■ 廖忠權(quán) / 中國航空發(fā)動機(jī)研究院
2023年是世界民用航空發(fā)動機(jī)行業(yè)自新冠疫情結(jié)束后復(fù)蘇的一年,在研產(chǎn)品、技術(shù)以及正在運(yùn)營中的發(fā)動機(jī)都取得了不同程度的新進(jìn)展。
為了實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo),目前航空業(yè)界對電能和氫能都高度關(guān)注;但在較長時期內(nèi),民用航空運(yùn)輸特別是遠(yuǎn)程運(yùn)輸動力仍將以燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)為主,這既是當(dāng)前技術(shù)所限,也是航空運(yùn)輸發(fā)展的慣性使然。對此,以GE公司、普惠公司、羅羅公司和賽峰集團(tuán)為代表的傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)制造商都在積極通過開發(fā)新技術(shù)、驗(yàn)證新型核心機(jī)、采取新工藝、升級在役產(chǎn)品、發(fā)展可持續(xù)航空燃料(SAF)等措施,鞏固自身在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
航空發(fā)動機(jī)制造商對技術(shù)創(chuàng)新的追逐從未停歇,2023年也推出了一些革新性的前沿技術(shù)和產(chǎn)品,既有創(chuàng)新的動力設(shè)計(jì),又有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)工具和制造工藝。
2023年1月, 德國MT螺旋槳公司推出首型11葉螺旋槳。飛行測試結(jié)果表明,11葉螺旋槳比公司已認(rèn)證的5葉螺旋槳的靜推力提升了15%,同時噪聲顯著降低;使螺旋槳飛機(jī)的速度達(dá)到740 ~750km/h,接近噴氣飛機(jī)的800 ~900km/h;比噴氣飛機(jī)燃油效率高30%。從而使螺旋槳飛機(jī)具有替代噴氣飛機(jī)的潛在可能性。
11葉螺旋槳與5葉螺旋槳在飛行試驗(yàn)臺上進(jìn)行對比測試
發(fā)動機(jī)短艙的性能會影響動力系統(tǒng)效率,羅羅公司和波音公司在美國聯(lián)邦航空局(FAA)的持續(xù)降低能耗、排放和噪聲(CLEEN)環(huán)境研究計(jì)劃的第二階段合作中,開發(fā)和測試了一種直徑僅2.8m的短進(jìn)氣道,比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)短艙進(jìn)氣道縮短了約50%,浸潤面積更小,短艙質(zhì)量減輕超過159kg,使油耗降低約0.5%。
在混合電推進(jìn)的可持續(xù)噴水渦扇(SWITCH)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,2023年11月,MTU公司在迪拜航展上展示了面向未來的創(chuàng)新推進(jìn)概念——基于齒輪傳動的水增強(qiáng)渦扇(WET)發(fā)動機(jī)和飛行燃料電池(FFC)。WET發(fā)動機(jī)是一型結(jié)合了能量回收和濕式燃燒的發(fā)動機(jī),可燃燒SAF或氫燃料;FFC只排放水,對大氣的碳排放可以減少95%,MTU公司的目標(biāo)是到2050年將其運(yùn)用到中程飛機(jī)上。這是MTU公司針對零排放飛行開發(fā)的清潔航空發(fā)動機(jī)(Claire)技術(shù)解決方案。
俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)(UEC)旗下土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體的綜合零件加工技術(shù),采用公司開發(fā)的現(xiàn)代研磨工具,取代傳統(tǒng)的車削、銑削、磨削與電火花加工工藝,提高了加工效率及精度,渦輪葉片制造成本下降了35%。
2023年,發(fā)動機(jī)制造商對先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的研究始終沒有松懈,各自在研的產(chǎn)品都取得不同程度的進(jìn)展。
水增強(qiáng)渦扇發(fā)動機(jī)模型
