奔騰的中國“心”-淺析C919客機的發(fā)動機(轉(zhuǎn))

cuijiazi

近日，國產(chǎn)C919型客機模型首次公開亮相，并且其機頭部件也已經(jīng)開始試制，這表明C919型客機已經(jīng)完成發(fā)圖，進入工程試制階段，同時有消息指其配套的發(fā)動機及機載設(shè)備已經(jīng)向國際招標，當然人們更關(guān)注的是這型代表著新世紀我國民機希望的客機能否裝配一顆“中國心”，即配備國產(chǎn)大涵道比渦扇發(fā)動機。
根據(jù)中航商用飛機發(fā)動機有限責任公司總經(jīng)理張建的話，中商飛發(fā)動機計劃在2016年完成C919發(fā)動機的研制，并進行適航試飛，從這個時間表來看基本上可以認為C919客機的發(fā)動機將會以國產(chǎn)渦扇-10發(fā)動機為基礎(chǔ)，利用核心機換裝單級大直徑風扇，構(gòu)成我國大型運輸機配備的發(fā)動機，也就是說如果說渦扇-10是山寨F110-GE-129的話，那么C919的發(fā)動機應(yīng)該是山寨CFM56渦扇發(fā)動機。

+ j# U5 X' g) T6 ?8 a8 O% E( oCFM56是目前中短程客機的主力發(fā)動機，也是我國相關(guān)發(fā)動機的參考對象
一位著名的飛機設(shè)計師曾經(jīng)說過“決定一個國家研制什么樣的飛機并不在于飛機設(shè)計師，而在于發(fā)動機設(shè)計師”，也就是說一個國家研制什么樣的飛機的前提是其能夠得到什么機的發(fā)動機，航空發(fā)動機可以說是現(xiàn)代工業(yè)革命的結(jié)晶，由于需要長時間、反復(fù)在高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速條件下工作，其研制難度和對工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的要求遠高于其他平臺的發(fā)動機，往往研制一臺發(fā)動機所需要的時間和資源要遠高于研制一型飛機，當今能夠設(shè)計的飛機的國家不少，能夠發(fā)射火箭、導(dǎo)彈的也不罕見，但能夠研制航空發(fā)動機的國家目前只有少數(shù)幾個國家，而民用航空發(fā)動機的技術(shù)之高更是到了苛刻的頂點——穩(wěn)定性高、幾萬個工作小時的長壽命、油耗低、污染低，其噪聲要求比汽車還嚴格。所以現(xiàn)在大型客機的發(fā)動機基本上被通用電氣、普惠和羅羅公司三家壟斷-日薄西山的大英帝國可以放棄飛機工業(yè)，即矢志不渝的呵護著羅羅公司，并且憑此保持著自己在當今航空工業(yè)中的重要地位，經(jīng)濟技術(shù)實力位居世界前列的法國需要和美國合作才能研制出CFM56發(fā)動機，前蘇聯(lián)如此雄厚的國力和工業(yè)基礎(chǔ)，在民用客機發(fā)動機方面也只能用不過爾爾來表示，遠不上西方國家的發(fā)動機，這也是前蘇聯(lián)客機在經(jīng)濟性和可靠性低于西方客機的一個最重要的原因。而我國目前還只是突破了軍用小涵道比渦扇發(fā)動機，在民用大涵道比發(fā)動機方面還是空白的。
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: E! b6 t, E# O, I# _光潔的表面、迷宮版的管路，集中展現(xiàn)了航空發(fā)動機的復(fù)雜性
正是因為發(fā)動機研制的異常艱難，所以即使發(fā)達國家也早早放棄了為一種飛機研制一型發(fā)動機的做法，而盡量在使用條件相當?shù)娘w機上配備相同的發(fā)動機，如早期的J57軍用噴氣式發(fā)動機就發(fā)展出了JT3C民用客機用噴氣發(fā)動機，而在JT3C的基礎(chǔ)上又展出了JT3D渦扇發(fā)動機，而JT3D也有自己的軍用型TF-33，用于C-141軍用運輸機，但隨著作戰(zhàn)飛機的超音速化，而民用運輸機基本上還在高亞音速度范圍內(nèi)徘徊（協(xié)和和圖-141是個例外）因此這就造成了軍用飛機的作戰(zhàn)包線也就是升限/速度范圍要遠高于民用飛機，因此也就要求其配套的發(fā)動機具備良好的全高度/速度性能，能夠較好的完成超音速和亞音速飛行間的轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)。而民用客機由于航空公司對成本的敏感性，更加重視在使用范圍內(nèi)經(jīng)濟性及可靠性的改善，同時由于為滿足旅客對于客機舒適性及各國日益嚴格的噪音污染標準，其還要具備較強的安靜性，（去年珠航航展世界最大的客機A380來華參展，參觀者就發(fā)現(xiàn)其四臺發(fā)動機同時工作時的噪聲居然比其小的多、兩臺發(fā)動機的轟油-6還要低。）因此當今民用客機的發(fā)動機與作戰(zhàn)飛機的發(fā)動機結(jié)構(gòu)已經(jīng)過完全不同，通用性也越來越困難。在這種情況下就也現(xiàn)了核心機的概念.

