HF120涡扇发动机研制及成功经验

黄春峰，刘 麟，郭 昕，李晓明

(中国燃气涡轮研究院，四川江油621703)

1 引言

面对普·惠加拿大公司、威廉姆斯国际公司和霍尼韦尔等发动机公司强大的竞争压力，且鉴于小型喷气发动机市场的巨大潜力，2004年7月，美国GE公司和日本本田公司各出资50%成立了GE本田航空发动机公司(下面简称GE-Honda)。GE-Honda公司的目标是研制超越国际民用航空组织(ICAO)制定的严格的噪声和排放标准的新型航空发动机，重点研究降低燃油消耗技术和先进制造技术，主要为轻型公务机(4～8座)提供445～1 557 daN推力的涡扇发动机。

额定推力为912 daN的HF120发动机是GE-Honda生产的第一型发动机(图1)[1]。其性能优异、技术成熟度高，已被选择用于本田飞机公司的Honda Jet轻型飞机及Spectrum航空技术公司的Freedom公务机。

HF120发动机有1级宽弦后掠风扇、2级低压压气机、钛合金叶轮对转高压压气机、带单级燃油空气雾化喷嘴的回流燃烧室和先进的高低压涡轮。初始样机在2007年初进行了首次试车，预计2012年完成取证试验。Honda Jet和Freedom飞机都计划在2013年投入使用。

2 HF120发动机的研制历程

2.1 本田公司小型涡扇发动机研究

早在1986年，本田公司就开始了小型涡扇发动机的研究。1991年，本田公司启动了HFX-01涡扇发动机的研究和设计工作，1993年该发动机进行了首次地面试验，1995年至1996年间进行了约70 h的高空模拟试验。HFX-01发动机起飞推力为820 daN，耗油率仅为0.45 kg/(daN·h)。随后，为进一步降低HFX-01发动机的耗油率、噪声，提高维修性，本田公司在HFX-01发动机的基础上开始了HFX-20发动机的研制。最终，本田公司将HFX-20发动机的起飞推力提高到1 000 daN，耗油率降低到0.44 kg/(daN·h)。HFX-20发动机的研制取得了很大成功[2]。

1999年，本田公司在HFX-20发动机的基础上开始研制HF118发动机。发动机的设计目标是：经济性好、结构紧凑、重量轻、燃油效率高和排放低。在HF118发动机的研制过程中，本田公司利用其专有的计算流体力学软件，进一步优化结构、气动性能，还采用了第一个超小型全权限数字电子控制系统。该发动机从2001年开始地面试验，到2004年已累计完成l 400 h试验，其中包括l50 h耐久性试验和吞鸟试验，以及超过200 h的飞行试验台试验。与此同时，2003年12月，两台HF118发动机在Honda Jet上开始了飞行试验。

2.2 HF120发动机研究

2004年7月GE-Honda成立后，全面接管了HF118发动机的研制和销售。在HF118发动机竞争先进轻型飞机项目失败后，GE-Honda重新调整了公司的研制战略，改为面向更大推力级别的市场，在寻求燃油效率高、耐久性好、排放低及噪声低新标准的同时提高推力，重新设计了HF118发动机，推出了推力在445～1 557 daN之间的HF120系列发动机。最初设计定型的HF120发动机的额定推力为712 daN。

2005年5月，GE-Honda已完成所有部件及核心机试验，并对HF120发动机在改进后的性能做了进一步验证。结果表明，发动机的燃油消耗降低了约4%，重量减轻了约8%。

HF120发动机的改进主要包括：①对高压压气机进行重新设计，以增大流量和提高效率；②高压涡轮采用了GE公司的先进单晶材料，并且涡轮叶片采用了三维气动设计技术；③风扇借鉴了在GE90-115B和GEnx发动机上已得到验证的后掠大流量、宽弦、弯掠风扇叶片设计。

2006年，GE-Honda公司选中古德里奇公司为HF120发动机提供综合发动机控制系统。

2007年4月，在本田公司的研究和发展中心对重新设计的HF120核心机进行了试验，试验验证了压气机和涡轮叶片的气动/机械特性；5月进行的第二台核心机试验，重点考察了发动机整体部件性能及发动机的热特性；而7月进行的全尺寸发动机试验，验证了发动机的性能和系统能力。最终，HF120发动机在2007年冻结设计，2008年提供了用于取证试验的首台HF120发动机[3～5]。

2008年的测试结果表明，HF120发动机的推力超过了953 daN，效率和耐久性也超过了既定目标。

2009年下半年HF120发动机开始取证试验，其测试工作一直持续到2010年。

2010年3月，HF120发动机已完成FAA(美国联邦航空管理局)取证试验前的大量试验工作。这些试验包括在高空模拟试验舱所进行的模拟飞行高度14 000 m的高空模拟试验、风车及空中起动试验，在试验台上开展的叶片脱落、侧风条件下的喘振与失速和耐久性试验，以及在Honda Jet上进行的飞行试验[6]。

截止2010年11月，GE-Honda已制造了8台试验用核心机和11台完整的验证机。进入FAA取证阶段，GE-Honda计划使用13台HF120发动机整机和2台核心机，并在位于美国、日本和加拿大的6个地方同时进行。预计，HF120发动机将在2013年正式交付客户使用。HF120发动机的研制历程如表1所示。

表1 HF120发动机研制历程Table 1 The schedule of the HF120 engine development

3 HF120发动机的卓越品质特性

HF120是GE-Honda针对未来轻型公务飞机市场研制的一款小型涡扇发动机，融合了GE公司和本田公司在航空动力方面的尖端科技及卓越品质，集成了本田的精益制造传统和发展理念与GE的创新设计和严格测试标准，具有更加优异的性能品质、环境品质和更高的技术成熟度(表2)[7]。

