中国大涵道比涡扇发动机研发现状及未来(一)

来源:两机动力控制 时间:2017-11-20 分享至:
[宇辰导读]我国的民用大涵道比涡扇发动机的研发现状和未来如何?

我国的大飞机C919进行了第二次飞行测试,另一方面,为C919配套的国产民用大涵道比涡扇发动机CJ1000-A的研制也在稳步推进,预计在今年完成首台样机的装配。我国的民用大涵道比涡扇发动机的研发现状和未来如何?

涵道比4以上的涡扇发动机耗油率低、噪声小,并且可靠性高、使用寿命长,是目前全世界民用客机的主要动力引擎,同样它也可以装备在军用的大型运输机、空中加油机、空中预警机和其他大型军用飞机上。

虽然我国在军用航空发动机研制上颇有建树,然而,在民用大涵道比发动机上却刚刚起步,在我国180多个机场上起飞降落的2800多架民用客机中却无一采用国产涡扇发动机,这些发动机全部来自美国通用电气GE、美国普惠、英国罗罗、法国CFM(美国GE公司和法国赛峰合资公司)等国外企业,包括我国目前研制的C919大飞机采用的也是CFM公司的LEAP发动机。就连已经列装我国空军的“运20”重型运输机采用的也是进口的俄罗斯D-30KP2发动机。

不过,现在没有并不代表将来不会有,我国已经瞄准这个最具挑战性的技术领域。据国内《经济参考报》报道,我国今年已经正式启动的“两机”专项已经确立了详细的工作重点,航空发动机专项将重点聚焦涡扇、涡喷发动机领域,同时兼顾有一定市场需求的涡轴、涡桨和活塞发动机领域,主要研发大涵道比大型涡扇发动机、中小型涡扇/涡喷射发动机、中大功率涡轴发动机等重点产品。

中国商用喷气式发动机项目的现状

我国目前唯一研制大涵道比涡扇发动机的企业为中国航发商用航空发动机有限责任公司(以下简称“中国航发商发”),该公司成立于2009年1月18日,位于上海市闵行区莲花南路3998号,主要从事商用飞机动力装置及其相关产品的设计、研制、生产、总装、试验、销售、维修、服务、技术开发和技术咨询等业务。

据中国航发商发介绍,该公司是中国唯一的一家大涵道比涡扇商用航空发动机总设计师单位和总承制商单位,负责发展中国大涵道比商用飞机发动机,产品规划涵盖窄体客机发动机、宽体客机发动机和支线客机发动机三个产品系列,致力于在上海打造商用航空发动机产业基地。

国产CJ1000-A发动机总体结构方案图/图 来源网络

根据2014年《大飞机》杂志的描述,中国航发商发的研制路线图为:正在研制的CJ-1000AX验证机,计划在2018年完成验证机的研制和试车工作,并同步开展部件、系统、工艺、材料等技术的多轮持续改进,以确保发动机满足C919的技术要求。如果进展顺利,国产CJ1000-A将于2022年装备C919大型客机,到2026年CJ1000-B将装备C919延程客机。在系列化发展和适航取证方面,中国航发商发计划用于窄体客机的CJ-1000系列于2018年实现验证机达标,2022~2025年完成适航取证;用于宽体客机的CJ-2000系列计划2020年完成技术预研,2022年完成试验验证机达标,2025~2030年完成适航取证。而针对小型支线客机的CJ-500系列,由于目前的市场需求量有限,因此短期内不会启动。

根据2017年8月份,中国航发商发总经理冯锦璋的介绍,我国首台民用大涡扇发动机将在今年完成装配,即将进入高密度、高强度的各种试验,于上述研制进度基本吻合。

在研发人数上,中国航发商发已经超过了1000人,并仍在大规模招募,目前光是2018年校园招聘就计划招募近200名应届生,而且该公司也已经从国外招募了大量员工,多次在英国、美国具备招聘会和延揽人才。根据该公司早前的规划,计划招募3000名员工。

但一位业内专家表示,要想发展国产商用喷气式发动机需要5000-10000名员工,甚至更多的人力。例如,CFM公司在研发CFM56发动机时,就动用了GE和赛峰集团超过2000名工程师和5000多名技师,并且这还是在很多子系统如电子控制器由外部供应商提供的情况下。

按照商发公司现在的员工人数,这可能意味着其发动机研制难以实现完全自主,需要大量借用母公司中国航发集团其它研究所和制造厂的研发能力,甚至国外企业的研发能力,商发公司曾在2012~2013年早期曾提出过“哑铃型”的研制思路,即商发公司把握“总体设计、市场开拓、方案策划”和“总装试车、产品销售、客户服务”这两头“在内”;而“部件设计及制造”这一中间环节“在外”——实行全面供应链管理,按照产品产业链配置资源、集成网络、共创共享。目前随着闵行和临港两个基地的建成,商发公司已经表示可以满足民用航空发动机产业从设计开发到产品制造、验证、交付和使用维护全生命周期发展需要。

其中,闵行基地位于上海市闵行区,重点建设设计研发和客户服务能力。临港基地位于上海浦东新区的临港产业基地,重点建设总装集成,关键部件制造,整机、零部件、系统试验测试和维护大修能力。

另一方面,长期研发过程的“零利润”需要获得大量资金的支持。成立之初,当时的母公司中航工业集团曾承诺每年投资3亿美元,而这一个数字却远远少于国际航空发动机研发平均数字:一台现代商用航空发动机的研制成本大致在20~30亿美元之间(假设所有的试验验证设施已经齐全,所有的关键技术已经掌握,所有的管理人才和专业技术人员已经到位,所有的设计、研制、试验、生产等能力和经验已经具备),GE90发动机研制经费为30亿美元,这还是上世纪八九十年代时的价格;美国普惠的齿轮涡扇发动机研制经费更是超过了100亿美元。

