国外大涵道比涡扇发动机研制及发展

全金属历史

　　CFM Leap涡扇发动机

　　大涵道比涡扇发动机(High Bypass Ratio Turbofan)是现代民航客机的主流动力装置。由于大涵道比涡扇发动机具有推力大、耗油率低、噪声小的特点，除了大型民用客机，还被广泛用于军用运输机以及其他大型亚声速飞机如加油机、预警机、反潜机等。

　　大涵道比涡扇发动机的起源

　　世界上第一种大涵道比涡扇发动机是1969年10月定型的美国通用电气公司TF39-GE-1A，涵道比为8，腾飞推力近20000daN。大推力的大涵道比涡扇发动机的出现推动了巨型宽体客机的诞生，1970年1月，涵道比为5.2的普惠公司JT9D-3涡扇发动机装备波音747-100宽体客机投进使用。从此，大涵道比涡扇发动机开始在民用领域获得大量使用，成为民用发动机市场的主角，其技术也迅速发展。一些新研制的或老型号军用运输机的升级也纷纷采用民用大涵道比涡扇发动机改型。

　　安装于波音747上的JT9D涡扇发动机

　　大推力的大涵道比涡扇发动机的出现推动了巨型宽体客机的诞生

　　JT9D发动机的巨大风扇使普惠早期的JT3D涡扇发动机相型见拙

全金属历史

　　大涵道比涡扇发动机的演变

　　自上世纪70年代大涵道比涡扇发动机问世，典型大涵道比涡扇发动机已经进入第三代，普惠、GE和罗罗公司最新航空发动机产品涵道比均达到10以上。正是由于航空发动机效率的不断提高，使得航空发动机巡航耗油率不断降低，与早期民航发动机相比，耗油率下降了50%。到2020年左右，高涵道比涡扇发动机的耗油率将进一步降低15~20%。

　　这些技术目标的实现，离不开美国及欧盟对航空发动机预研计划的支持。欧盟通过FP5、FP6和FP7资助的CLEAN、SILENCE(R)、VITAL、NEWAC、CLEANSKY & CLEANSKY 2计划中发展的关键技术，极大的推动了大涵道比涡扇发动机的发展。美国的NASA主持的UEET等计划也促进了航空发动机减排降噪技术的发展。

取证时间	1977~1992	1993~2007	2008年以后
典型发动机	RB211、PW4000、CFM56、V2500	Trent800、Trent900、GP7200、GE90	GEnX、Trent1000、PW1000G、LEAP
涵道比	4~6	6~9	10~15
涡轮前温度（℃）	815~855	855~1010	>1037
巡航耗油率（Kg/daN.h）	0.57~0.7	0.565~0.6	0.5~0.55

　　大涵道比涡扇发动机的发展历程

　　民航客机出现以来飞机发动机耗油率和噪音不断降低

全金属历史

　　大涵道比涡扇发动机的关键技术

　　由于大涵道比涡扇发动机的噪声和排放物问题直接影响着民用航空发动机的使用和发展，具备更高经济性、更低的噪音、更少的污染物排放是大涵道比涡扇发动机技术发展的主流，为此，美国和欧盟制定了一系列的技术发展目标。

　　欧盟ACARE与美国NASA制定的长期降低耗油率、污染物排放及噪音发展目标

　　在此背景下，发展大涵道比涡扇发动机关键技术主要包括：

　　——大涵道比涡扇发动机总体性能设计技术

　　——大尺寸风扇设计制造技术

　　——航空发动机降噪技术

　　——航空发动机降低排放技术

　　——齿轮传动发动机技术

　　其中大尺寸风扇设计制造技术包括高性能大尺寸风扇3维设计技术、宽弦空心与复合材料风扇叶片设计及制造技术等;航空发动机降噪技术包括：发动机/飞机整机噪声预测分析及控制技术;风扇/增压级低噪声设计技术;排气系统噪声预测及降噪关键技术等;航空发动机降低排放技术主要包括：低污染燃烧室技术、冷却和材料等辅助性降低排放技术和间冷回热循环发动机技术等;由于齿轮传动涡扇发动机是未来大涵道比涡扇发动机的发展趋势，包括齿轮传动发动机总体设计技术、大功率减速齿轮箱设计及制造技术的齿轮传动发动机技术也将成为未来发展的重点。

　　目前，弯掠叶片、吸声材料、双环腔低排放燃烧室、轴向分级低排燃烧室等技术，已经应用在GE90,PW4084,Trent 800,Trent900,CFM56,GP7200等大涵道比民用涡扇发动机上，并收到了很好的环保效果。

