索德軍，鄒迎春

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

現(xiàn)代航空運輸?shù)陌l(fā)展與大涵道比渦扇發(fā)動機的發(fā)展和應(yīng)用密不可分。20世紀(jì)70年代的民用航空發(fā)動機市場由PW公司的JT9D發(fā)動機所占據(jù)；隨著CF6、RB211和CFM56發(fā)動機的投入使用，到80年代，逐漸形成美國PW、GE和英國RR公司三足鼎立的格局；90年代以來，GE公司研制的GE90、GP7000和GEnx等寬體客機發(fā)動機的成功應(yīng)用進一步提升了其民用發(fā)動機的市場地位；進入21世紀(jì)，GE公司以其優(yōu)越的產(chǎn)品性能和合理的產(chǎn)品布局在民用航空發(fā)動機市場表現(xiàn)得更加突出，頗有獨占鰲頭之勢。

本文總結(jié)了GE公司民用航空發(fā)動機的發(fā)展歷程和經(jīng)驗，以期為中國航空發(fā)動機的研制和發(fā)展提供借鑒。

1 注重技術(shù)預(yù)先研究，產(chǎn)品性能不斷提高

大涵道比民用渦扇發(fā)動機追求更低的油耗、噪聲、污染和成本等目標(biāo)。為了保持技術(shù)領(lǐng)先，GE公司從20世紀(jì)70年代開始參與和實施民用發(fā)動機相關(guān)的預(yù)先研究計劃，開展新技術(shù)的開發(fā)與驗證，提高技術(shù)成熟度，隨著新技術(shù)的成功應(yīng)用，形成了降低風(fēng)險、避免后續(xù)顛覆性設(shè)計更改，以及節(jié)約成本的良性循環(huán)。

1.1 不斷開發(fā)和驗證創(chuàng)新技術(shù)

圖1 GE公司為降低耗油率進行的技術(shù)研發(fā)[1]

20世紀(jì)70年代開始，GE公司參與了QCSEE、E3、UEET、IHPTET和 VAATE 等政府級預(yù)研計劃，并組織開展了如TECH56和LEAP等民用渦扇發(fā)動機專項研究計劃（見表1），將計劃中開發(fā)和驗證的先進氣動、結(jié)構(gòu)、材料以及燃燒技術(shù)等不斷應(yīng)用于大涵道比民用渦扇發(fā)動機研制中，持續(xù)降低發(fā)動機耗油率，如圖1所示；通過對燃燒系統(tǒng)的研究，采用新材料、新方案不斷提高燃燒效率，形成其特有的TAPS燃燒室技術(shù)，污染物排放量遠(yuǎn)低于國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization,ICAO）規(guī)定的水平，如圖2所示；采用故障監(jiān)測、任務(wù)優(yōu)化、服役優(yōu)化等措施，提高發(fā)動機的可靠性，延長發(fā)動機在役時間，提升航空公司運營效率。這些先進技術(shù)的應(yīng)用，保證了發(fā)動機的總體性能和經(jīng)濟可承受性不斷提高，形成一系列先進產(chǎn)品，如圖3所示，使得GE公司不斷提高民用發(fā)動機市場占有率[1-2]。

圖2 GE公司為降低NOx排放所進行的燃燒室技術(shù)研發(fā)[1]

圖3 GE公司利用預(yù)研計劃技術(shù)成果開發(fā)的民用發(fā)動機產(chǎn)品[1]

表1 GE公司開展的與民用發(fā)動機相關(guān)的預(yù)研計劃

1.2 不斷開發(fā)和驗證核心機

GE公司關(guān)注核心機的技術(shù)開發(fā)和驗證，使其性能穩(wěn)步提升，提高技術(shù)成熟度，增加技術(shù)儲備，降低風(fēng)險，縮短研制周期，為型號成功研制提供堅實的核心保障。20世紀(jì)90年代以來GE公司所進行的與大涵道比民用渦扇發(fā)動機相關(guān)的核心機試驗和所開發(fā)的新型發(fā)動機如圖4所示。實際上，據(jù)不完全統(tǒng)計，自1963年美國提出ATEGG計劃驗證航空發(fā)動機核心機技術(shù)以來，GE公司從GE1開始發(fā)展了GE37以及XTE76、XTE77等40多種核心機（發(fā)動機）驗證機[7]，而真正應(yīng)用的民用發(fā)動機只有CF6（TF39發(fā)動機的核心機GE1/6）、CFM56（F101發(fā)動機的核心機 GE9）、CF34（TF34發(fā)動機的核心機 GE1）、GE90/GP7000/GEnx（E3計劃的核心機）和 LEAP（eCore核心機）等。

圖4 GE公司核心機試驗和產(chǎn)品發(fā)展[1]