壓氣機、燃燒室、高壓渦輪組成發(fā)動機的核心機
4 E* E; d: ~5 o3 j所謂的核心機就是核心機是渦扇發(fā)動機極其重要的組成部分，包括了發(fā)動機系統(tǒng)中溫度最高、壓力最大、轉(zhuǎn)速最高的組件和系統(tǒng)，主要有壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、傳動系統(tǒng)等組成，核心機包含了發(fā)動機壓縮系統(tǒng)的主要部分，在核心機壓氣機中實現(xiàn)了發(fā)動機的大部分總增壓比，核心機的重量占到發(fā)動機重量的40-50%，在發(fā)動機研制過程中發(fā)生的80%左右的技術(shù)問題都與核心機密切相關(guān)，因此發(fā)動機國家目前多采用利用發(fā)動機的核心機來配備不同的低壓系統(tǒng)來發(fā)展軍國、民用渦扇發(fā)動機，這里面最典型的例子就是通用電氣公司的F110軍用發(fā)動機和CFM56民用發(fā)動機系列，該系列最初是通用電氣為B-1A超音速轟炸機研制的F101渦扇發(fā)動機，在此基礎(chǔ)上衍生出了去掉加力燃料室的F118（用于B-2隱身轟炸機）。F101的核心機由于9級壓縮機、燃料室和單級高壓渦輪等部分組成，80年代考慮到F-16配備的F100可靠性出現(xiàn)的問題，為F-16發(fā)動機多提供一種選擇，通用電氣公司在F101的基礎(chǔ)上開展了戰(zhàn)斗機衍生型的研制，主要采用了一個0.76低旁通比、由2級低壓渦輪驅(qū)動的3級風扇、外加一個加力燃料室，這就是F110系列，1986年第一種推力達12700公斤的F110-GE-100投產(chǎn)，并配備在F-16C/D上面，為區(qū)別配備GE和PW發(fā)動機的F-16，美國空軍將前者編號確定為F-16BOCK30/40/50，后者為F-16BLOCK32/42/52，由于F101/F110的成功，通用電氣公司也考慮擴展這個系列發(fā)動機的用途，以取得最大的效益，而此時法國的施奈克瑪公司也希望研制一種中等推力、低油耗/噪聲、可靠性高的民用渦扇發(fā)動機做為下一代窄機身客機的動力，由于技術(shù)能力不足，其希望能夠與實力更為強大的伙伴進行合作開發(fā)，經(jīng)過選擇其決定與通用電氣合作研制，雙方成立了CFM公司，選擇通用電氣除了其有強大的技術(shù)實力外，還有助于新的發(fā)動機打進龐大的美國民用客機發(fā)動機市場。項目編號定為CFM56（其中CF是通用電氣民用渦扇的縮寫，而M56代表施奈克瑪?shù)?6個發(fā)動機項目）。由于CFM56是基于F101的核心機增加一個單級、旁通比為5左右的大直徑風扇研制而成的，由于涉及到F101的核心機技術(shù)，根據(jù)美國國防部的要求，通用電氣對其進行降低技術(shù)標準處理，即其熱端部件技術(shù)不超過當時的民用CF6發(fā)動機的標準-由于可以看見發(fā)動機技術(shù)的困難和重要性。CFM-56發(fā)動機最大推力120千牛級，巡航耗油率約0.6，質(zhì)量1900-2000公斤，推重比4-5，是當今中短程客機的主要動力系統(tǒng)，占據(jù)了當今中短程客機動力系統(tǒng)市場份額的80%，除此之外其還衍生出用于A340大型遠程客機的CFM-56-5C，另外還成功開辟了軍用市場，美國空軍賦予其編號F-108-CF-100，用于美國空軍KC-135空中加油機的升級，更換后的KC-135的編號為KC-135R。根據(jù)新一代民用客機的研制計劃，CFM公司又開始了新一代CFM56發(fā)動機的研制即LEAP56計劃。LEAP56將采用新復(fù)合材料風扇，先進壓氣機，下一代雙環(huán)預(yù)旋燃燒室及下一代高、低壓渦輪，設(shè)計目標是比現(xiàn)有CFM56-5B,和-7B耗油率降（10～15）%，維修成本降 15％，噪音降15 分貝。整機方案將在 2011年飛機需求最終明確后確定。

