[涡扇发动机] 涡扇15发动机最新进展

　　同军用飞机一样,民用支线/公务机发动机也经历了以涡桨发动机为主到以涡扇发动机为主的发展进程。在这一过程中,国外几家著名的大发动机公司逐步参与和进入了支线/公务机的动力市场。他们将其成熟的大型和军用发动机技术移植到支线/公务机的动力上,既促进了这类发动机的发展,也加剧了该类发动机的竞争。
　　
　　现代支线/公务机动力的主要特点
　　从"涡桨化"到"涡扇化"
　　70年代中期,西方发生能源危机,燃油价格几次上涨,节能工作变得非常突出。与此同时,美国执行了新能源政策,对发展经济性好的支线/公务机以有力的促进。由于涡桨发动机在亚音速和短程航线内的经济性好,采购费用与使用维修费用低,噪声和污染也能满足要求,因而受到当时航空公司的欢迎。因此,从70年代中期至80年代中期,85%的支线/公务机都采用了涡桨发动机作为动力。特别是80年代投入使用的支线飞机几乎都装用了涡桨发动机,故有人称此趋势为支线/公务机发动机的"涡桨化"。这些发动机主要由普惠加拿大公司和美国霍尼韦尔公司等生产。其中普惠加拿大公司研制的PT6A和PW100系列发动机用得最广,当时约60%以上的支线/公务机都采用了这两种发动机。
　　随着航空运输的发展,进入90年代后,航空公司预计到速度高。航程远和座位相对多一些的支线/公务机将会有较大的需求量,而最适合这种飞机的动力装置就是涡轮风扇发动机。美国艾利逊公司(现并入英国罗-罗公司)最早作出响应,率先在T406涡轴发动机的基础上研制了AE3000系列涡扇发动机。接着,英国罗-罗公司。美国通用电气公司和普惠加拿大公司等都先后开始研制用于支线/公务机的涡扇发动机,出现了"涡扇化"趋势。
　　强调可靠性。耐久性和维修性
　　保证飞行安全是飞机制造商和航空公司始终追求的目标,也是飞机在市场竞争中取胜的重要因素。因此,飞机制造商总是千方百计提高飞机的可靠性和耐久性。发动机是飞机的心脏,是保证飞机飞行安全的关键。为此,发动机制造商在其设计和研制中将可靠性和耐久性摆在比性能更重要的位置。在每一种新型支线/公务机发动机的研制和取得适航合格证的过程中,要制造10多台试验用机,要进行大量的地面和飞行试验,以满足发动机结构完整性要求或满足航空适航部门的高可靠性要求。如美国霍尼韦尔公司在研制AS900发动机时,制造了17台试验用机,在该发动机投入使用前要进行13000多小时试验,使其能及早发现可能存在的故障和薄弱环节,保证一投入使用就具有很好的可靠性和耐久性。
　　任何一种产品使用一段时间后,都要进行定期检修和保养,发动机也不例外。在航线上运营的发动机在其寿命期内,除定期从飞机上拆下来进行大修外,还要定期进行在线维修或临时更换有故障的零部件。航空公司和发动机生产商都非常看重发动机的维修性。在选购发动机时,航空公司将其维修性好坏作为一项重要的衡量标准;而发动机制造商为获得更多的订单,从发动机设计工作一开始就将维修性作为一项重要指标加以考虑。
　　在现代支线/公务机发动机设计中,保证其具有良好维修性的最好方法是按单元体设计发动机,即将发动机部件分为若干个单元体,每个单元体可单独在线更换。这样发动机在工作中某个部件或单元体出现故障时,就不必将整机从飞机上拆下来,只要直接更换有故障单元体即可,大大减少了维修工时和费用。新一代支线/公务机发动机大都采用全权限数字式控制系统,这也是减少维修工作量与无计划更换发动机。实现视情维修的重要手段。另外,还要考虑设立发动机维修检查口。以便使用最少的维修工具和快速更换单元体等。
　　低噪声和低污染
　　由于人们环保意识的不断增强,机场周围的噪声和污染受到公众的强烈关注。为此美国联邦航空局(FAA)。国际民航组织和一些机场等对飞机产生的噪声和污染都作出了严格规定。这迫使发动机制造商采取相应的措施,研究有关的技术,如新的消声装置。隔音材料和风扇叶片安装以及研究低污染燃烧室等。目前使用中的支线/公务机发动机,都必须达到规定的噪声和污染规定,否则将被淘汰或罚款;而处于研制中的新发动机则必须满足更为严格的规定。
