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奔腾的中国“心”-浅析C919客机的发动机  

2009-09-26 18:00:41|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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C919的发动机仍旧要向国际招标

近日,国产C919型客机模型首次公开亮相,并且其机头部件也已经开始试制,这表明C919型客机已经完成发图,进入工程试制阶段,同时有消息指其配套的发动机及机载设备已经向国际招标,当然人们更关注的是这型代表着新世纪我国民机希望的客机能否装配一颗“中国心”,即配备国产大涵道比涡扇发动机。

根据中航商用飞机发动机有限责任公司总经理张建的话,中商飞发动机计划在2016年完成C919发动机的研制,并进行适航试飞,从这个时间表来看基本上可以认为C919客机的发动机将会以国产涡扇-10发动机为基础,利用核心机换装单级大直径风扇,构成我国大型运输机配备的发动机,也就是说如果说涡扇-10是山寨F110-GE-129的话,那么C919的发动机应该是山寨CFM56涡扇发动机。

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CFM56是目前中短程客机的主力发动机,也是我国相关发动机的参考对象

一位著名的飞机设计师曾经说过“决定一个国家研制什么样的飞机并不在于飞机设计师,而在于发动机设计师”,也就是说一个国家研制什么样的飞机的前提是其能够得到什么机的发动机,航空发动机可以说是现代工业革命的结晶,由于需要长时间、反复在高温、高压和高转速条件下工作,其研制难度和对工业技术基础的要求远高于其他平台的发动机,往往研制一台发动机所需要的时间和资源要远高于研制一型飞机,当今能够设计的飞机的国家不少,能够发射火箭、导弹的也不罕见,但能够研制航空发动机的国家目前只有少数几个国家,而民用航空发动机的技术之高更是到了苛刻的顶点——稳定性高、几万个工作小时的长寿命、油耗低、污染低,其噪声要求比汽车还严格。所以现在大型客机的发动机基本上被通用电气、普惠和罗罗公司三家垄断-日薄西山的大英帝国可以放弃飞机工业,即矢志不渝的呵护着罗罗公司,并且凭此保持着自己在当今航空工业中的重要地位,经济技术实力位居世界前列的法国需要和美国合作才能研制出CFM56发动机,前苏联如此雄厚的国力和工业基础,在民用客机发动机方面也只能用不过尔尔来表示,远不上西方国家的发动机,这也是前苏联客机在经济性和可靠性低于西方客机的一个最重要的原因。而我国目前还只是突破了军用小涵道比涡扇发动机,在民用大涵道比发动机方面还是空白的。

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光洁的表面、迷宫版的管路,集中展现了航空发动机的复杂性

正是因为发动机研制的异常艰难,所以即使发达国家也早早放弃了为一种飞机研制一型发动机的做法,而尽量在使用条件相当的飞机上配备相同的发动机,如早期的J57军用喷气式发动机就发展出了JT3C民用客机用喷气发动机,而在JT3C的基础上又展出了JT3D涡扇发动机,而JT3D也有自己的军用型TF-33,用于C-141军用运输机,但随着作战飞机的超音速化,而民用运输机基本上还在高亚音速度范围内徘徊(协和和图-141是个例外)因此这就造成了军用飞机的作战包线也就是升限/速度范围要远高于民用飞机,因此也就要求其配套的发动机具备良好的全高度/速度性能,能够较好的完成超音速和亚音速飞行间的转换和协调。而民用客机由于航空公司对成本的敏感性,更加重视在使用范围内经济性及可靠性的改善,同时由于为满足旅客对于客机舒适性及各国日益严格的噪音污染标准,其还要具备较强的安静性,(去年珠航航展世界最大的客机A380来华参展,参观者就发现其四台发动机同时工作时的噪声居然比其小的多、两台发动机的轰油-6还要低。)因此当今民用客机的发动机与作战飞机的发动机结构已经过完全不同,通用性也越来越困难。在这种情况下就也现了核心机的概念.