2023年5月,羅羅公司在位于德比工廠的80號試車臺上完成了“超扇”(UltraFan)發(fā)動機(jī)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的首次試車,且使用了100% SAF。發(fā)動機(jī)采用了Advance3核心機(jī)、碳鈦風(fēng)扇葉片、復(fù)合材料機(jī)匣和齒輪傳動風(fēng)扇,其動力齒輪箱運(yùn)行功率曾達(dá)64MW,創(chuàng)下世界紀(jì)錄。11月初,驗(yàn)證機(jī)完成最大推力試車,推力達(dá)到了377.85kN,比設(shè)計(jì)時的目標(biāo)推力高22.23kN。
2023年5月,普惠加拿大公司宣布將為德事隆航空公司的賽斯納“獎狀”系列新機(jī)型——雅晟(Ascend)公務(wù)機(jī)推出新型PW545D渦扇發(fā)動機(jī)。PW545D發(fā)動機(jī)是PW500系列的最新改型,基于PW545C發(fā)動機(jī)開發(fā),采用了新材料和新技術(shù),主要包括更高效的高壓壓氣機(jī)、升級的單級高壓渦輪模塊,以及先進(jìn)的排氣混合器。
2023年8月,F(xiàn)AA向羅羅公司的“珍珠”700發(fā)動機(jī)頒發(fā)了型號合格證,該發(fā)動機(jī)于一年前已獲得歐洲航空安全局(EASA)的型號合格證。發(fā)動機(jī)將配裝灣流公司的G700和G800大型公務(wù)機(jī),推力為81.2kN,比羅羅公司上一代公務(wù)機(jī)動力BR725發(fā)動機(jī)的推力提高了8%。
自2010年以來,霍尼韋爾公司一直在進(jìn)行CLEEN計(jì)劃前兩個階段的研發(fā)工作,開展公務(wù)機(jī)發(fā)動機(jī)高壓核心機(jī)研究。2023年,霍尼韋爾公司在CLEEN計(jì)劃的第三階段研發(fā)中增加了新的項(xiàng)目,包括緊湊型高功率低壓渦輪和高效風(fēng)扇模塊等低壓系統(tǒng)的研究,并計(jì)劃在2024年進(jìn)行高壓核心機(jī)、風(fēng)扇和低壓渦輪模塊試驗(yàn)。
2023年10月,UEC對PD-35發(fā)動機(jī)進(jìn)行了首次核心機(jī)試驗(yàn),試驗(yàn)在模擬全尺寸發(fā)動機(jī)工作條件下進(jìn)行。PD-35發(fā)動機(jī)是俄羅斯歷史上尺寸最大的渦扇發(fā)動機(jī),風(fēng)扇直徑達(dá)到3.1m,于2016年開始研制,預(yù)計(jì)于2030年開始批量生產(chǎn),計(jì)劃配裝安-124大型軍用運(yùn)輸機(jī)和伊爾-96-400M遠(yuǎn)程寬體客機(jī)。
在航空環(huán)境低影響開式轉(zhuǎn)子(OFELIA)項(xiàng)目下,賽峰集團(tuán)將與26家歐洲工業(yè)關(guān)鍵合作伙伴共同開展新型開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)技術(shù)驗(yàn)證。OFELIA項(xiàng)目為期3年,從2023年1月持續(xù)到2025年12月,總投資1億歐元,目標(biāo)是驗(yàn)證2035年投入使用的窄體飛機(jī)發(fā)動機(jī)開式轉(zhuǎn)子架構(gòu)的優(yōu)勢,路線圖包含20多項(xiàng)測試,2026年將在一架A380飛行試驗(yàn)臺上開始進(jìn)行飛行測試。賽峰飛機(jī)發(fā)動機(jī)公司、Avio公司和吉凱恩(GKN)公司將合作設(shè)計(jì)制造開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)的部件。
2023年11月,GE公司和賽峰集團(tuán)完成可持續(xù)發(fā)動機(jī)革新技術(shù)(RISE)項(xiàng)目開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的概念設(shè)計(jì)評審,共進(jìn)行了100余次測試。RISE項(xiàng)目主要特征包括直徑3.96m的開式轉(zhuǎn)子、大功率齒輪傳動系統(tǒng)和緊湊型高壓核心機(jī)。該項(xiàng)目還包括混合電推進(jìn)和氫能研究,11月在美國國家航空航天局(NASA)電推進(jìn)飛機(jī)試驗(yàn)臺進(jìn)行了測試,已經(jīng)驗(yàn)證了GE公司的混合電推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),為RISE項(xiàng)目發(fā)展混合電推進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)奠定了基礎(chǔ)。