(1)性能品质

HF120发动机与HF118发动机相比，提高了发动机的燃油经济性和安全性，降低了噪声和排放。HF120发动机采用了宽弦风扇叶片、先进的高温材料和双通道全权限数字电子控制系统，额定推力912 daN，质量不到180 kg；HF120可靠性高，定期维修间隔时间非常长，通过在叶片根部采用先进材料及涂层技术，使得发动机的首次大修时间超过5 000 h，与其它同类型发动机相比，在翼时间将延长约40%。如此高的耐久性非常适合用于Air Taxi等高工作效率的飞机上，轻型而高效的设计可以给乘客提供舒适的长途飞行体验。

(2)环境品质

通过减重和创新的三维气动设计，HF120发动机具备优异的效率和操作性能。采用更为成熟的燃烧室和燃油喷嘴设计后，发动机的燃油效率提高了30%～35%，NOx、CO、HC以及烟排放得到了进一步降低；噪声排放完全满足噪声适航审定第4阶段标准规定，并在此基础上还有改进空间。

表2 HF120发动机的性能参数Table 2 Performance parameters of the HF120 engine

(3)技术成熟度

HF120发动机的设计和材料均已得到大量验证。2007年4月完成了核心机首次试验后，HF120涡扇发动机正式进入全面试验验证阶段。在开始服役前，HF120发动机试验(包括地面试验和飞行试验)预计将超过15 000个工作循环(10 000 h)。

(4)设计特点

HF120发动机结构如图2所示，主要部件有1级风扇、2级低压压气机、1级高压压气机、燃烧室、1级高压涡轮和2级对转低压涡轮等，其部件设计与性能特点见表3。设计中，成本、性能和进度三者放在同等重要的位置。

(5)应用

尺寸小、价格略为便宜的公务机(4～8座)的出现，以及更灵活的商业和个人旅游需求的不断增长，为可靠性高和耐久性好的喷气发动机带来了大量的发展机会。据本田航空公司预测，未来市场每年将需要200架或更多数量的公务机，未来10年，推力在445～1 557 daN之间的喷气发动机有30亿美元的潜在市场。

表3 HF120发动机部件设计与性能特点Table 3 Components design of the HF120 engine with their performance features

HF120发动机是针对轻型/超轻型公务机和私人喷气式飞机研制的小型涡扇发动机，其研制和取证费用较低，具有广阔的应用前景和强大的市场竞争力。

目前，Honda Jet公务机的订单已超过200架。另外，公司还在与其它几个飞机制造商洽谈，以寻求更多的客户。

4 HF120发动机成功经验启示

GE-Honda研制的HF120涡扇发动机即将完成FAA取证试验，显现出良好的市场发展前景。其成功的经验启示主要有：

(1)发动机公司合作具有明确的发展目标。GE-Honda的目标就是要生产出性能好、可靠性高、成本低、有竞争力的小型涡扇发动机。

(2)公司产品定位准确。HF120发动机定位于为尺寸小、价格略便宜的公务机(4～8座)提供动力。

(3)拥有大量的技术储备。GE公司雄厚的发动机研制实力及本田公司在小型涡扇发动机方面多年研究的成果，是HF120发动机成功的保证。

随着中国经济的高速发展和国家低空空域向民间开放，未来10年，中国私人飞机市场每年将以20%～25%的规模增长，为小型涡扇发动机提供了良好的发展空间。

相对于大型客机发动机，轻型喷气机用小型涡扇发动机的进入门槛低。因此，我国发展民用航空发动机的策略，可以选择研制小型涡扇发动机作为突破口。在借鉴大型发动机研究成果的基础上，对小型涡扇发动机的设计、制造及试验技术进行研究，充分认识加强基础研究、技术储备工作的重要性和必要性，并广泛开展与世界航空发动机先进国家的技术合作，融入世界高端制造产业链，朝着风险收益共享合作伙伴模式发展。在制定技术发展目标时应充分考虑到我国的经济及技术发展水平，注重基础研究和设计体系建设，走核心机和验证机的发展道路，提高设计水平和自主创新能力。只有这样才能研制出具有国际竞争力的民用飞机发动机。

[1]HP120 Engine Was Formally into the Calibration Testing Phase[EB/OL].(2009-07-27).http://www.cannews.com.cn/2009/0818/8388.html.

[2]The American GE Company and the Japanese Honda Com⁃pany Cooperated to Develop New Jet Engines[EB/OL].(2004-10-13).http://www.honda.com.cn/corporate/compa⁃nynews/news/2004/97.html.

[3]赵 磊.国外航空发动机巨头近况及研制计划[R].北京：中国航空工业发展研究中心，2007.

[4]HF120 Turbofan[EB/OL].http://world.honda.com/index.ht⁃ml.

[5]The First Full-Scale H120 Light Jet Engine of the GE-Honda Company Has Been Tested[EB/OL].(2007-09-10)http://www.honda.com.cn/corporate/compa⁃nynews/news/2007/289.html.

[6]GE-Honda Aero-Engine Company Continues to Test HF120[EB/OL].(2007-05-28)http://www.dsti.net/Infor⁃mation/News/40876.

[7]The Honda Jet Concept Demonstrator Is Planned to Fly for the First Time in Nov[EB/OL].(2010-08-07).http://www.honda.com.cn/corporate/companynews/news/2010/1938.ht⁃ml.