高涵道比涡轮风扇发动机发展综述.doc

1 高涵道比涡扇发动机发展历程1970年1月，采用JT9D高涵道比涡轮电扇发动机为动力的世界上第1型宽体客机波音747（B747）投入营运，将航空发动机的发展历程推动到一种崭新的阶段—高涵道比涡轮电扇发动机时代从此，不仅所有新研制的干线客机，不管载客量与航程有多么大的差距，均采用了高涵道比涡轮电扇发动机；并且某些老的客机例如波音737-200、DC-8也用高涵道比涡轮电扇发动机取代了本来使用的低涵道比涡轮电扇发动机连支线客机也逐渐采用高涵道比涡轮电扇发动机，国内正在研制的ARJ21支线客机就采用了CF34-10高涵道比涡轮电扇发动机即是其例为满足这些客机的需要，世界三大发动机公司：美国普惠与通用电气公司，英囯的罗.罗公司以及国际合伙公司：CFM国际公司（CFMI）、国际航空发动机公司（IAE）与发动机联合体（EngineAlliance）到20世纪末，发展了几十型高涵道比涡扇发动机，按发动机推力级的大小来分，可分为为五个推力级：小推力级（89～134kN）、中推力级（170～190kN）、大推力级（230～260kN）、超大推力级（300～320kN）和特大推力级（330～454kN）。

在这些发动机中，小推力级的有CFM56-3/-5/-7与V2500等，重要用于波音737、A320、A340与MD-90等机型；中推力级有RB211-535E4与PW2037，用于波音757客机；大推力级的有CF6-80C2、RB211-524G/H及电扇直径为2.37m的PW4000，重要用于波音767、波音747、MD-11、A300与A310等客机；超大推力级的有CF6-80E1、遄达700及电扇直径为2.54m的PW4000(PW4168)，重要用于A330客机；特大推力级的有电扇直径为2.845m的PW4000(PW4084)、GE90与遄达800，用于波音777，在跨世纪的前后，发动机则向低成本、低污染（低噪声与低排放）与更高可靠性的方向发展，以适应为新世纪研制的豪华、舒服与经济的新型客机如四发客机A380及双发客机B787、A350XWB的需要，研制了新一代发动机在这些发动机中，有用于A380的GP7200（发动机联合体研制）与遄达900（罗·罗公司研制）发动机，其推力为310～340kN；用于A340-500与A340-600的罗·罗公司的遄达500发动机，其推力约为250kN；用于波音787的罗·罗公司的遄达1000及通用电气公司的GEnx，其推力为250～330kN。

在这些发动机中，遄达500已于8月随飞机投入使用，遄达900、GP7200将于随飞机投入使用，遄达1000与GEnx将于年中随飞机投入使用综观从上世纪70年代初投入使用的到将于投入使用的高涵道比涡扇发动机，按照发动机所采用的循环参数与设计技术，大体可分为下列几种阶段：1.初期阶段：20世纪70年代初至80年代中，发动机总压比较低，约为22～30，涵道比约为4.2～5.0，此时的发动机重要用于B747-200/-300,L1011，DC-10,B757等客机此类发动机中，基本采用了常规的设计技术、材料与制造工艺2.中期阶段：20世纪80年代初至90年代初，复发动机总压比约为28～34, 涵道比约为5.0～6.0，重要用于B747-400,B767, B737-300，A300, A310,A320等飞机上此时的发动机在设计技术、材料、工艺以及调节器上均有较大的改善，例如叶型设计已由二维逐渐向准三维、全三维发展，整体焊接的压气机转子取代了螺栓连接的构造，定向结晶、单晶涡轮叶片材料以及粉末冶金的涡轮盘广泛被采用，全功能数字数式燃油调节器FADEC取代了老式的燃油调节器等3.近期阶段：90年代初至90年代末，发动机总压比约为34～40，涵道比约为6.0～8.0，发动机重要用于A330, A340,B777, B737-700、-800、-900，A318, A319,A321等飞机上。