開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)安裝在A380上測試構(gòu)想
GE公司、普惠公司和羅羅公司紛紛開展既有產(chǎn)品的技術(shù)升級,專注提升各自主打產(chǎn)品的耐久性、可靠性和在翼時間。
GE公司正在小幅改進(jìn)并測試LEAP發(fā)動機(jī)的一些部件,包括燃油噴嘴、高壓渦輪葉片和尾噴管,以解決LEAP發(fā)動機(jī)在印度和中東這些多塵的國家和地區(qū)的耐久性。由于沙塵多的環(huán)境增加了發(fā)動機(jī)的維護(hù)需求,GE公司此前已經(jīng)修改了配裝波音787飛機(jī)的GEnx發(fā)動機(jī)和配裝波音777飛機(jī)的GE90發(fā)動機(jī)的一些關(guān)鍵部件,解決了沙塵環(huán)境下的耐久性問題。其中,針對GE90發(fā)動機(jī)改進(jìn)了機(jī)匣、燃油噴嘴、葉片和燃燒室襯套,而這些前期工作為解決LEAP發(fā)動機(jī)類似的耐久性問題提供了基礎(chǔ)。
高壓渦輪葉片是配裝空客A330neo飛機(jī)的遄達(dá) 7000發(fā)動機(jī)和一些配裝波音787飛機(jī)的遄達(dá)1000發(fā)動機(jī)上的限壽件。羅羅公司提出開發(fā)一個可翻新的升級包,以提高高壓渦輪葉片耐用性,進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)的在翼時間。早在2022年8月,用于遄達(dá)7000發(fā)動機(jī)的耐用性增強(qiáng)包已經(jīng)獲得適航認(rèn)證,如今科威特航空公司已在使用,延長了發(fā)動機(jī)的在翼時間。早于該增強(qiáng)包推出的遄達(dá)7000發(fā)動機(jī)可在其首次大修期間接受升級。同樣的升級包也適用于遄達(dá)1000TEN發(fā)動機(jī),羅羅公司計(jì)劃在2024年年初應(yīng)用于該發(fā)動機(jī),2025年時將其在翼時間增加一倍。
此外,羅羅公司還計(jì)劃利用“超扇”發(fā)動機(jī)的技術(shù)改進(jìn)配裝A350-1000飛機(jī)的遄達(dá) XWB-97發(fā)動機(jī),以提高可用性、效率和可靠性,這些計(jì)劃包括碳鈦風(fēng)扇葉片、低排放燃燒室以及高溫材料和部件。
配裝A330neo飛機(jī)的遄達(dá)7000發(fā)動機(jī)
美國西南航空公司波音737-700飛機(jī)曾發(fā)生了兩起因風(fēng)扇葉片脫落(FBO)引起的非包容性事故,脫落的風(fēng)扇葉片擊穿了發(fā)動機(jī)短艙進(jìn)入了機(jī)身。2021年8月,波音公司提出了短艙新的設(shè)計(jì)方案,以保證短艙不再發(fā)生非包容性事故。2023年7月,波音公司完成了737NG發(fā)動機(jī)短艙的重新設(shè)計(jì)和改進(jìn)工作。FAA要求波音公司于2028年8月前完成對737NG運(yùn)營商的短艙改造,在2029年年底之前提供與新設(shè)計(jì)相關(guān)的維護(hù)補(bǔ)救計(jì)劃。
GE90系列發(fā)動機(jī)專為波音777系列飛機(jī)設(shè)計(jì),于1995年投入市場,截至2023年9月,GE公司交付了第3000臺GE90生產(chǎn)型發(fā)動機(jī)。其中,408臺為GE90-94B,2592臺為GE90-115B。GE90發(fā)動機(jī)創(chuàng)造了許多首次紀(jì)錄:首型使用碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的商用發(fā)動機(jī);首型推力超過444.5kN的商用發(fā)動機(jī);首型通過雙發(fā)延程飛行(ETOPS)認(rèn)證的發(fā)動機(jī);首型通過增材制造部件認(rèn)證的商用發(fā)動機(jī)(T25傳感器機(jī)匣);首型使用雙環(huán)腔燃燒室的商用發(fā)動機(jī)。
截至2023年10月,普惠加拿大公司達(dá)到了一系列里程碑,包括發(fā)動機(jī)累計(jì)飛行10億h、PT6發(fā)動機(jī)誕生60周年,以及5月份第6000臺PW300系列渦扇發(fā)動機(jī)的交付。11月,用于ATR42-600S支線客機(jī)的PW127XT-L發(fā)動機(jī)獲得加拿大交通部適航認(rèn)證,這是公司發(fā)動機(jī)第200次獲得認(rèn)證。
