大涵道比涡扇发动机发展研究

沈锡钢，齐晓雪，郝 勇

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

大涵道比涡扇发动机发展研究

沈锡钢，齐晓雪，郝 勇

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

大涵道比涡扇发动机用途广泛、市场巨大，对国民经济发展、国防建设和科技进步具有重大推动作用和战略意义。概述了国内外大型军民用运输机的发展现状，归纳了其性能与适航要求更高、经济性与环保性更好的发展趋势，总结了其多继承少创新，共用核心机系列化和军民融合的发展途径。针对中国目前和未来的需求，提出了需要突破的总体设计、稳定性、高压高效叶轮机、高性能燃烧室、先进空气系统等通用技术和适航、大尺寸弯掠风扇叶片、复合材料风扇叶片、低噪声设计、低污染燃烧室、反推力装置等特有技术。

大涵道比涡扇发动机；发展思路；关键技术

0 引言

大型运输机及其动力装置是1个国家国力和军力的象征，是1个民族屹立于世界强国之林的标志之一，在维护国家安全和国民经济建设中起着重要作用。国外从20世纪70年代开始开展大涵道比涡扇发动机的研制，经过几十年的发展，如今已达到技术成熟，研制出系列化产品。虽然目前中国大涵道比涡扇发动机的研制已经取得了一定的成果，但是与国际上同类先进的发动机相比仍存在一定差距。所以在现阶段，应认清形式，梳理发展思路，制定正确的发展策略，为大涵道比涡扇发动机的发展提供支持。

本文针对大涵道比涡扇发动机的研制和发展进行研究。

1 运输机动力装置需求分析及预测

据美国波音公司预测，未来20年（2012～2031年），全世界民航市场将需要民用飞机34000架，市场总价值为4.5万亿美元，其中单通道飞机需求量为23240架，占总需求的68.4%，市场价值为2.06万亿美元，占总价值的45.8%；双通道飞机需求量为7950架，占总需求的23.4%，市场价值为2.08万亿美元，占总价值的46.2%；大型宽体飞机需求量为790架，占总需求的2.3%，市场价值为2800亿美元，占总价值的6.2%；支线飞机的需求量为2020架，占总需求的5.9%，市场价值为800亿美元，占总价值的1.8%。由此可见，未来民机市场需求量和市值最大的是单通道和双通道飞机。

中国民航业发展的预测表明，在未来20年，中国的旅客周转量年均增长7.4%，客机数量年均增长6.9%。到2030年，为满足运量的增长和替换退役飞机，中国客机新机交付量为4600余架，其中单通道喷气客机超过3000架，双通道客机800余架，支线客机600余架。

在大型军用运输机方面，目前中国装备部队的大型军用运输机主要为从俄罗斯购买的伊尔-76大型运输机，配装Д-30ΚΠⅡ发动机，由于装备的飞机数量有限，还不能完全满足运输的需求。

未来军用运输机将向着载质量更大、航程及作战半径更大、巡航高度更高、速度更快以及安全性、可靠性和维护性更高的方向发展，战术运输机、战略运输机及战略战术运输机需求量将逐步增大，对应需要大量不同推力等级的、更为先进、可靠的大涵道比涡扇发动机。

2 大涵道比涡扇发动机发展概况及趋势

2.1 大涵道比涡扇发动机发展概况

目前，在国际市场上，大型飞机发动机的研制主要依赖GE、PW和RR 3大公司，各公司发动机系列化发展，已成垄断格局，推力范围覆盖了100～500 kN。而俄罗斯研制的大涵道比涡扇发动机主要配装本国生产的大型飞机。

国外主要的军、民用大涵道比涡扇发动机参数见表1、2。

为了满足未来大涵道比发动机需求，国外制定了大量的技术发展计划，旨在提高发动机性能和部件效率，降低污染排放、噪声及维护成本。包括美国的VAATE计划、UEET计划，欧洲的ANTLE计划、CLEAN计划等，这些计划所取得的研制成果已逐步贯彻到新研的产品中，使发动机的性能、经济性、安全性、可靠性和环保水平将进一步提高。