此阶段中采用了许多提高部件效率的措施，例如电扇、高压压气机与涡轮的叶片中，所有采用全三维设计，且电扇叶片由帯减振突肩的的大展弦比设计改为无突肩的小展弦比（宽弦）设计；为减轻电扇叶片的重量，三大发动机公司分别发展了复合材料、带夾芯与空心的电扇叶片；为了制造带夾芯的电扇叶片，发展了扩散连接/超塑性成型（DB/SPF）的加工措施；压气机中采用整环设计的外环；刷式封严装置用于气封与油封中；采用了性能更好的耐高材料与涂层；新一代FADEC与完善维修性设计等等，不仅使发动机性能有大的提高外，发动机的可靠性与寿命也有较明显的提高4.世纪交替阶段：20世纪末到目前，发动机总压比达到40～52，涵道比高达8.0～11.0，发动机重要用于A380, A350XWB,B787,B747-8等飞机上这时期的发动机，在叶片设计中采用了新一代的三维气动设计；电扇叶片采用掠形设计；复合材料已用于制造尺寸较大的电扇机匣；低排放的燃烧室设计与完善的降噪设计使发动机不仅能满足21世纪严格的环保条例的规定，并且尚有较大的裕度；高效的涡轮叶片冷却技术与智能化的发动机状态监视系统等由于在高涵道比涡扇发动机发展中，不断提高发动机涵道比、总压比以及部件效率，使发动机耗油率逐年减少，达到目前具有较低的值。

以罗.罗公司的发动机为例，其巡航耗油率（单位为kg/dN/hr）的变化状况为（括号内数字为投入使用的年代）：RB211-22B（1972）为0.668， RB211-524G/H（1989）为0.593, 遄达700（1995）为0.573,遄达800（1996）为0.571, 遄达500（）为0.550, 遄达900（）为0.528,而将于投入使用的遄达1000为0.516，也即从1972年到目前36年内，罗·罗公司发动机的耗油率减少了22.7%，1998年到目前近内，减少了13%又如，将于服役的通用电气公司的最新型发动机GEnx，其巡航耗油率比GE90（1995）低6.9%,比CF6-80E1（1994）低15.4%2 发展特点2.1 市场竞争剧烈由于多种推力档次的发动机均有2种或3种发动机可供选择，这样就形成了剧烈的竟争局面为此各公司均竭尽全力来提高发动机性能、可靠性与耐久性，以便在剧烈的市场竞争中能获得更多的订货，因此竞争增进了新技术的发展，也促使发动机得到不断的发展和提高2.2 多公司合伙研制  研制一种新型发动机，虽然发动机公司具有多种生产与实验设备，但一般需耗资10亿～15亿美元，甚至更多。

由于发动机研制费用高，风险大，因此为了集资、更好地打开市场和在技术上集各参与公司之长，多公司联合研制一种发动机已成为一种趋势如CFM56和V2500系列发动机就是国际合伙研制的产品又如昔日的竞争对手美国通用电气公司和普惠公司，为争取获得A380飞机所用发动机市场地位，不得不联手构成GE-P&WEngine Alliance（发动机联合体）合资公司，研制GP7200发动机此外，尚有某些发动机是以某一公司为主，其她某些公司入伙（投资比例较少）来研制的，如PW4000是普惠公司为主研制的，德国、意大利、新加坡和日本等国的公司均有少量投资又如，GEnx是通用电气公司为主研制的，但有35%的份额为其他参与公司占有，它们是：日本的石川岛播磨重工业公司（14%），美国的Avio公司（12%）和瑞典的VolvoAero公司（6%）和比利时的Techspace Aero公司（3%）2.3 发动机与飞机的关系在高涵道比涡扇发动机发展初期，发动机与飞机是单一关系，即研制的发动机是专门为某型飞机研制的，而每型飞机仅采用一型发动机，例如JT9D-3发动机是用于B747,CF6-6发动机用于DC-10而RB211-22B发动机是用于L1011。