近年來,在世界民用航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域發(fā)生的重大變化主要有兩個:一是羅羅公司希望回到窄體客機(jī)動力市場;二是美國和歐洲制裁俄羅斯,迫使俄羅斯不得不采取國產(chǎn)化替代策略,同時民用航空的對外擴(kuò)展也受到了限制。
羅羅公司自2012年將其在國際航空發(fā)動機(jī)(IAE)公司V2500發(fā)動機(jī)項(xiàng)目中的股份出售給普惠公司以后,就沒再參與生產(chǎn)單通道干線客機(jī)發(fā)動機(jī)。近年來,羅羅公司多次表達(dá)了對重返窄體客機(jī)發(fā)動機(jī)市場的樂觀態(tài)度,認(rèn)為“超扇”發(fā)動機(jī)架構(gòu)可適用于111 ~489kN推力范圍內(nèi)的窄體或?qū)掦w客機(jī),效率可比遄達(dá) XWB發(fā)動機(jī)提高10%。
用于ATR42-600S支線客機(jī)的PW127XT-L發(fā)動機(jī)
俄烏沖突導(dǎo)致美國和歐洲對俄羅斯發(fā)起全面制裁。此前,EASA接收了PD-14發(fā)動機(jī)認(rèn)證費(fèi)卻仍然中止了對PD-14發(fā)動機(jī)的認(rèn)證,限制了該發(fā)動機(jī)的市場應(yīng)用。俄羅斯的民用航空產(chǎn)業(yè)也不能繼續(xù)獲得美國和歐洲供應(yīng)的相關(guān)配套產(chǎn)品。對此,為了自救圖存,俄羅斯發(fā)起國產(chǎn)化行動,用國產(chǎn)產(chǎn)品替換進(jìn)口產(chǎn)品,并開發(fā)適用和配裝國產(chǎn)產(chǎn)品的改進(jìn)型客機(jī)。
針對MC-21干線客機(jī),俄羅斯伊爾庫特公司開發(fā)了改進(jìn)型飛機(jī)MC-21-310,用國產(chǎn)復(fù)合材料機(jī)翼組件替換相應(yīng)的進(jìn)口組件;用國產(chǎn)PD-14發(fā)動機(jī)替換最初采用的普惠PW1400G發(fā)動機(jī)。俄羅斯預(yù)測,到2030年超過50%的PD-14發(fā)動機(jī)生產(chǎn)任務(wù)將由UEC下屬的彼爾姆發(fā)動機(jī)公司承擔(dān),該公司預(yù)計(jì)將生產(chǎn)450臺PD-14發(fā)動機(jī)。2023年4月初,彼爾姆發(fā)動機(jī)公司已開始批量生產(chǎn)該發(fā)動機(jī)。
針對SSJ-100支線客機(jī),蘇霍伊航空控股公司改型研制了SSJ-NEW客機(jī),用國產(chǎn)PD-8發(fā)動機(jī)替換原裝的賽峰集團(tuán)和土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體共同研制的SaM146發(fā)動機(jī)。2023年8月,SSJ-NEW試驗(yàn)樣機(jī)完成首飛,為加快試驗(yàn)進(jìn)度,首臺試驗(yàn)樣機(jī)依然采用了SaM146發(fā)動機(jī)。10月,PD-8發(fā)動機(jī)裝在伊爾-76LL飛行平臺開始飛行試驗(yàn)。目前,SSJ-100客機(jī)的部件、附件和系統(tǒng)的國產(chǎn)化替代工作正在全面開展。
UEC還計(jì)劃建設(shè)大型飛機(jī)和直升機(jī)發(fā)動機(jī)零件加工綜合體,投資總額為350億盧布(4.7億美元),其中4個主要生產(chǎn)設(shè)施計(jì)劃于2026年完工,占地總面積7.7萬多m2,UEC將在新設(shè)施生產(chǎn)TV7-117ST-01/02、PD-14、PD-8飛機(jī)發(fā)動機(jī)和VK-650V、VK-1600V直升機(jī)發(fā)動機(jī)的零件。此外,還將建設(shè)增材制造技術(shù)中心,生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件。
SAF作為航空新能源,與氫能、電能頗有不同,是即插即用的航空煤油替代燃料,無需對飛機(jī)和發(fā)動機(jī)設(shè)備或基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行任何修改,就可以直接使用,當(dāng)前SAF面臨的主要問題是如何增加產(chǎn)能和降低成本。
目前,全球使用的噴氣動力燃料中,SAF產(chǎn)量約占0.1%,成本則是化石燃料的2 ~9倍。GE公司認(rèn)為,盡管目前SAF占比小、產(chǎn)量少、價格貴,但將長期存在。因?yàn)楹娇者\(yùn)輸業(yè)為了實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo),SAF將是關(guān)鍵一環(huán)。目前全球已有超過50萬次航班使用SAF,業(yè)界已經(jīng)研究SAF超過15年,如今GE公司、普惠公司、羅羅公司、賽峰集團(tuán)等都對SAF開展了廣泛的研究,以使各自的民用航空發(fā)動機(jī)可適用經(jīng)批準(zhǔn)的SAF。
