PW4168（即風扇直徑為2.54m的PW4000）、CF6-80E1與遄達700，推力范圍為280～320kN；A340采用4臺CFM56-5C發(fā)動機或遄達500發(fā)動機，推力范圍為140～240kN；777采用的發(fā)動機為PW4084（即風扇直徑為23.87m的PW4000）、GE90與遄達800，推力范圍為331～435kN。

在這一時期，發(fā)動機涵道比提高到6～8∶1，總壓比增加較大達到34～40∶1，因此耗油率比上一時期的有明顯降低。表3列出了20世紀90年代的幾種代表型號的主要參數(shù)。

在這一時期，一型發(fā)動機只用于一型飛機，而一型飛機能選用三家航空發(fā)動機公司的發(fā)動機。在這6型發(fā)動機中，配裝A330的3型發(fā)動機的結(jié)構(gòu)與性能基本與80年代的發(fā)動機水平相同，而配裝777的發(fā)動機則有較大的提高。

777是波音公司于1990年年初提出、計劃于1995年年中投入運營的大型雙通道、雙發(fā)寬體客機，號稱是第一款無圖樣設計的飛機，也是一個冒極大技術風險的產(chǎn)品，它在大型客機的發(fā)展中登上了一個新的、具有歷史意義的臺階。

777的研制目標是要在投入運營之初，就能用雙發(fā)客機開通過去只能由三發(fā)與四發(fā)客機飛行的任意航線的能力（截至20世紀90年代初，還沒有任何一種雙發(fā)客機在使用初期具備這種能力）。它有兩個型號：777-200型，航程為7700km，載客量為364座，起飛總質(zhì)量為233.6t；777-300型，航程為12230km，載客量為298座，起飛總質(zhì)量為267.6t。

據(jù)統(tǒng)計，當時已有的雙發(fā)客機，發(fā)動機總推力與起飛總質(zhì)量之比為1.4～1.7kN／t，如按最小比值計，兩型777客機的發(fā)動機至少應分別提供327kN與375kN推力，而在當時已投入使用的發(fā)動機中，最大的推力約為270kN。另外，據(jù)統(tǒng)計分析，一種客機投入運營后，起飛總質(zhì)量將不斷增加，運營10年后，飛機的起飛總重往往會加大25%左右，屆時，飛機所用的發(fā)動機推力也應增加20%～30%。由此可見，777需要的是一種推力至少為327kN并可增大到400kN或更大的特大型發(fā)動機。因此，研制出推力特大型發(fā)動機是777提出的第一個巨大挑戰(zhàn)。

表3 20世紀90年代主要大涵道比發(fā)動機的參數(shù)

777要在投入運營之初就能像三發(fā)或四發(fā)客機一樣具有能開通任意航線的能力，這就要求在飛機投入運營時，就能通過適航當局的180min雙發(fā)延程飛行（ETOPS）認證，這是對發(fā)動機行業(yè)提出的另一個極為嚴苛的要求，因為適航當局從保證飛機飛行安全出發(fā)，對此作了許多嚴格的規(guī)定，其中對發(fā)動機的規(guī)定是：針對120min ETOPS，發(fā)動機累計工作時間超過25萬小時，空中停車率低于每千小時0.05次；針對 180min ETOPS，在獲準120min ETOPS后已工作1年，空中停車率低于每千小時0.02次。例如，配裝PW4152的A300于1987年6月 投 入運營，歷時4年3個月后，在1991年9月才獲得 180min ETOPS批準。而777要在投入運營之初獲得180min ETOPS批準，這就要求所研制的發(fā)動機有極高的可靠性，它的目標難度有多大是可想而知的。

但三大發(fā)動機公司迎難而上，為777研制出了3型發(fā)動機，即普惠的PW4084、羅羅的遄達800與GE的GE90，前兩型是在原有性能較好的發(fā)動機基礎上，改進衍生發(fā)展的。采用衍生發(fā)展新發(fā)動機雖能減少技術風險，縮短研制周期，但繼續(xù)增加推力的潛力受到限制，例如用于777的PW4084是在用于A330的PW4164基礎上衍生發(fā)展的，其初始推力為373.6kN，其最后型號的推力為435.9kN, 其推力只增加了16%。GE90則是采用了全新的設計方法來研制的，既能滿足飛機目前所要求的推力，又考慮到今后發(fā)展需要加大推力兩方面的要求，還不受原有發(fā)動機的約束，從循環(huán)參數(shù)的選擇到部件結(jié)構(gòu)設計以及總體結(jié)構(gòu)布局均以滿足設計目標而采用的一種較優(yōu)化的研制途徑，但研制中困難較大，周期也稍長。因此，GE90的性能及發(fā)展?jié)摿^好，尺寸也最大，它的風扇葉尖直徑為3.124m。

波音公司與三大發(fā)動機公司共同努力，經(jīng)過5年的奮戰(zhàn)，777按計劃于1995年6月交付航空公司，而且實現(xiàn)了能飛任何航線的能力，這也為在21世紀發(fā)展的雙發(fā)客機樹立了榜樣，全都努力做到了首飛時即獲得180min ETOPS批準。

