我國的大型飛機專用航空發動機處於什麼樣的水平?

武器正能量

中美貿易戰今天開始,現在來談長江1000A,以為有意思極了。搞不掂高尖端,正要受制於人。現在世上窄體大飛機發動機,基本兩大系列,GE和斯奈克瑪聯合研製的CM56和IAE的V2500,IAE的組成,美國普惠,英國羅羅,日本JAZC,德國MTU和意大利菲亞特。現在C919所用LEAP-1C大涵道比發動機,CFM56-5B的發展型號,正出自CFM之手,推力13.6噸,經濟性好,成熟而可靠。當然中美貿易戰端驟開,影響不影響使用,就不好說了。未來國產的長江1000A,如約於今年下線,開始了配裝實驗,成熟起來沒有三年五載之功,夠戧。不過,國內每說發動機,就是在技術研發上關注度不高,2016,南京大學的陳光帶領的團隊,研發的TiAL單晶合金,最小蠕變速率和持久壽命均優於GEnx兩個數量級,GEnx是波音下一代飛機發動機。鎳基單晶承溫能力每提高25-30℃就為一代,話說這高出150-250℃,解釋一句,此乃渦輪前溫度,高出這麼多是多少代呀,可見我們在進步,並且進步不小。照此下去,大有希望。

有錢就是任性。航發集團成立了,未來十年要投入兩萬億人民幣搞研發,洋人們也是滿滿感概,有錢人就是任性喲。更令人生畏的是,據GE的中方經理介紹,不是技術問題,GE發動機80%-90%都在中國做,高壓轉子軸承、頭到尾的機匣、壓氣機輪盤都是在中國製造;就連出口限制最嚴格的是熱端部件,比如高壓渦輪,高壓渦輪的葉片不在中國做,但高壓渦輪盤已經是在中國做的;燃燒室不能在中國做,但燃燒室的頭部已經在中國做了。看看,假如我們再完成了20%的技術突破,堪謂踮踮腳就夠得著,多少關鍵技術已被拿下,還剩下鎳基單晶一類技術,接連被攻克,所以我們有理由相信,發展是可期的,只要有國家長期扶持,無關自由經濟如何,其所爭無非就剩下這點玩意。

一生一世。陳迎春,RC929的中國總師,對國產航發的要求,“不求最好,先進可靠;儘早擁有,穩步快跑;合作幫助,一時一事;自主創新,一生一世。”應該說實事求是,要求既理性又務實,一步到不了羅馬城,能突破的抓抓緊,現實有難度的,先保證先進可靠,大飛機航發,多種關鍵技術實現了突破,複合材料風扇機匣及包容環包容技術,燃用航空替代燃料燃燒室設計技術,低排放、長壽命燃燒室設計技術,等等,優先的考慮,因為壟斷買不來的部件或技術,在此過程中,邊幹邊學邊實踐,建立健全了研發實驗設施,培育了大批年輕人才。從無到有,大飛機,一生一世,我們幹起來了。用我們的努力證明,絕沒有過不去的火焰山,俏不爭春只把春報,未來中國航空發動機,一定會綻放出最為燦爛的笑容。

誰也比不了的龐大市場。GE,羅羅和普惠,這些年爭著搶著和我們做生意,其因有自,正在於我們有一個誰也比不了的龐大市場。有人算了一筆帳,未來20年中國會有上千臺大涵道發動機,含軍方使用,擁有5000億美元發動機的需求,僅商用發動機就有3000億的市場,因而成為全球增長最快,規模最大的市場,這錢不能光叫老外掙了去,更何況民用大飛機有極嚴苛的限制,不能用於軍方,發動機不濟,嚴重製約著中國軍事裝備水平的發展,加油機,預警機,巡邏機等大飛機機體平臺,長期得不到發展,需求甚大,為此只能拼命向前,爭取早日做大做強,老話說得好,形勢總是比人強,逼得我們不得不進,不得不大步向前。既然貿易戰戰端已開,唯有核心核力。

據悉,長江1000A直徑1.95米,長3.29米,約有35000個零組件組成。葉片數量為18片,採用小展弦比三維寬弦空心葉片,葉片材料為TC4鈦合金,內部採用“瓦倫”空心結構,超塑成形/擴散連接工藝,風扇機匣採用硬壁包容設計,低壓壓氣機為3級。這樣的設計指標,已與LEAP-1C倒差不差,我們的計劃,在2022~2025年之間完成適航取證。2025,中國製造的目標。