　　
　　改进改型满足不同需求
　　航空发动机是高技术产品,研制成本高。周期长和风险大。任何一个商家都不会随便上马一个新项目,在新机研制开始时总是想方设法降低研制成本和研制风险,改进改型就是最常用的方法。目前支线/公务机发动机市场上,有许多不同用途的发动机都是通过改进改型发展的。如美国通用电气公司的CF34。霍尼韦尔公司的TFE731。罗-罗公司的"泰"及普惠加拿大公司的JT15D。PW300。PW500等系列涡扇发动机。
　　CF34系列发动机是当前支线/公务机动力市场上比较热销的动力装置,是在军用发动机TF34的基础上研制的,主要结构与TF34相同。TF34是通用电气公司为美国空军A-10攻击机和美国海军S-3反潜巡逻机研制的。在TF34的研制和试验中,通用电气公司按军方要求对其进行了严格的试验验证。其技术应用到CF34上后,使该发动机具有良好的性能。可靠性和适应性。
　　CF34是一种推力为39～80千牛的涡扇发动机系列。第一个型别CF34-1A,装在加拿大的"挑战者"601公务机于1983年投入使用。接着通用电气公司研制出第二个改型CF34-3A,其涡轮前温度提高,装在"挑战者"601-3A公务机上于1987年投入使用。由于该发动机性能提高,使飞机在热天和高原时的航程与有效载重增加。第三种改型是CF34-3A1,它采用了低污染燃烧室。更为先进的材料等。该发动机于1992年装在德国汉莎航空公司订购的RJ100飞机投入使用。目前,奥地利劳达航空公司。加拿大航空公司。德国滨海航空公司和美国库姆航空公司等仍在使用CF34-3A1。它在3年使用中,其调度可靠性达到99.8%。CF34-3B是CF34-3系列中改进最大的型别,已用于"挑战者"604。该发动机于1995年取得适航合格证后开始使用。
　　1996年,通用电气公司正式着手新一代CF34发动机的研制工作。第一种型别是CF34-8C1,其最大起飞推力提高到61千牛。该发动机采用1级风扇,直径增加到1.17米,风扇压比为1.7,涵道比为5,采用宽弦风扇叶片,风扇包容环用铝和凯芙拉材料制成;10级轴流式压气机,其头3级为整体叶盘结构,压气机压比为16.5,而总压比为28;4级低压压气机也做了改进,叶片数减少;2级高压涡轮用DSR142材料制成,可防热疲劳;采用新的全权数字式控制系统。与CF34-3A1相比,该发动机推力增加40%,推重比增加15%而耗油率降低4%。CF34-8C1被选用于加拿大庞巴迪公司66～78座的CRJ700飞机,已投入使用。
　　在CF34-8C1的基础上,通用电气公司又在研制CF34-8C5。该发动机与CF34-8C1具有较大的通用性,其最大推力提高到64千牛,已选用于庞巴迪公司的86座的CRJ900飞机,预计在2002年投入使用。
　　新一代CF34的第三种改型是CF34-8D,它采用了CF34的设计和使用经验以及CF34在支线/公务机上得到验证的可靠性。环保和使用特性。CF34-8D现已选用于费尔柴耳德公司的50座的528JET和70～85座的728JET。为适应翼下安装,通用电气公司还专门设计了新的短舱/安装系统。CF34-8D现已在台架试验,预计在2002年第三季度取得适航合格证,2003年在汉莎航空公司投入使用。目前,通用电气公司还在考虑研制CF34-8D的降低推力型。
　　CF34的第四种改型是CF34-8E,现已选用于巴西航空工业公司的70座的ERJ-170。CF34-8E的大部分部件与CF34-8C1的通用,为适应翼下安装,专门设计了短舱。CF34-8E已开始试飞,预计将在2002年第二季度取得适航合格证,同年第四季度在瑞士克罗斯航空公司投入使用。此外,通用电气公司还将为巴西航空工业公司的90座级ERJ-190研制CF34-10D发动机,其推力将增加到80千牛。现在通用电气公司已完成该发动机的初步设计工作。