777的3型發(fā)動機采取的新技術，能代表20世紀90年代發(fā)動機的水平，它們有以下特點。

第一，風扇葉片采用了不同的方法做成不帶凸肩的寬弦風扇葉片，羅羅發(fā)展了它的第二代空心葉片，即用超塑性成形/擴散連接（SPF/DB）的方法做成帶桁架心的夾層空心葉片；普惠采用在葉盆與葉背中心處開縱槽然后焊成一體制成開縱槽的空心葉片；GE公司采用了復合材料來制作葉片，在葉身的壓力面上，涂有聚氨脂防腐蝕涂層，葉背上涂有一般的聚氨酯涂層，并將鈦合金薄片粘在葉片前、后緣與葉尖處。此后，新研制的大涵道比風扇發(fā)動機的風扇葉片均為寬弦。

第二，高壓壓氣機中，GE90采用了較高的級增壓比（1.36∶1）；后幾級中采用整體外環(huán)，以提高效率；靜子葉片做成沿徑向彎曲不是直線形的, 如圖5所示，這種稱之為NSATAR的彎曲設計，能減小上下端壁處的分離區(qū)，因而可減小氣動損失；靜葉不對稱安裝，以降低振動應力等。

圖5 常規(guī)與彎曲靜葉比較

第三，燃燒室中采用浮壁式火焰筒或鉆斜孔的鑄造火焰筒等。

第四，高壓渦輪導向葉片制成復合傾斜式的，低壓渦輪工作葉片制成與氣流成正交，即葉片不是直的，有的發(fā)動機的增壓壓氣機或中壓壓氣機的葉片也做成這種正交葉片。

另外，刷式封嚴也在發(fā)動機中得到應用，不僅用于油封處，也用于氣體封嚴處。

21世紀初

進入21世紀后，綠色航空引起廣泛關注，成為航空界在研制新機型與購置新飛機時必須考慮的原則。隨著原油價格的不斷攀升，全球性氣候變暖以及對噪聲的控制要求越來越嚴，新研制的發(fā)動機要求耗油率低、排污量少、噪聲低、操縱性及維修性好、可靠性高、壽命長等。

在此期間，由于飛機制造公司與發(fā)動機公司都忙著圍繞綠色航空的要求，研發(fā)新型飛機與發(fā)動機，因此，僅有空客公司研發(fā)的四發(fā)的超大、超遠、超豪華的A380客機投入運營。由于在777之后，普惠PW4000發(fā)動機己被大型客機棄用，因此在為A380提供發(fā)動機時，普惠只好與GE合作，成立發(fā)動機聯(lián)盟公司，研發(fā)了GP7200；羅羅為A380推出了遄達900發(fā)動機。

另外，GE為滿足波音加大航程的777-300ER與777-200LR的需要，在GE90的基礎上發(fā)展了GE90-115B，它的額定起飛推力為511kN，但在2001年11月的試車中，推力達到了569kN，創(chuàng)造了世界紀錄，使GE90-115B成為世界上推力最大的航空發(fā)動機，直至今日仍沒有被其他發(fā)動機超越。

在這一時期，發(fā)動機的涵道比與總壓比均比20世紀90年代的發(fā)動機高，因此耗油率降低較多。表4列出了21世紀初的3種代表機型的主要參數(shù)。

在這一批發(fā)動機中，GE90-115B是在GE90的基礎上發(fā)展的，以往衍生發(fā)展推力加大的發(fā)動機采用的措施是核心機不動，通過加大風扇直徑和增加壓氣機與低壓渦輪級數(shù)來加大推力，總體結(jié)構(gòu)形式基本不變；但在發(fā)展GE90-115B時，不僅核心機中的高壓壓氣機由10級減少成9級、低壓渦輪的級數(shù)未改變外，風扇轉(zhuǎn)子的支承方式做了大的改動，徹底改變了GE公司采用了近30年的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖6 遄達XWB發(fā)動機

用于A380的兩型發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)沿用了20世紀90年代的技術，例如，GP7200的核心部分是將GE90-115B的核心按72%的比例縮小而成，低壓部分則沿用了PW4084的設計；在遄達900中，中、高壓壓氣機是由遄達800按90%的比例縮小而成，燃燒室也是遄達800的縮小型，但風扇的直徑卻由遄達800的2.8m增大到了3m，因此涵道比由6.2∶1增大到8.5∶1。

21世紀10年代

在2010—2020年期間，不僅有3款性能更好的飛機先后投入運營，即2011年投入運營的787、2014年投入運營的A350XWB與將于2020投入運營的777X，而且一些老齡飛機也換裝了21世紀發(fā)展的新動力，提高了客機的經(jīng)濟性、降低了排污及噪聲，這些飛機包括由A320升級為換裝新發(fā)動機的A320neo、由737NG升級為換裝新發(fā)動機的737MAX，以及由A330升級為換裝新發(fā)動機的A330neo，這3款飛機也是在這一個10年中先后投入運營的。這些飛機均為雙發(fā)的且都在投入航線運營之初得到適航部門180min ETOPS的批準，即具備能執(zhí)行飛行世界上任何航線的能力。