全球戰(zhàn)略咨詢公司LEK在一份報(bào)告中表示,要實(shí)現(xiàn)SAF到2050年65%采用率的目標(biāo),全球產(chǎn)能需要從目前的每年不足100萬t躍升至每年4億t以上;但即使到21世紀(jì)中期,價格仍將是煤油的兩倍多。報(bào)告認(rèn)為18%的機(jī)票價格漲幅可涵蓋這一額外成本,而不會嚴(yán)重影響銷量。
2023年9月,空客公司與美國DG燃料公司建立了SAF戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系,從纖維廢舊料和殘留物(木材廢料等)中獲取原料并利用風(fēng)能和太陽能等可再生能源生產(chǎn)SAF。10月,漢莎航空公司、德國航空航天中心、空客公司、慕尼黑機(jī)場有限公司和MTU公司的代表在柏林簽署了一份技術(shù)合作意向書,共同研究被認(rèn)為是下一代SAF的電轉(zhuǎn)液(PtL)航空燃料,此次技術(shù)合作的目的是加快德國PtL航空燃料的技術(shù)選擇、市場引入和工業(yè)規(guī)?;?/p>
隨著新冠疫情的結(jié)束,航空運(yùn)輸業(yè)逐漸復(fù)蘇,雖然2023年尚未完全恢復(fù)到2019年的水平,但未來10年航空運(yùn)輸業(yè)將迎來持續(xù)復(fù)蘇和增長,隨之而來的是商用航空發(fā)動機(jī)交付以及維護(hù)、修理和大修(MRO)市場的穩(wěn)步攀升。
未來10年全球在役商用航空發(fā)動機(jī)數(shù)量預(yù)計(jì)將從2024年的67800余臺增加到2033年的89700余臺,期間年增長率在3.2%。而全球商用航空發(fā)動機(jī)MRO市場預(yù)計(jì)將超過5530億美元,復(fù)合年增長率也為3.2%。CFM國際公司將獲得發(fā)動機(jī)MRO市場的最大份額,占全球的32%,其次是GE公司占30%。
2024—2033年亞太地區(qū)商用航空發(fā)動機(jī)交付的復(fù)合年增長率預(yù)計(jì)將達(dá)到4.9%,到2033年將交付超過8400臺新發(fā)動機(jī),發(fā)動機(jī)數(shù)量從2024年的略多于10000臺增加到2033年的超過15400臺。其中,CFM國際公司將占所有交付量的64%;普惠公司的份額為12%;GE公司的份額為11%(不含CFM份額)。亞太地區(qū)商用航空發(fā)動機(jī)MRO支出預(yù)計(jì)將以1.7%的復(fù)合年增長率增長,總價值達(dá)到1018億美元,占全球市場份額的18%。
2024—2033年亞太地區(qū)MRO價值構(gòu)成預(yù)測
2023年是新冠疫情結(jié)束后的第一年,也是世界民用航空產(chǎn)業(yè)全面復(fù)蘇的一年,世界領(lǐng)先的航空發(fā)動機(jī)制造商都在推動各自產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展。本年度民用航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展主要有幾大趨勢和特點(diǎn):一是技術(shù)創(chuàng)新體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、制造的多個環(huán)節(jié);二是主要制造商都在開發(fā)新型發(fā)動機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品,已經(jīng)取得階段性成果,為未來競爭做準(zhǔn)備;三是目前已經(jīng)投入運(yùn)營的新一代航空發(fā)動機(jī),例如,LEAP、PW1000G、GEnx、遄達(dá)7000等都還在持續(xù)臻于完善,制造商都在設(shè)法提升拳頭產(chǎn)品的性能、可靠性和耐久性;四是俄羅斯被美國和歐洲制裁,其航空業(yè)近乎成了孤島,被迫救亡圖存,走國產(chǎn)化替代之路;五是民用航空業(yè)對SAF的關(guān)注有增無減,力圖增產(chǎn)降價;六是未來較長時期,民用航空運(yùn)輸將持續(xù)穩(wěn)步增長,航空發(fā)動機(jī)需求數(shù)量龐大,市場前景依然向好,其中MRO市場價值尤其可觀。