魂舞大漠

2016面美國航空工業推出專用與大型飛機的GE9X大涵道比航空發動機,讓全世界見識到了什麼是全球第一的水平。這種發動機推力達到了10萬磅(超過了45.3噸)的水平,而目前美國最大的飛機"播音777-300"系列使用的發動機最大推力僅有98000磅,如果配備四臺GE9X播音777就增加了將近一萬磅的推力,性能肯定會大幅度的提高。不過,要說這種發動機是專為播音777這種大飛機研發的產品也說不過去,推力98000磅的PW4098已經足夠滿足播音777的需要,僅僅是一萬磅的推力提高不值得美國付出巨大心血研發GE9X,它的用途肯定還是軍用飛機。


美國現有的軍用發動機大多都是雙發或者四發,著名的C-17環球霸王運輸機使用的四臺"PW2040"發動機,最大推力也就41200磅。這就意味著只需要一臺GE9X就可以推動一架環球霸王的基本運轉,而我國的購買的伊爾-76運輸機,使用的D-30Pk-2型航空發動機單臺推力僅有12噸,只要有一臺GE9X大型發動機就可以滿足一架伊爾-76的滿載起飛任務,也就是說美國人開發這種超級發動機最重要的並不是為播音777提高那一萬磅的推力,而是進一步簡化軍用運輸機的發動機數量,用更少的發動機數量取得燃油經濟性和使用簡單化,這也是未來軍機發展的必然趨勢。

而我國渦扇家族發動機師從與俄羅斯,根據俄羅斯為伊爾-76替換的最新D-30PK-3型發動機15噸的推力計算,我國蓄勢待發的渦扇-20發動機最高的潛力也就15噸左右,另一款渦扇-18的水平還會更低。因此說我國航空發動機推力水平相比國家制高點還有想到大的差距。誠然,配備渦扇-20的運-20將在各方面性能上超越伊爾-76,但是它畢竟是一款老爺機超越它的實際意義並不大,我國必須研製出類似GE9X那樣的大推力發動機才能滿足未來需求。不僅是軍用運輸機在民用大飛機領域也是如此。

美國的播音747使用的發動機最大推力是普惠公司的4000系列的PW4062型,其推力63300磅大致相當於25噸的水平,而我國的C919能選用的國產發動機僅有推力潛力15噸渦扇-20,即便美國人不用GE9X我國也沒有競爭優勢。美國人可以利用發動機推力大的特點簡化發動機數量,以此換取燃油經濟性和維護簡化性,節省的成本都是各大航空公司最看重的產品特性,所以未來有可能看到一臺"GE9X"推著到處跑的播音747出現。因為發動機動力不足而賣不出去的已有先例,蘇聯的伊爾-96就是因為發動機推力不足需要配備四臺發動機才能滿足需要,由此引發的成本問題讓它幾乎沒有訂單。所以研發大推力發動機對我們來說是勢在必行的。


利刃軍事

我國大型飛機專用航空發動機還處於起步階段。就在前不久我國首臺大飛機發動機CJ-1000A點火成功,其轉速達到6600轉每分鐘,被認為可以在不久的將來用於替代C919客機上從CFM公司購買的LEAP-X1C發動機。


航空發動機行業是一個需要大量積累的行業,而我國航空工業相較於發達的美俄等國起步較晚,積累不足,所以無法在短時間內跟上國際先進水平。此次CJ-1000A發動機的點火成功對我國民用大飛機發動機來說絕對是零的突破。

除了民用大飛機的發動機我國還無法量產之外,軍用大飛機發動機的生產也令人堪憂。我國自主研發的運-20大型運輸機,大部分使用的是從俄羅斯進口的D-30發動機,少量使用我國自主研發的渦扇-18發動機。

D-30發動機推力12.5噸,自重2300公斤,翻修使用壽命達到3000小時。而我國自主研發的渦扇-18發動機推力達到了13.2噸,自重也僅僅2000公斤。紙面數據比俄羅斯D-30發動機漂亮的多,但是廣為詬病的是其可靠性和使用壽命,其可靠性遠不如俄羅斯的D-30發動機。
而且其產量也令人堪憂,國產的單晶葉片良品率實在是感人,導致運20的產量受到影響。不過萬事開頭難我國大飛機發動機已經邁出了第一步,相信在軍工人的努力下,在不久的將來可以趕上世界先進水平。