　　TFE731是美国霍尼韦尔公司于70年代研制成功的涡扇发动机,迄今已交付了约8000台用于不同支线/公务机。早期的TFE731的推力为15.6千牛。1991年霍尼韦尔公司开始研制TFE731-20/-40/-60三种改型,分别用于"利尔喷气"45。"阿斯特拉"SP和"隼"900飞机。这三种改型发动机的海平面起飞推力分别为16.3。18.9和22.2千牛。这些发动机的研制吸取了约70家用户的意见和建议。据称,与早期的TFE731相比,由于采用了许多新技术,其耗油率大大降低,巡航推力大大提高;而双转子结构与齿轮传动风扇的结构仍保持不变,因此改型发动机可安装到早期发动机所装的飞机上使用。
　　"泰"是罗-罗公司在军用斯贝发动机基础上研制的。该发动机具有良好可靠性和油耗低等特点,噪声和污染也能满足要求。目前,用于支线飞机的主要改型是"泰"620/650。推力为62.3千牛的泰620主要用于"湾流"Ⅳ和福克70/100;而推力为65千牛的泰650主要用于福克100。为了进一步地降低污染,罗-罗公司与瑞典沃尔伏公司合作研究了一种新燃烧室。这种新燃烧室可使"泰"650的一氧化碳减少37%,未燃碳氢化合物减少63%,氮氧化物减少10%。
　　JT15D。PW300和PW500均是普惠加拿大公司研制的小型涡扇发动机。JT15D是70年代研制成功的推力为10千牛的发动机,其最新改型是JT15D-5D。这种新改型发动机采用了整体式叶片转子的风扇和低压压气机。先进材料和宽弦风扇叶片等技术,解决了早期存在的推力急剧下降问题。PW300是一种推力为22～36千牛的涡扇发动机,主要用于"利尔喷气"60。BAe125。"哈克"1000和"奖状"等支线/公务机。
　　为填补JT15D和PW300之间推力的空白,普惠加拿大公司研制了推力为12～20千牛的PW500系列发动机。PW500实际上是JT15D的替换机,但由于该发动机采用了许多新技术,耗油率比JT15D低得多。目前PW500有三种改型:PW530A,用于赛斯纳公司的"奖状喝彩"公务机;PW545A,用于赛斯纳公司的"奖状优胜"公务机;PW535A,用于"奖状超越"公务机。普惠加拿大公司研制的上述几种新型涡扇发动机都已在90年代后期投入使用。
　　此外,罗-罗公司在AE2100涡轴发动机的核心机基础上研制出AE3000系列涡扇发动机,它的推力为35千牛级。AE3000现有两种改型,即AE3007和AE3007A。这两种发动机分别用在巴西航空工业公司研制的37座的ERJ-135和50座的ERJ145支线飞机。目前这两种飞机在市场上比较畅销。
　　全新研制涡扇发动机
　　改进改型发展航空发动机虽然具有成本低。风险小和研制周期短等优点,但为满足某些特定要求,或为了比较集中的采用新技术以推出更具竞争力的发动机,制造商们也经常投入大量资金研制全新的发动机。当前支线/公务机动力市场上全新研制的发动机主要有罗-罗公司的BR700系列和霍尼韦尔公司的AS900系列。
　　BR700最初由德国宝马公司和罗-罗公司合资研制(后罗-罗公司收购了宝马公司)。发动机的研制和试验基地设在德国。它的核心机是全新设计的,采用了最新研究的压气机。燃烧室和高压涡轮设计。BR700采用1级带宽弦叶片的风扇。10级轴流式高压压气机。环形低污染燃烧室。2级高压涡轮,控制系统为全权限数字式。BR700现有两种型别:一是BR710,其推力为65千牛,已选用于湾流公司的"湾流"Ⅴ和庞巴迪公司的"环球快车"公务机;另一种是BR715,现已装在100座级的波音717飞机上。
　　AS900是霍尼韦尔公司于1998年开始研制的全新涡扇发动机,推力为17.8～40千牛,主要用于支线/公务机。AS900的特点是采用无凸台的带宽弦钛合金叶片的风扇,风扇直径为0.87米;4级整体叶盘结构的轴流式压气机,另一级为离心压气机;燃烧室采用喷射冷却;2级高压涡轮和3级低压涡轮。目前,AS900有两种型别:推力为29千牛的AS907被庞巴迪公司的"大陆"公务机选用;而推力31千牛的AS977已选用于BAe公司的RJX支线飞机。这两种发动机基本结构相同,但为适合不同飞机,其附件和齿轮箱不同。霍尼韦尔公司原计划2001年3月取得AS900的适航合格证,现推迟到2002年年初,以采用公司正在实施的耐久性和维修性加强计划中的新技术。