2.2 大涵道比涡扇发动机发展特点和趋势

军、民用运输机的基本功能均为运送有效载荷，因此其配装的发动机技术特点和发展趋势基本类似。但由于其使用环境和用途及目的不同，造成其技术发展趋势稍有差异。

（1）采用成熟的大涵道比涡扇发动机。为降低技术风险，提高可靠性，大型运输机动力装置普遍采用成熟的大涵道比涡扇发动机。同时针对军、民用发动机技术通用性强的特点，充分考虑军民共用，避免了由于更换发动机引起的技术风险。如在伊尔-76MF军用运输机，选用了已经在伊尔-96和图214客机上使用验证的ПС-90A发动机。同样在A330客机基础上改进研制的MRTT多用途加油机/军用运输机仍然采用原A330客机的Trent700发动机。

表1 大型军用运输机及特种飞机发动机参数

（2）为了降低技术难度和风险，强调继承性，采用缩放技术，系列化发展。大涵道比涡扇发动机的研制和发展强调“继承”，在充分利用已有经验基础上逐渐创新，同时通过发动机整机或核心机缩放快速获得不同推力级的发动机产品，以实现降低研制费用，缩短周期，降低技术风险的目标。CFM56发动机就是基于F101发动机核心机技术基础而研制的，其系列化发展（如图1所示）始终以保证可靠性、延长使用寿命、满足环保要求为目标，坚持走“大部分继承，少部分更改”的道路。而Trent系列发动机（如图2所示）通过缩放核心机也已经发展至第6代，推力范围覆盖235～422 kN。

表2 民用大涵道比涡扇发动机参数

图1 CFM56发动机系列发展

图2 Trent发动机系列发展

（3）成熟技术与新技术结合，发展新型号。对于新研的大涵道比涡扇发动机，主要在成熟技术的基础上，采用部分已有发动机或研究计划中验证的新技术来提高和改善发动机性能。GP7200发动机的研制是GE和PW公司在原有的PW4090和GE90发动机基础上，研究和突破了3维气动设计、噪声控制、低排放燃烧室、新材料和第3代FADEC等关键技术。同时如GE90、Trent XWB、CFM56系列发动机采用的先进技术，均在E3E、Tech56等发动机或研究计划中得到充分验证。

（4）进一步提高发动机部件效率和总体热力水平。为满足未来军、民用运输机对性能、环保性和可靠性的要求，进一步提高发动机部件效率水平和总体热力循环参数是必然采取的措施。由于军用运输机使用频率比民用运输机的低，且对经济性及成本要求也没有民机要求苛刻，因此军用运输机发动机的涵道比不会增加太多，基本保持在目前水平，但是民用发动机涵道比有进一步增加的趋势。

（5）满足适航要求。随着适航要求的逐步提高，未来大型军、民用大涵道比涡扇发动机的发展趋势仍然是进一步减少污染排放，降低发动机噪声，提高安全性并减少寿命期运行成本。

（6）新型结构大涵道比涡扇发动机。常规结构涡扇发动机技术在国外发展已相当成熟，发展的空间已经有限。在石油价格需求日益增加的情况下，齿轮传动风扇（GTF）发动机和桨扇发动机等新型结构发动机，由于其能有效降低噪声和耗油率，将得到一定的发展。

3 中国大涵道比涡扇发动机发展方向及途径

3.1 中国大涵道比涡扇发动机发展方向

根据军、民用飞机对动力装置的需求以及中国航空工业的发展，未来大涵道比涡扇发动机的研发可考虑以下几个方向。

（1）战略运输机和战略战术运输机动力装置。该型发动机可双发配装于战术运输机，或4发配装于战略战术运输机，具有广泛的应用前景。目前中国在研的战术运输机主要是小型运输机，运载能力相对较小，无法满足空军运力以及发展需求；同时根据目前国际发展的趋势，既具有战略运输机功能又具有战术运输机特点的新型运输机受到了重视，需要配装推力较大的大涵道比涡扇发动机。

（2）更大推力级的军、民用大涵道比涡扇发动机。中国目前还没有自主研制的大载质量长航程重型运输机，从而制约了空军对重型装备的空中运载能力。美、俄等国家拥有的C-5、安-124、安-225等重型运输机已经具备相当的数量，国内的运力无法与之抗衡。同时根据民航飞机的发展，民用发动机具有很大的市场空白和发展前景。

（3）新型结构大涵道比涡扇发动机。目前传统结构大涵道比涡扇发动机的发展已经接近极致，因此提高效率和经济性是发动机未来主要发展方向，即要开展新型结构大涵道比涡扇发动机的发展，如发展齿轮传动涡扇发动机和桨扇发动机等，在国外已经得到了初步验证。