表4 21世紀初主要大涵道比發(fā)動機的參數(shù)

787可配裝GE的GEnx發(fā)動機與羅羅的遄達1000發(fā)動機，A350XWB則僅選用羅羅的遄達XWB發(fā)動機（見圖6）， 777X則選用GE9X發(fā)動機。在飛機與發(fā)動機的關系中，除787外均是“一機對一發(fā)，一發(fā)對一機”的關系。羅羅還在遄達1000的基礎上采用遄達XWB的一些新技術發(fā)展了遄達1000 TEN。

雖然有兩型發(fā)動機可供787選擇，但發(fā)動機可以互換，這是在其他飛機上未能做到的。飛機客艙增壓用的空氣一改傳統(tǒng)的由高壓壓氣機引氣的做法，而是由每臺發(fā)動機各驅(qū)動兩臺大功率交流發(fā)電機為客艙增壓系統(tǒng)提供動力，同時還驅(qū)動以前由發(fā)動機驅(qū)動的液壓泵。

在遄達1000中，將由高壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動附件的傳統(tǒng)設計，改為由中壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動附件，但在發(fā)動機起動時，起動機還是驅(qū)動高壓轉(zhuǎn)子，因此，在附件傳動系統(tǒng)中設置了一套復雜的轉(zhuǎn)換裝置。

在換裝了新發(fā)動機的客機中，A330neo采用了在遄達700的基礎上發(fā)展的遄達7000發(fā)動機，737MAX采用了LEAP-1B發(fā)動機，A320neo則有LEAP-1A與PW1100G發(fā)動機供用戶選擇。LEAP發(fā)動機是CFM國際公司在CFM56-7B的基礎上，引進了許多新發(fā)展的技術研制成的系列發(fā)動機，我國的C919客機采用了LEAP-1C發(fā)動機。

普惠公司則被擠出大型客機動力市場，但其新研制的中等推力齒輪傳動渦扇（GTF）發(fā)動機（PW1000G系列），不僅用于A320neo，還用于日本三菱公司的MRJ支線客機、巴航工業(yè)的E190E2、空客A220以及俄羅斯的MC-21。

可以看出，21世紀10年代是民用渦扇發(fā)動機前所未有、蓬勃發(fā)展的新時代，表5列出了21世紀10年代主要發(fā)動機的參數(shù)。

表6 羅羅公司幾代發(fā)動機的巡航耗油率

由表5可以看出，這一時期的發(fā)動機的涵道比高達9～12.5∶1，總壓比高達40～60∶1，加上采用了眾多新技術，使發(fā)動機的耗油率降低較多。以羅羅的發(fā)動機為例，遄達XWB比遄達1000低2.75%，而遄達1000與40年前的RB211-22B相比，降低了近25%，表6示出了羅羅公司幾型發(fā)動機耗油率變化。

GE公司的發(fā)動機中，GEnx巡航耗油率比GE90低6.9%，比CF6-80E1低15.4%，而GE9X比 GE90低10%。

GE9X是最新的發(fā)動機，由于其風扇直徑為3.4m，被稱為世界上最大的渦扇發(fā)動機，但其推力小于GE90-115B；它的發(fā)動機風扇葉片采用了第四代碳纖維復合材料，加上采用了先進的三維掠形設計，使風扇葉片后掠更大、葉弦更寬、葉片更薄，葉片數(shù)量為16片，成為風扇葉片數(shù)最少的渦扇發(fā)動機。

結(jié)束語

表5 21世紀10年代主要大涵道比發(fā)動機的參數(shù)

在最新型發(fā)動機中，各種性能指標均比20世紀的發(fā)動機有較大的提高，但在研制與使用過程中，卻發(fā)生過多種罕見的故障。例如，遄達900與遄達1000，由于在中壓轉(zhuǎn)子中沒有采取防止傳動軸折斷時中壓渦輪飛轉(zhuǎn)的安全設計，幾乎在同一時間都由于制造過程中的粗制濫造出現(xiàn)了中壓渦輪盤非包容的嚴重故障，遄達900的故障差點造成A380機毀人亡的重大災難。遄達1000的中壓渦輪葉片涂層過早脫落，使葉片腐蝕斷裂，造成諸多航空公司大量787停飛。GEnx因為采用了新的擰緊大螺母用的干潤滑劑，造成低壓渦輪軸在很短的時間內(nèi)出現(xiàn)3次斷裂故障。PW1100G在使用中出現(xiàn)軸承腔漏油、火焰筒通氣孔堵塞、停車后轉(zhuǎn)子熱彎曲等。遄達1000與PW1100G的故障還造成在一段時間內(nèi)，配裝遄達1000的787與配裝PW1100G的A320neo，在總裝線上無發(fā)動機可裝的窘境。在20世紀投入使用的幾十型發(fā)動機中，卻很少出現(xiàn)類似的故障，事實說明在發(fā)動機研制中提高發(fā)動機性能時，絕對不能忽視發(fā)動機的可靠性。我們在研制新發(fā)動機時，一定要認真吸取這其中的經(jīng)驗教訓。