　　小推力级涡扇发动机
　　美国威廉斯公司在80年代成功研制出FJ44涡扇发动机,用于"奖状喷气"等公务机,后来研制的FJ44-2A/-2C,也主要用于公务机。1998年,公司在FJ44基础上研制了缩小推力发动机FJ33。该发动机与FJ44的设计和技术基础相似,但之间没有通用的部件。FJ33是一种推力5.3千牛的涡扇发动机,旨在用于小型公务机,现已被世纪航宇公司的CA-100小型喷气机选用。据威廉斯公司称,FJ33将以低于涡桨发动机或活塞式发动机的使用费用来提供喷气发动机的性能。
　　根椐美国NASA通用航空运输机计划,威廉斯公司从1998年底开始研制推力只有3.1千牛的小型高涵道比涡扇发动机FJX-2,以用于通用航空飞机和小公务机。该发动机重量为39～45公斤,只有相当功能活塞发动机重量的1/4。目前,威廉斯公司正在为FJX-2研究新技术,如无滑油轴承。陶瓷和高温聚合物材料等。
　　
　　两种涡扇验证机
　　为进一步开拓支线/公务机动力市场,普惠加拿大公司计划研制新一代涡扇发动机PW600和PW800。
　　PW600的推力为9～11千牛,质量为160～180公斤,用于小型公务机。它的特点是双转子结构,发动机上装有中间放气系统以便于起动和操纵;早期发动机翻修寿命3500小时,热端检查间隔为1750小时。该发动机的设计目标是除保持公司现有发动机可靠性和耐久性水平外,还将在大大降低发动机费用的同时,提供最好的发动机性能。目前,PW600的初步设计已完成,其气动设计。部件制造技术和系统完整性验证工作正在进行。
　　在PW600计划正式启动前,普惠加拿大公司正在研究PW625F验证机,并完成了首次试车,达到了11.13千牛的最大起飞推力,而且,工作特性比预期的好得多。该发动机研制计划进展顺利,为2002年第一季度在该公司波音727飞机上进行飞行试验扫清了道路。
　　PW800的推力45～90千牛,是为下一代50～100座支线飞机和大型公务机设计的。它将填补美国普惠公司研制的推力为89千牛的PW6000发动机和推力为22～36千牛的PW300发动机之间的空白。美国普惠公司。德国MTU公司和意大利菲亚特公司参加了这项计划。PW800是一种齿轮传动的涡扇发动机,有一减速器,可使风扇转速低于低压压气机和低压涡轮的转速,所有部件都工作在最佳转速下从而达到最大效率。PW800是一系列新环保型发动机的典型代表,它将在比现有发动机具有较少部件的同时具有低的燃料消耗。低的噪声和污染。它的耗油率比与之竞争的发动机低约10%;排放的污染物能满足未来要求;噪声比FAA第三阶段规定低28分贝。
　　普惠加拿大公司在正式研制PW800前,也在实施先进技术风扇综合(ATFI)验证机计划,目的是为PW800做技术准备。ATFI验证机以PW308发动机核心机为基础,采用德国MTU公司的2级低压涡轮。美国普惠公司的涵道比为7.8的风扇和低污染的燃烧室以及意大利菲亚特公司的功率为7500千瓦的减速器。ATFI验证机计划现在进展顺利,第一台验证机已完成了首次试验,其推力超过56千牛。按计划,该验证机装在波音720上,首次试飞将在2002年初进行。
　　纵观支线/公务机动力市场,涡桨发动机虽然没有什么发展,但80年代投入使用的一些涡桨发动机仍将继续使用。这些发动机主要用于30～50座的支线飞机和中小公务机。其中普惠加拿大公司研制的PW100和PT6A发动机仍将大量使用。
　　PW100的最新改型是PW150,该发动机已用于庞巴迪公司的70座的冲8-400,其功率为4800～5600千瓦,我国长安航空公司也引进了2架冲8-400。责任编辑:晓东■