2 重視核心機系列發(fā)展，產(chǎn)品不斷改型升級

利用成熟的核心機衍生發(fā)展適應(yīng)需要的系列產(chǎn)品，是當(dāng)前航空發(fā)動機降低研制風(fēng)險和成本、縮短研制周期所采取的基本方法。GE公司在成熟核心機基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計，既提升了核心機的性能又能兼顧可靠性，優(yōu)化后的核心機可發(fā)展為新一代產(chǎn)品，能更好地滿足飛機需求。GE公司采用核心機系列發(fā)展策略，逐漸形成了龐大的民用發(fā)動機家族體系，如圖5所示。

圖5 GE公司民用發(fā)動機的系列發(fā)展[1]

2.1 由軍用核心機衍生發(fā)展

民用大涵道比渦扇發(fā)動機在20世紀(jì)70年代才正式應(yīng)用，因此，包括GE、PW和RR公司在內(nèi)的航空發(fā)動機公司當(dāng)時都是基于軍用發(fā)動機核心機開展民用發(fā)動機研制的，只有這樣才能滿足迅速發(fā)展的民航運輸?shù)耐⑿枨蟆E公司的CF6、CFM56和CF34系列民用發(fā)動機都是在軍用發(fā)動機基礎(chǔ)上衍生發(fā)展而來的。

2.1.1 基于TF39核心機的CF6系列發(fā)動機

GE公司采用TF39軍用發(fā)動機核心機和關(guān)鍵技術(shù)進行民用適應(yīng)性設(shè)計，形成CF6-6、-80、-80C2、-80E等系列發(fā)動機，如圖6所示。截至2015年已交付的CF6-80C2/E1系列發(fā)動機達(dá)到5153臺，預(yù)計到2025年還將生產(chǎn)489臺[8]。

圖6 GE公司寬體客機發(fā)動機采用核心機技術(shù)系列發(fā)展

2.1.2 基于F101核心機的CFM56系列發(fā)動機

GE公司基于F101發(fā)動機核心機技術(shù)，而且在其他部件方面應(yīng)用CF6發(fā)動機的實際經(jīng)驗，使得CFM56發(fā)動機具有費用低、周期短、繼承性強、技術(shù)風(fēng)險低、可靠性高、通用性和經(jīng)濟性好等特點，是世界民航史上最成功的發(fā)動機之一。CFM56發(fā)動機系列發(fā)展如圖7所示。截至2015年已交付26984臺，預(yù)計到2025年還將生產(chǎn)4614臺[9-10]。

圖7 GE公司窄體客機發(fā)動機采用核心機技術(shù)系列發(fā)展

2.1.3 基于TF34核心機的CF34系列發(fā)動機

CF34發(fā)動機是利用了TF34的核心機技術(shù)改型研制的，主要用于支線客機和噴氣式商務(wù)/公務(wù)機。發(fā)展 了 CF34-3B、CF34-8、CF34-10A、CF34-10E 等系列發(fā)動機，CF34發(fā)動機系列發(fā)展如圖8所示。截至2015年已交付9653臺，預(yù)計到2025年還將生產(chǎn)1829臺[11]。

圖8 GE公司支線客機和商務(wù)/公務(wù)機發(fā)動機采用核心機技術(shù)系列發(fā)展

2.2 由民用核心機衍生發(fā)展

20世紀(jì)70年代開始，一系列針對大涵道比民用渦扇發(fā)動機的計劃應(yīng)需而立，不僅發(fā)展了節(jié)油、降噪、減排等特有的民用技術(shù)，而且開始民用核心機的開發(fā)和驗證。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)了“真正”的大涵道比民用渦扇發(fā)動機。

20世紀(jì)90年代，GE公司采用高效節(jié)能發(fā)動機（E3）計劃核心機開始研制GE90大涵道比發(fā)動機，在GE90發(fā)動機的基礎(chǔ)上，形成GE90-76B、-94B、-115B和GP7000、GEnx等一系列性能卓越、高效可靠的寬體客機發(fā)動機產(chǎn)品，截至2015年底，GE90、GEnx系列發(fā)動機產(chǎn)量分別為2211、1039臺，預(yù)計到2025年，2款發(fā)動機分別還將生產(chǎn)1913、2008臺[12-13]。GE90發(fā)動機改型升級所作的改進如圖9所示。

圖9 GE90發(fā)動機改型升級所作的改進

LEAP發(fā)動機雖然是CFM國際公司研制的CFM56系列發(fā)動機換代產(chǎn)品，但實際上該發(fā)動機采用的是LEAP56計劃中驗證的eCore核心機，并且應(yīng)用了CFM56和GE90系列發(fā)動機的成熟經(jīng)驗和先進技術(shù)，包括超高壓比核心機、3D編織樹脂模傳遞成型（RTM）復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和機匣、更輕的風(fēng)扇包容機匣、可變面積外涵噴管、第3代3D氣動設(shè)計壓氣機和渦輪葉片設(shè)計、第2代雙環(huán)預(yù)混旋流器（TAPS II）燃燒室技術(shù)、先進的冷卻技術(shù)、新的耐高溫材料、先進的控制診斷技術(shù)以及全新的性能保持技術(shù)等[14]。