但是到了上世纪80年代中期，则有“一机多发，一发多机”的研制关系当时，为适应市场竞争的需要，在飞机和发动机研制中均考虑了如何扩大销路的问题，采用的措施是在飞机设计中，考虑到能让航空公司有选用不同发动机的机会，即一机（一种旅客机）多发（发动机）；而发动机研制时，也考虑到能合用于不同型号的飞机，即一发多机，为此，对发动机来讲，规定使用的推力范畴广、附件和安装节等的安装位置可以更换等，以适应装在不同的飞机上例如，由飞机方面来看，波音777飞机能用PW4084、GE90和遄达800三种发到机中任一种国内国际航空公司采购B777时，考虑到该公司原有的飞机中，大多数使用了普惠公司的发动机，因而选用了普惠公司的PW4084为B777的动力，这样可以在维修工具、维修手段等方面，运用原有的硬件与经验；国内另—家航空公司－南方航空公司却选用了GE90作为该公司波音777的动力由发动机方面看，PW4000、CF6-80C2及RB211-525G/H三种发动机均既可用于波音747-400飞机，也可用了波音767、A300等飞机上世纪之交研制的飞机，与发动机又有了新的关系，例如，为了竞争A380发动机市场的需要，美国两大发动机公司联手合伙发展了GP7200发动机以与英国罗.罗公司的遄达900竞争，而这两型发动机尚不能用于其他飞机。

波音公司在研制波音787时，明确表达将普惠公司排出在外，因此只有罗.罗公司的遄达1000与通用电气公司的GEnx作为787的动力，但是波音却提出任何一架B787不管时间及地点，均能换装2型发动机中的任一型发动机的规定，将一机多发的原则扩展到一种新的领域此外，有的飞机只提出要一家公司的发动机，例如，A340-500、-600飞机只用罗.罗公司的遄达500发动机，波音747-8飞机只用通用电气公司的GEnx-2B67发动机等2.4 耐久性、可靠性和维修性达到高水平自1970年大型高涵道比涡扇发动机投入航线使用以来，可靠性、耐久性和维修性大大提高以耐久性而言，目前，一台发动机在飞机上持续使用1～2万多小时已不是少数了同样，可靠性也得到大幅度提高，以RB211系列发动机为例，它的第一种型号RB211-22B，空中停车率在服役初期约为0.7次／1000h，通过13～才达到成熟期，降到0.1次/1000h；可它的最后型号RB211-524G/H，在服役初期就为0.04次/1000h，2年后即达到成熟期，为0.02次/1000hCFM56系列是可靠性最高的发动机之一，其中CFM56-3的空中停车率约为0.004次／1000h，CFM56-5A的为0.003次/1000h。

2.5 进行大量严格的实验为了获得好的性能和高的可靠性与耐久性，在发动机研制中要进行大量实验除零部件进行的性能、强度和振动实验外，还要对发动机在地面台架上、高空模拟试车台和飞行试车台以及此后所装飞机上进行大量实验如用于波音777的PW4084发动机是在PW4168（用于A330）基本上改型的，它的核心部分及系统是通过严格研制实验和使用考验的，但在PW4084研制中，仍进行了大量实验据记录，PW4084用于研制实验的发动机共有22台，其中10台用于地面实验，12台用于5架波音777进行飞行实验当发动机投入使用时，已合计实验了25000h和15 000个循环随着对发动机的规定愈来愈高，此后的发动机还将进行更加严格和更长时间的实验2.6 追求高的经济性  作为民用飞机的动力，民用航空发动机追求高的经济性、减少航空公司的直接使用成本(DOC)是一重要的设计目的，为此，除规定发动机有低的耗油率外，还规定发动机寿命长，可靠性高，维修性好等例如，即将投入使用的A380与波音787两型客机，规定它们发动机的DOC比波音747所用发动机的低15%～20%2.7 留有大的温度裕度在高涵道比涡扇发动机设计中，涡轮叶片耐温能力留有较大裕度，即发动机工作温度大大低于采用冷却后材料能承受的温度，取适航证时的涡轮温度一般低于这个温度60oC～80℃，而工作时，又低于取证温度40℃～。