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压气机、燃烧室、高压涡轮组成发动机的核心机

所谓的核心机就是核心机是涡扇发动机极其重要的组成部分,包括了发动机系统中温度最高、压力最大、转速最高的组件和系统,主要有压气机、燃烧室、高压涡轮、传动系统等组成,核心机包含了发动机压缩系统的主要部分,在核心机压气机中实现了发动机的大部分总增压比,核心机的重量占到发动机重量的40-50%,在发动机研制过程中发生的80%左右的技术问题都与核心机密切相关,因此发动机国家目前多采用利用发动机的核心机来配备不同的低压系统来发展军国、民用涡扇发动机,这里面最典型的例子就是通用电气公司的F110军用发动机和CFM56民用发动机系列,该系列最初是通用电气为B-1A超音速轰炸机研制的F101涡扇发动机,在此基础上衍生出了去掉加力燃料室的F118(用于B-2隐身轰炸机)。F101的核心机由于9级压缩机、燃料室和单级高压涡轮等部分组成,80年代考虑到F-16配备的F100可靠性出现的问题,为F-16发动机多提供一种选择,通用电气公司在F101的基础上开展了战斗机衍生型的研制,主要采用了一个0.76低旁通比、由2级低压涡轮驱动的3级风扇、外加一个加力燃料室,这就是F110系列,1986年第一种推力达12700公斤的F110-GE-100投产,并配备在F-16C/D上面,为区别配备GE和PW发动机的F-16,美国空军将前者编号确定为F-16BOCK30/40/50,后者为F-16BLOCK32/42/52,由于F101/F110的成功,通用电气公司也考虑扩展这个系列发动机的用途,以取得最大的效益,而此时法国的施奈克玛公司也希望研制一种中等推力、低油耗/噪声、可靠性高的民用涡扇发动机做为下一代窄机身客机的动力,由于技术能力不足,其希望能够与实力更为强大的伙伴进行合作开发,经过选择其决定与通用电气合作研制,双方成立了CFM公司,选择通用电气除了其有强大的技术实力外,还有助于新的发动机打进庞大的美国民用客机发动机市场。项目编号定为CFM56(其中CF是通用电气民用涡扇的缩写,而M56代表施奈克玛第56个发动机项目)。由于CFM56是基于F101的核心机增加一个单级、旁通比为5左右的大直径风扇研制而成的,由于涉及到F101的核心机技术,根据美国国防部的要求,通用电气对其进行降低技术标准处理,即其热端部件技术不超过当时的民用CF6发动机的标准-由于可以看见发动机技术的困难和重要性。CFM-56发动机最大推力120千牛级,巡航耗油率约0.6,质量1900-2000公斤,推重比4-5,是当今中短程客机的主要动力系统,占据了当今中短程客机动力系统市场份额的80%,除此之外其还衍生出用于A340大型远程客机的CFM-56-5C,另外还成功开辟了军用市场,美国空军赋予其编号F-108-CF-100,用于美国空军KC-135空中加油机的升级,更换后的KC-135的编号为KC-135R。根据新一代民用客机的研制计划,CFM公司又开始了新一代CFM56发动机的研制即LEAP56计划。LEAP56将采用新复合材料风扇,先进压气机,下一代双环预旋燃烧室及下一代高、低压涡轮,设计目标是比现有CFM56-5B,和-7B耗油率降(10~15)%,维修成本降 15%,噪音降15 分贝。整机方案将在 2011年飞机需求最终明确后确定。

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F-110-GE-129涡扇发动机

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CFM-56涡扇发动机剖面图,尽管外观不同,但其与F-110有同样的核心机

我国航空发动机专家刘大响曾经说过;与飞机设计水平相比,我国航空发动机研制水平更加落后于世界先进水平,和我国飞机工业一样,以前苏联第一代涡喷发动机起步,我国航空发动机经历了从修理到仿制,从单纯仿制到测绘仿制,从仿制到自行研制的过程,但由于种种原因,我国航空发动机水平发展缓慢,到本世纪初只具备研制、生产、改进60年代水平的航空发动机的能力,究其原因,主要是当时国家经济技术实力有限,在航空发动机领域投放不足,加上航空发动机本身的复杂及艰难,所以我国自行研制的几型发动机如涡扇-6进度迟缓,出现了还未上天试飞就已经落后的局面,虽然后来从西方引进了部分先进技术,如引进英国的斯贝MK202涡扇发动机,但由于技术上的差距,经过多年努力才将其消化和吸收,主观上来讲我国长期对航空发动机的重要性认识不足,往往将发动机做为型号附属物,型号上则发动机上马,型号下马发动机随之下马,因此在型号上没有形成梯次发展,缺乏必要的技术积累。这样的结果就是至今我国在作战飞机的发动机方面还受制于人。