3 適應(yīng)市場需要，產(chǎn)品布局不斷優(yōu)化

為滿足各類民用飛機的動力需求，GE公司開發(fā)了干線、支線飛機以及公務(wù)機等配裝的不同推力等級的發(fā)動機（圖5）。

GE公司研制的寬體干線客機發(fā)動機（如CF6、GE90、GP7000和GEnx等）的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，而且在未來很長一段時間內(nèi)將繼續(xù)保持市場占有率領(lǐng)先優(yōu)勢。GE公司正在研制的GE9X發(fā)動機是波音777X客機發(fā)動機的惟一選型，已于2017年5月進行型號認(rèn)證試驗，預(yù)計2019年完成取證試驗，2020年投入運營。

在GE公司研制的窄體干線客機發(fā)動機中，CFM56系列發(fā)動機處于絕對領(lǐng)先的地位，其市場份額達(dá)到近70%。截至2016年，CFM56發(fā)動機訂單產(chǎn)量近30000臺；新研發(fā)LEAP系列發(fā)動機同樣獲得巨大成功，自2016年投入使用以來表現(xiàn)優(yōu)異，訂單量不斷增加。在2017年6月的第52屆巴黎航展上，LEAP發(fā)動機成為參展的焦點，航展結(jié)束后發(fā)動機訂單總量超過14000臺。

在GE公司研制的支線客機和商務(wù)/公務(wù)機發(fā)動機中，CF34系列發(fā)動機處于絕對優(yōu)勢地位，市場上70～120座的大型支線客機（包括中國ARJ21支線客機）幾乎全部配裝CF34發(fā)動機。2010年，GE公司利用Tech56計劃的先進技術(shù)，結(jié)合CF34發(fā)動機經(jīng)驗和成熟技術(shù)研發(fā)了Passport發(fā)動機，于2014年完成飛行臺試驗，2016年4月取得FAA適航許可證，2017年投入批量生產(chǎn)。另外，GE公司還與日本本田公司于2004年成立GE/Honda航空發(fā)動機公司，在原本田公司的HF118發(fā)動機基礎(chǔ)上利用GEnx發(fā)動機先進技術(shù)研發(fā)HF120發(fā)動機，以彌補其10 kN推力級的小型發(fā)動機的不足。

4 堅持合作共贏，降低成本和風(fēng)險

20世紀(jì)70年代以來，GE公司的民用航空發(fā)動機基本上采用聯(lián)合研制、合作共贏的方式，按照投資比例和主導(dǎo)地位，將GE公司的合作分為3種方式:AA制合作（2家公司各占50%比例），產(chǎn)品為CFM56、CFE38和 HF120發(fā)動機等（見表 2）；AA+X制合作（2家公司占較大比例，處于主導(dǎo)地位，加其他公司），產(chǎn)品為GP7000發(fā)動機；A+X制合作（以GE公司為主，加其他公司），產(chǎn)品為GE90、GEnx和GE9X發(fā)動機等（見表3）。

采用聯(lián)合研制方式具有以下優(yōu)點:（1）各合作公司具有不同的技術(shù)基礎(chǔ)，根據(jù)能力和意愿共同投資，保證充足的資金運營；（2）各合作公司責(zé)任分擔(dān)，形成技術(shù)互補，共享市場收益，能夠規(guī)避技術(shù)競爭與市場競爭風(fēng)險；（3）各合作公司收入共享而不是利潤共享，每家公司的利潤取決于各自的管理和運營；（4）各合作公司分擔(dān)從方案論證、設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、直到銷售等的所有工作，確保高的技術(shù)水平、工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

表2 AA制合作情況

表3 AA+X和A+X合作情況

5 結(jié)束語

從20世紀(jì)80年代開始，GE公司不斷刷新民用發(fā)動機市場占有率，通過重視并實施技術(shù)預(yù)研、核心機研究和發(fā)展、研究市場需求和導(dǎo)向、合作研發(fā)等研制策略，實現(xiàn)了技術(shù)積累和突破。GE公司民用航空發(fā)動機已經(jīng)形成了成熟的技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展路線，其產(chǎn)品發(fā)展和研發(fā)策略具有以下特點:

（1）通過開展預(yù)先研究計劃對新技術(shù)進行驗證，提高技術(shù)成熟度，之后進行產(chǎn)品應(yīng)用。

（2）成功研制1款核心機，并在其基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計和流量縮放，用以發(fā)展不同推力級別的發(fā)動機，使產(chǎn)品的發(fā)展更加多元化，并能保證后續(xù)產(chǎn)品性能的先進性。

（3）有針對性地研究市場需求，合理配置資源發(fā)展不同類型產(chǎn)品，滿足多種民用飛機的市場需求，使產(chǎn)品利潤最大化，同時避免因單一機型運營不善而虧損的風(fēng)險。

（4）采用軍民結(jié)合的方式，通過轉(zhuǎn)化和繼承成熟軍用航空發(fā)動機的技術(shù)，提高可靠性，相比全新研制，降低了研發(fā)成本和風(fēng)險。

（5）通過聯(lián)合研制的模式降低前期的研發(fā)成本和市場運營風(fēng)險，在合作中實現(xiàn)共利共贏。