研制费用如此之低,一位业内专家表示这可能是因为:(1)商发公司可能实际上并没有指定较高的目标(无论在发动机性能还是在国产化程度上);(2)它享有大量隐性资金补贴,比如上海市给予的福利房、两机专项的资助;(3)这反映了他们过于乐观。(4)可能是上述因素综合作用,通过设计或必要的过程,该公司很可能最终从国外购买零部件进行最后的组装。

此外,对于C919客机装配LEAP-1C发动机,早期曾有消息称CFM国际公司计划与商发公司在国内合资建立用于LEAP-1C发动机总装和试车的生产线。目前又有俄罗斯联合发动机集团UEC和商发公司签署共同研制C929宽体客机发动机协议的消息,如果这些事情能够顺利实施,也能在一定程度上促进中国商用涡扇发动机的研发。

商用航空发动机的国内制造基础

如果说中国商用航空发动机的设计才从起步不久,在制造技术上,中国众多企业却早已经加入国外商用航空发动机的供应链体系,具有不少丰富的发动机零部件制造加工经验。

近10年来,由于中国经济的迅速发展和国家在航空航天上的大幅投资,很多航空制造企业技改绩效明显,一些生产制造车间的先进性甚至超过了国外的OEM厂商,大量为罗罗、GE和CFM等公司代工发动机零部件。

根据美国GE公司中国区工程技术总经理王鹏介绍,在中国造不出航空发动机已经不是制造技术的问题了,他指出,GE公司的发动机甚至有80%-90%都在中国做,高压转子轴承、头到尾的机匣、压气机轮盘都是在中国制造;就连出口限制最严格的是热端部件,比如高压涡轮,高压涡轮的叶片不在中国做,但高压涡轮盘已经是在中国做的;燃烧室不能在中国做,但燃烧室的头部已经在中国做了。

不过值得指出的是,这些代工业务也呈现“两头在外”的特征,即原材料是进口的,市场是在国外,而且在业务流程上很多是外方委托单位直接提供的原材料。材料问题不仅是中国商用发动机研制的难题,一直以来也是我国制造业之痛。

另一方面,虽然中国在商用发动机制造上缺乏经验,但在军用航空发动机上的制造60多年来却从来没有止步过,有比较完整的航空发动机制造体系,生产过6万多台航空发动机,产品覆盖涡喷、涡扇、涡轴、涡桨、活塞全种类军用航空发动机,拥有西航、黎明、黎阳、南方四大航发主机制造厂,而这些制造厂和商发公司同属去年成立的中国航空发动机集团,因此这些军用航空发动机的制造经验和体系也可以为国产大涵道比的发动机提供一定支撑。

商用航空发动机研发成功的必要因素

商用航空发动机研发的必要前提之一就是有装机对象,而国内ARJ支线客机已经投运;窄体客机C919不仅进入试飞阶段,并且已经获得了750架飞机订单,离国际上认定的成功标志1000架仅一步之遥;宽体客机C929也已经启动研制,这些为中国商用航空发动机的研发提供了稳定的装机对象。

中国航发集团控股子公司航发动力股权结构一览,商飞公司也赫然在股东一列/图 来源网络

而在前几日举办的首届国际航空发动机论坛上,据C929宽体客机总设计师陈迎春表述,国产大飞机对国产大涵道比发动机的要求就是“不求最好,先进可靠;尽早拥有,稳步快跑;合作帮助,一时一事;自主创新,一生一世。”

从性能的角度讲,商用航空发动机研发设计不少关键技术,其包括:发动机/飞机整机噪声预测分析及控制技术;高性能大尺寸风扇转子叶片3维弯掠设计技术;宽弦空心/  复合材料风扇叶片设计及制造技术;复合材料风扇机匣及包容环包容技术;风扇/增压级低噪声设计技术;风扇机匣及其降噪结构设计及制造技术;低排放、长寿命燃烧室设计技术;低排放燃烧室组织燃烧技术;燃用航空替代燃料燃烧室设计技术;排气系统噪声预测及降噪关键技术;控制系统安全性、可靠性设计和高可靠性、高寿命部件设计技术;预测与健康管理(EPHM)技术;适航技术;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等。

即使在技术已经成熟的基础领域,承包商提供的产品也可能出现严重的系统问题。典型的“低端技术弱点”包括变速箱,起火和VSV系统;装配这些系统也会带来重大的设计影响和供应依赖。

将发动机装配到飞机上也是一项重要技术和系统挑战,两者的有效协调非常重要,否则重则出现非常大的故障问题,轻则导致无法有效发挥出发动机的性能。

此外,中国还要满足其它一些国际标准和要求。

中国制造商用发动机所面临的风险

中国的发动机制造商受到一系列战略和经济动机的驱动;从商业角度讲,巨大的销售和服务市场将会创造巨大的财富机会。美国花旗银行估计,售后服务收益可能是销售额的7倍,这也是为什么航空发动机销售有时还会出现“买1送1的促销活动”。发动机售后服务的利润也远大于销售发动机获得的利润,以致于很多专家们惊呼,发动机制造商在销售发动机的同时,还在“出售发动机排放的热气”。

未来20年我国预计交付客机价值量约9293亿美元,对应航发市场约2788亿美元。根据《中国商飞公司2016-2035年民用飞机市场预测年报》,到2035年中国占全球客机机队的比例将从现在的14%增长到18%,机队年均增长率为5.5%,预计未来20年中国将交付6865架客机,价值约9293亿美元。按照发动机价值占比约30%测算,未来20年我国商用航空发动机市场规模合计约2788亿美元,因此未来二十年中国对商用发动机的需求非常之巨大。



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