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国产涡扇-10涡扇发动机刚刚成熟

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目前国产歼击机仍旧依靠AL-31F涡扇发动机

从上世纪80年代起,我国根据新型歼击机歼-10的配套需要开始研制大推力涡扇发动机涡扇-10,根据外电报道其借鉴了CFM-56也就是F110的核心机技术,当年考克斯报告还绘声绘色的描绘其中的细节,我国以改进三叉戟的名义从美国引进两台CFM-56发动机,然后以火灾的名义报损,实际上进行分解、测绘仿制出了涡扇-10,笔者认为这个说法实在牵强,我们知道航空发动机是一个由上万个零部件组成的庞大的工程产品,是当今最尖端材料和加工工艺的体现,特别是治金材料,单纯少数几台发动机根本就不可能破解其中的奥妙的,当然我国大量操作着波音737机队,因此积累和丰富的使用和维护CFM-56发动机的经验,在此基础对其核心机进行借鉴是完全可能的。随着涡扇-10的研制成功,在其的核心机基础上研制一型民用客机用的大涵道比涡扇发动机成为最可能的选择。换句话说我国搞C919并不偶然的,而受到我国航空发动机研制水平的制约-在可以预见的将业国内只能提供这样水平的发动机。当然这并不是唯一的原因,国内民航目前的主力机型就是波音737,本世纪初我国拥有600多架民航客机中,波音737占了一半以上,到2010年后许多飞机到达使用寿命后,需要更换,根据预测,到2020年我国共需要150座客机近千架,这是C919最有可能的市场,也是研制的初衷,这样其配套的发动机就需求就在2000台以上,价值数百亿美元,因此研制大涵道比涡扇发动机对于我国来说的确有巨大的经济和社会效益。同样重要的是还可以解决军用运输机的发动机问题,前面说过4台CFM-56发动机已经可以驱动A340这样的大型客机,因此在其基础上可以研制一型与伊尔-76大小相近的军用运输机,从而解决我国空军缺乏大型运输机的问题。甚至可以用于现有伊尔-76飞机的发动机升级。

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中国民航拥有大量的波音737客机,C919的目标就是其后续机

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我国空军装备的伊尔-76,采用的是较为落后的D-30KP发动机

根据有关资料,我国沈阳航空发动机研究所(606年)在已经设计定型的涡扇-10涡扇发动机的核心机的基础上,利用航空推进技术验证计划构建的大涵道比风扇验证平台,对高压压气进行全三维改进设计,同时进一步改善核心机性能、改进设计风扇/增压级、匹配设计低压涡轮、采用全权限发动机电子控制技术系统,构成我国第一代大涵道比涡扇发动机方案,其推力为120千牛级,性能与CFM-56相近,优于伊尔-76的D-30KP,在相同的条件下,可以让伊尔-76的航程增加约10%,可以满足我国中短程客机和大型军用运输机的动力需求,与此同时在四代发动机的核心机基础上,606所还开展了140千牛级的大涵道比涡扇发动机的先期技术攻关,以满足C919系列发展的需要。

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国产大涵道比涡扇发动机已经开始台架试验

但是我们应该清醒的认识到,我国航空发动机工业基础薄弱,缺乏经验,在材料、工艺、以至试验手段等各方面还存在诸多不足,因此大涵道比涡扇发动机应该说只能研制出来而已,能否在经济性、安静性、可靠性等指标满足客户的要求还是个未知数,这也是为什么近期中商飞要在国际上进行发动机招标原因。当然我们也相信随着我国经济实力与工业技术水平的提高,加上科研人员努力,国产客机肯定会装上国产“心”

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注:参考资料:

1、大型飞机发动机现状及关键技术分析

2、本文配图来源于网上,权利归原作者所有

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