　　GE公司大尺寸风扇及其它关键技术的发展

全金属历史

　　大涵道比涡扇发动机的发展趋势

　　当前，在大推力(大于70.00 kN)高涵道比涡扇发动机中，风扇均由低压涡轮直接驱动;一般在风扇转子后还装有3~5级低压压气机，以增加发动机的总压比及内涵的空气流量。但这种设计存在先天的缺点，即低压压气机、低压涡轮均未在它们的最佳转速下工作，使得发动机级数增多，这是因为高涵道比涡轮风扇发动机的风扇直径很大，受叶尖切线速度限制，风扇转子只能工作于较低转速下。由于风扇(加上低压压气机)是由低压涡轮直接驱动的，低压压气机、低压涡轮的转速大大低于它们的最佳工作转速;为达到发动机总体设计要求，只得增加低压压气机及低压涡轮的级数。

　　在3转子发动机中，风扇、中压压气机和高压压气机均在最佳转速下工作，因而其级数比双转子发动机的少。如果在双转子发动机的低压涡轮、低压压气机与风扇间装1个减速器，首先使前二者能在最佳转速下工作，然后通过减速器将转速降低到风扇的最佳转速来驱动风扇工作，这样，3个部件均工作于最佳转速下，自然可使级数减少。齿轮传动涡轮风扇发动机(GTF)虽然与3转子发动机概念不同，但它是可同样解决压气机和风扇转速上矛盾的新概念涡轮风扇发动机。

　　普惠公司的GTF发动机

　　因此，GTF超高涵道比涡扇发动机是未来大涵道比涡扇发动机的发展趋势，欧盟及美国都将发展GTF涡扇发动机的相关技术定为未来发展重点。

　　大涵道比涡扇发动机发展趋势

　　GTF发动机的减排降噪效果

全金属历史

　　国外大涵道比涡扇发动机发展对我国的启示

　　国际大涵道比涡扇发动机目前已经发展到了涵道比10一级，预研了涵道比12以上GTF发动机的关键技术，发动机经济性、安全性和环保型等各方面技术指标不断提高。与国外大涵道比涡扇发动机研制技术已经步入成熟期相比，我国在基础研究和关键技术的预先研究方面都存在一些空白。总体上说，我国的大涵道比发动机和欧美先进技术的整体差距在30年以上。

　　涡扇-20发动机曝光图片

　　目前，我国正在研制开发的大涵道比发动机为涡扇-20(WS-20)。WS-20以CFM-56核心机为内核，同时采用了大直径风扇、实心宽弦叶片等我国最新科技。和D-30KP相比，WS-20的涵道比可以达到5，是D-30KP的2倍以上，总增压比超过30，涡轮前温度约1300℃，这样，WS-20在推力相当的情况下油耗要比D-30KP降低至少30%。且由于WS-20的核心机也是CFM-56，以我国现在的工艺技术能力，完全可以把外涵道风扇直径做到1.8米，这样涵道比可以达到6，总增压比达到40，涡轮前温度接近1400℃，从而将发动机最大推力提升到15吨。

　　网传中国涡扇20发动机试验画面

　　另外，我国还在研制CJ-1000型大涵道比发动机，它采用了全新一代的核心机、三维成型复合材料叶片、先进燃烧室等全新技术，其总体技术和LEAP-X1C基本相当，根据官方消息，该发动机将在2020年设计定型并造出样机用于测试，有关单位希望它能够“获得C-919飞机30～50%的发动机份额”。不过，即使是CJ-1000这样的国内顶级大涵道比发动机也只相当于欧美2000年左右的水平，目前欧美主流宽体客机，比如波音787和空客A350XWB等所使用发动机的单发推力已达30吨，而像波音777X这样的超大客机所使用的大涵道比发动机单发推力甚至超过50吨。

　　展会上的CJ-1000发动机模型

　　因此高性能大涵道比涡扇发动机的研究是我国一项长期而艰巨的任务，面临着严峻的挑战，需要在展开型号研制的同时，有针对性地加强基础研究和技术验证，一方面为大涵道比发动机的工程研制提供技术支撑，另一方面就是要发展和储备未来更高涵道比涡扇发动机研制的先进理论、方法和关键技术，从而使我国未来第二代高涵道比涡扇发动机能够达到当时国际的先进水平。

　　我国研制大涵道比涡扇发动机在风扇/压气机气动方面需要解决以下几个问题:

　　1.尽快建设风扇噪声实验研究平台和低速大尺寸多级压气机实验装置等一些关键研究设备;

　　2.发展风扇噪声预估分析系统，改进完善验证高性能风扇高压压气机设计理论和系统;

　　3.逐步开展与型号紧密相关的凡项关键预研:涵道比6-8的风扇研制，高效率高负荷高压压气机研制，涵道比12风扇的先期性研究;

　　4.大力加强实验研究分析能力，提高实验研究水平。