3.2 中国大涵道比涡扇发动机发展途径

根据中国的大涵道比涡扇发动机水平和发展方向，大涵道比涡扇发动机的发展应采取以下途径。

（1）充分利用已有的研制基础，转化应用研制成果，以发展为主线，坚定不移地坚持自主创新，掌握知识产权。通过自主开展技术攻关，突破主要关键技术，解决技术落后的被动局面。

（2）虽然中国已经开展了大涵道比涡扇发动机的研制，并取得了一些成果，但与国际先进水平相比还存在技术基础薄弱，部分关键技术尚未掌握等差距。因此在坚持自主创新的同时，积极开展对外合作，在合作中汲取先进技术，锻炼设计队伍，提升研制能力。

（3）重视军民融合，同时认识各自的特性，在民用发动机适航、经济性、安全性等方面开展深入研究，形成军、民用大涵道比涡扇发动机独立而完善的发展体系。

4 需突破的关键技术

虽然军、民用大涵道比涡扇发动机技术具有较强的通用性，但由于使用方法和侧重不同，仍有一些各自的技术特点。同时大涵道比涡扇发动机与中国研制的军用小涵道比涡扇发动机相比，除在技术原理、理论基础等方面有一定的通用性之外，在涵道比的大小、使用要求和侧重点等方面存在不同，从而带来了关键技术上的差异。军、民用发动机关键技术对比见表3。

表3 军民用发动机关键技术对比

4.1 大涵道比涡扇发动机共用关键技术

（1）总体方案设计技术（含飞发一体化和经济性分析）。

（2）稳定性设计技术研究和验证。

（3）整机动力学设计与减振技术。

（4）叶尖间隙控制技术。

（5）高压比、高效高压压气机设计技术。

（6）高效、高负荷高压涡轮设计技术。

（7）高效、低噪声多级低压涡轮设计技术。

（8）空气系统设计技术及验证。

4.2 民用大涵道比涡扇发动机特有关键技术

（1）发动机/飞机整机噪声预测分析及控制技术。

（2）高性能大尺寸风扇转子叶片3维弯掠设计技术。

（3）宽弦空心/复合材料风扇叶片设计及制造技术。

（4）复合材料风扇机匣及包容环包容技术。

（5）风扇/增压级低噪声设计技术。

（6）风扇机匣及其降噪结构设计及制造技术。

（7）低排放、长寿命燃烧室设计技术。

（8）低排放燃烧室组织燃烧技术。

（9）燃用航空替代燃料燃烧室设计技术。

（10）排气系统噪声预测及降噪关键技术。

（11）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。

（12）预测与健康管理（EPHM）技术。

（13）适航技术。

（14）齿轮传动发动机总体设计技术。

（15）大功率减速齿轮箱设计及制造技术。

5 结束语

大涵道比涡扇发动机是自主研制大型飞机的关键，发动机技术不突破，就无法掌握大型飞机研制的主动权。由于大涵道比涡扇发动机的研制技术难度大、研制周期长、费用高，为了提升国内发动机研制水平，满足军、民用飞机需求，应尽早明确发展方向，理清思路，开展关键技术研究和应用研究，同时开展新型循环发动机论证和探索，以实现中国大涵道比涡扇发动机研制水平的飞跃。

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Investigation of High Bypass Ratio Turbofan Engine Development

SHEN Xi-gang,QI Xiao-xue,HAO Yong
（AVICShenyangEngineDesignandResearchInstitute,Shenyang110015,China）

High bypass ratio turbofan engine has been widely used in global market, and it has remarkable promotion and strategy meaning on economy development,national defense construction,and science and technology improvement.The future development trend was summarized that including the performance is higher,the airworthiness requirement is stricter,the affordability and environmental protection ability are better.The development road was overviewed that is more inherent and less innovation,and is derivates from common core,and could be used in both military and civil.For future advanced high bypass ratio turbofan engine,the common and special technologies to be developed and demonstrated are proposed.The common technologies include general engine design,stability,high pressure and high efficiency turbomachinery,high performance combustor,advanced second air system,etc.The special technologies include airworthiness,large size lean-swept fan blade,composites fan blade,low noise design,low emission combustor,thrust reverser,etc.

high bypass ratio turbofan engine;development ideas;key technology

沈锡钢（1963），男，自然科学研究员，中航工业沈阳发动机设计研究所副所长，主要从事大涵道比涡扇发动机总体设计工作。

2013-08-15