軍事噠噠噠

目前我國自主研發的飛機有軍用的運-20和民用的C919,其中運-20是200噸級重型軍用運輸機,C919是150座級幹線運輸機,最大起飛重力不超過100噸。

運20目前使用的是4臺俄羅斯的發動機D-30KP2,推力在12.5噸左右,技術屬於上世紀70年代的水平,功耗相對於歐美同等級的來說嚴重落後,而為了滿足國產化的要求而研製的WS-18雖說在功耗和重量上有所提升,但是還是在同一水平上,最大推力提高到13.2噸,重量減輕了300公斤,WS-18是為了應付空軍對D-30KP旺盛的需求,轟-6K、伊爾-76、運20A,WS-18可以做到簡單替換。

而運20的最終版發動機是WS-20,是一款大涵道比發動機,目前已經在伊爾-76上裝機試飛,推力為13噸到16噸,性能接近C-17 PW2040發動機的17噸,裝上4臺WS-20的運-20將有能力與C-17一較高下,除了運20外,WS-20還可能裝備未來的轟炸機、遠程反潛機等等。

C919目前使用的國外的LEAP-C發動機,是該等級最先進的發動機,由美國和法國聯合研製,而國產的動力為CJ-1000A,是國內第一款商業大推力發動機,CJ1000A為雙轉子大涵道比直驅渦扇發動機,涵道比約為9,推力約113~127kN,由1級風扇、3級增壓級、10級高壓壓氣機、燃燒室、2級高壓渦輪及7級低壓渦輪組成,與國外頂級發動機還有距離。


巴爾幹尖刀

目前說我們在民用發動機的運用上比之美英在民用發動機的技術上說實話,不是差的不是一點半點,民用大涵道比發動機快速發展的時候是上世紀70年代,當時我國的工業基礎太差,而我國的當時比較貧窮,國內的民航市場很小,研製民航客機並無必要。當時就國把主要精力用去研製軍用發動機。

目前我國還沒有一款成熟的大涵道比發動機,這是個心痛的現實,民用發動機比軍用發動機在技術上的要求更加嚴格,要求在安全性,空中停機機率,耗油率上都十分重要,隨著客機雙發趨勢的發展,一架客機上裝有兩臺發動機,要求兩臺發動機在一臺發動機失靈的時候別一臺發動機可以繼續推動飛機飛行。如果兩臺發動機都失靈,那麼基本確定飛機要失事了,一架客機上載150_500人,所以在可靠性上對民用發動機的要求極為嚴格。



世界上擁有研製可靠的,成熟的發動機廠商為美國的普惠公司,GE公司,英國的羅羅公司,超大涵道比發動機就是這三家公司競爭,主要指商用的35噸推力以上的發動機,,主要用於雙發寬體客機上使用。競爭極大,GE公司份額較高,羅羅其次,普惠發動機的份額最小,普惠的發動機生產中軍用型號較好,佔了美國F22,F35的的發動機全部合同。


推力排行GE90-115B,推力52噸,地面試驗最大推力58.6噸,在波音777上使用

GE9X推力47.96噸,在波言777ⅹ上使用

Pw4000,推力44.9噸,在空客A330.A310,A300,波音747-400波音767,波音777等飛機上使用

羅羅瑞達XWB推力43.98噸,在空客A350XWB上使用

瑞達800推力42.35噸,使用於波音777

GP7000推力36.98噸,GE與普惠聯合研製的產品,使用於空客A380

瑞達1000推力38.50噸,使用於波音787

瑞達900推力34.69噸使用於空客A380

瑞達7000推力32.65噸,使用於空客A330

上面都是用於雙通道寬體客機使用的,在窄體幹線客機上使用的十噸級發動機是兩個系列,分別是Cfm56與v2500,Cfm56發動機由GE公司和斯奈克瑪公司聯合研製的,由GE研製的熱端部件,斯奈克瑪研製的冷端部件。v2500由美國普惠,英國羅羅,日本JAZC,德國MTU意大利菲亞特組成的國際航空發動機公司公司,以此來對付CFm56在窄體客機發動機的霸主要地位。


