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 高涵道比涡轮风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进到一个崭新的 阶段—高涵道比涡轮风扇发动机时代从此，不仅所有新研制的干线客机，不 论载客量与航程有多么大的差距，均采用了高涵道比涡轮风扇发动机；而且一 些老的客机例如波音 737-200、DC-8 也用高涵道比涡轮风扇发动机取代了原来 使用的低涵道比涡轮风扇发动机连支线客机也逐渐采用高涵道比涡轮风扇发 动机，我国正在研制的 ARJ21 支线客机就采用了 CF34-10 高涵道比涡轮风扇 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.罗公司以及国际合作公司：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，主要用于波音 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 及风扇直径为 2.37m 的 PW4000，主要用于波音 767、波音 747、MD-11、A300 与 A310 等客机；超大推力级的有 CF6-80E1、遄达 700 及风扇直径为 2.54m 的 PW4000(PW4168)，主要用于 A330 客机；特大推力 级的有风扇直径为 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、舒适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 2002 年 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 2008 年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 2008 年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，大致可分为下列几个阶段： 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，此时的发动机主要用于 B747-200/- 300,L1011，DC-10,B757 等客机这类发动机中，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，主要用于 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 有较大的改进，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结构，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 取代了传统的燃油调节器等。

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，发动机主要用于 A330, A340,B777, B737-700、-800、-900，A318, A319,A321 等飞机上此阶段中采取了许多提高部件效率的措施，例如风扇、 高压压气机与涡轮的叶片中，全部采用全三维设计，且风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；为减轻风扇叶片的重 量，三大发动机公司分别发展了复合材料、带夾芯与空心的风扇叶片；为了制 造带夾芯的风扇叶片，发展了扩散连接/超塑性成型（DB/SPF）的加工方法； 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 世纪末到现在，发动机总压比达到 40～52，涵道比高达 8.0～11.0，发动机主要用于 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；风扇叶片采用掠形设 计；复合材料已用于制造尺寸较大的风扇机匣；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要求，而且还有较大 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降低，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）的变化情况为（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（2002）为 0.550, 遄达 900（2007）为 0.528,而将于 2008 年投入使用的 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 率降低了 22.7%，1998 年到目前近 20 年内，降低了 13% 又如，将于 2008 年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 由于各种推力档次的发动机均有 2 种或 3 种发动机可供选择，这样就形成了激 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， 以便在激烈的市场竞争中能获得更多的订货，因此竞争促进了新技术的发展， 也促使发动机得到不断的发展和提高。

2.2 多公司合作研制研制一种新型发动机，即使发动机公司具备各种生产与试验设备，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作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 手组成 GE-P&WEngine Alliance（发动机联合体）合资公司，研制 GP7200 发 动机 另外，还有一些发动机是以某一公司为主，其他一些公司入伙（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%的份额为其它参与公司占有，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，采取的办法是在飞机设计中，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 能适用于不同型号的飞机，即一发多机，为此，对发动机来讲，要求使用的推 力范围广、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 发到机中任一种我国国际航空公司采购 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，利用原有的硬件与经验； 我国另—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作发展了 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它飞机。

波音公司在 研制波音 787 时，明确表示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 不论时间及地点，均能换装 2 型发动机中的任一型发动机的要求，将一 机多发的原则扩展到一个新的领域另外，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连续使用 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，它的第一个型号 RB211-22B，空中停车率在服役初期约为 0.7 次／1000h，经过 13～15 年才达 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/1000h。

CFM56 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 进行大量严格的试验 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试验除零部件进行的性能、强度和振动试验外，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今后所装飞机上进行大量试验如用于波音 777 的 PW4084 发动机是在 PW4168（用于 A330）基础上改型的，它的核心部分 及系统是经过严格研制试验和使用考验的，但在 PW4084 研制中，仍进行了大 量试验据统计，PW4084 用于研制试验的发动机共有 22 。