目前我國在10級推力的民用大涵道比發動機C)1000-A研製在穩步推進,有希望在今年進行樣機裝配,預計採用渦扇10的的核心機進行改進,運20上現在仍使用的D30k,推力12.5噸,我國為運20研製的渦扇18發動機推力13.3噸,相比D30發動機雖然在年推力和油耗上有一定超越,但相比美國F117-pw-100發動機18.3噸的推重扔有相當大的差距。

在35級的發動機上我國選擇與俄羅斯合作研製的方式,也為中航未來的C929遠程寬體客機做配套,這也是我國為未來發動機的發展做的巨大努力。


GE發粉

但就民機產品講,目前國產大飛機C919使用的航發是國外進口產品,有CFM公司生產的Leap 1C,有趣的是,當前空客和波音兩款主流機型均搭載了CFM生產的LEAP系列發動機,只不過空客A320neo選用的是Leap-1A,波音737MAX使用的是Leap-1B。

C919採用的是CFM生產LEAP-1C發動機採用業內首創的全集成推進系統(IPS),這些部件被設計成整體系統,具有更佳的空氣動力學特性,重量輕、更易維護。

2014年年底,首臺LEAP-1C在經改裝的波音747測試飛行驗證平臺上完成飛行驗證項目,並進行了一個全面的實驗計劃,包括髮動機的喘振裕度、可靠性、性能、噪聲和排放等指標。同時還驗證了發動機上的“黑科技”,包括碳纖維復材風扇、雙環預混旋流(TAPS)燃燒室、陶瓷基復材罩環和鈦鋁合金葉片等。

LEAP發動機也是全球唯一一款被所有主流單通道客機 737MAX、A320neo和C919飛機同時採用的發動機。相較於上一代產品CFM56-5B上的36片鈦合金風扇葉片設計,所有LEAP系列航發風扇僅有18片葉片,加上改進後的復材風扇包容機匣,使每架飛機可以成功瘦身455kg。

另一方面,LEAP系列航空發動機是首款使用陶瓷基複合材料(CMC)的民用航發。第一級高壓渦輪罩環由陶瓷基復材(CMC)製成,這是CFM公司首次將軍用航發技術應用於民機之上,CMC耐高溫性將減少發動機對冷卻氣流的需求,這將對發動機工作降低大量的負擔。同時CMC為低密度材料,重量可減輕三分之一,將對飛機飛行的經濟性帶來豐厚的回報。

因此C919的動力不輸西方飛機。另一方面,C919的中國心也在按部就班的進行。12月25日,專為C919國產大飛機打造的首個按照民航適航要求研製的大涵道比渦扇發動機——長江1000A(CJ-1000AX)的整機驗證機,在上海完成裝配。

綜合早期的報道看,該發動機的整體性能應該不輸西方的先進航發,但也有報道指出該型航發的整體性能同CFM56系列大體相似。

但是這也是我國第一臺按照世界民航適航要求研製的大涵道比渦扇發動機,能達到此類水平,並且按照目前的開發進度,已經足以令人振奮和震驚,當然,研發一型新的發動機還是要面對諸多實際困難,不亞於開發一款新的飛機,因此對於國產航發的研發,需要有一定的耐心和信心。


大飛行家休斯

先回答問題,現在總體落後美國20-25年,落後毛子10年。部分關鍵技術,由於有後發優勢,大家的差距並不算特別大。

現狀是:落後很多,追趕困難。

落後很多因為這是很燒錢的玩意兒,在中國起步非常晚。
追趕困難是因為國外大公司已經佔領了全部西方市場和大部分的中國市場(除了中國軍用市場以外),可以實現盈利—研發升級的自我循環,無需太多外部支持;而中國的公司卻只擁有可憐的本國軍用市場,利潤完全無法支持研發升級費用,需要政府長期的大量的無回報的投入,直至趕上世界最先進水平為止。所以別問航發企業不行是不是因為國企效率低,要不是國企,它們早就死了。

後發有時有優勢(如高鐵);但在飛機發動機這個領域,則是完完全全的劣勢。

再努力二十年,爭取和歐、美、俄發動機沒有代差,達到同一級水平,還是可能的。


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