% i# @1 [, n4 f0 BF-110-GE-129渦扇發(fā)動機

- t/ m; X3 G) n' }CFM-56渦扇發(fā)動機剖面圖，盡管外觀不同，但其與F-110有同樣的核心機
! ^! n. _$ |" a+ o6 [$ |我國航空發(fā)動機專家劉大響曾經(jīng)說過；與飛機設(shè)計水平相比，我國航空發(fā)動機研制水平更加落后于世界先進水平，和我國飛機工業(yè)一樣，以前蘇聯(lián)第一代渦噴發(fā)動機起步，我國航空發(fā)動機經(jīng)歷了從修理到仿制，從單純仿制到測繪仿制，從仿制到自行研制的過程，但由于種種原因，我國航空發(fā)動機水平發(fā)展緩慢，到本世紀初只具備研制、生產(chǎn)、改進60年代水平的航空發(fā)動機的能力，究其原因，主要是當時國家經(jīng)濟技術(shù)實力有限，在航空發(fā)動機領(lǐng)域投放不足，加上航空發(fā)動機本身的復(fù)雜及艱難，所以我國自行研制的幾型發(fā)動機如渦扇-6進度遲緩，出現(xiàn)了還未上天試飛就已經(jīng)落后的局面，雖然后來從西方引進了部分先進技術(shù)，如引進英國的斯貝MK202渦扇發(fā)動機，但由于技術(shù)上的差距，經(jīng)過多年努力才將其消化和吸收，主觀上來講我國長期對航空發(fā)動機的重要性認識不足，往往將發(fā)動機做為型號附屬物，型號上則發(fā)動機上馬，型號下馬發(fā)動機隨之下馬，因此在型號上沒有形成梯次發(fā)展，缺乏必要的技術(shù)積累。這樣的結(jié)果就是至今我國在作戰(zhàn)飛機的發(fā)動機方面還受制于人。

cuijiazi

國產(chǎn)渦扇-10渦扇發(fā)動機剛剛成熟
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3 x) m2 r3 p2 O" a目前國產(chǎn)殲擊機仍舊依靠AL-31F渦扇發(fā)動機

; o4 C8 K  X; |3 \$ ^  o- r- R6 @4 `從上世紀80年代起，我國根據(jù)新型殲擊機殲-10的配套需要開始研制大推力渦扇發(fā)動機渦扇-10，根據(jù)外電報道其借鑒了CFM-56也就是F110的核心機技術(shù)，當年考克斯報告還繪聲繪色的描繪其中的細節(jié)，我國以改進三叉戟的名義從美國引進兩臺CFM-56發(fā)動機，然后以火災(zāi)的名義報損，實際上進行分解、測繪仿制出了渦扇-10，筆者認為這個說法實在牽強，我們知道航空發(fā)動機是一個由上萬個零部件組成的龐大的工程產(chǎn)品，是當今最尖端材料和加工工藝的體現(xiàn)，特別是治金材料，單純少數(shù)幾臺發(fā)動機根本就不可能破解其中的奧妙的，當然我國大量操作著波音737機隊，因此積累和豐富的使用和維護CFM-56發(fā)動機的經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)對其核心機進行借鑒是完全可能的。隨著渦扇-10的研制成功，在其的核心機基礎(chǔ)上研制一型民用客機用的大涵道比渦扇發(fā)動機成為最可能的選擇。換句話說我國搞C919并不偶然的，而受到我國航空發(fā)動機研制水平的制約-在可以預(yù)見的將業(yè)國內(nèi)只能提供這樣水平的發(fā)動機。當然這并不是唯一的原因，國內(nèi)民航目前的主力機型就是波音737，本世紀初我國擁有600多架民航客機中，波音737占了一半以上，到2010年后許多飛機到達使用壽命后，需要更換，根據(jù)預(yù)測，到2020年我國共需要150座客機近千架，這是C919最有可能的市場，也是研制的初衷，這樣其配套的發(fā)動機就需求就在2000臺以上，價值數(shù)百億美元，因此研制大涵道比渦扇發(fā)動機對于我國來說的確有巨大的經(jīng)濟和社會效益。同樣重要的是還可以解決軍用運輸機的發(fā)動機問題，前面說過4臺CFM-56發(fā)動機已經(jīng)可以驅(qū)動A340這樣的大型客機，因此在其基礎(chǔ)上可以研制一型與伊爾-76大小相近的軍用運輸機，從而解決我國空軍缺乏大型運輸機的問題。甚至可以用于現(xiàn)有伊爾-76飛機的發(fā)動機升級。
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中國民航擁有大量的波音737客機，C919的目標就是其后續(xù)機
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' k: m5 f) l! R: G, r& [我國空軍裝備的伊爾-76，采用的是較為落后的D-30KP發(fā)動機
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3 T, d: @* t8 e. N根據(jù)有關(guān)資料，我國沈陽航空發(fā)動機研究所（606年）在已經(jīng)設(shè)計定型的渦扇-10渦扇發(fā)動機的核心機的基礎(chǔ)上，利用航空推進技術(shù)驗證計劃構(gòu)建的大涵道比風扇驗證平臺，對高壓壓氣進行全三維改進設(shè)計，同時進一步改善核心機性能、改進設(shè)計風扇/增壓級、匹配設(shè)計低壓渦輪、采用全權(quán)限發(fā)動機電子控制技術(shù)系統(tǒng)，構(gòu)成我國第一代大涵道比渦扇發(fā)動機方案，其推力為120千牛級，性能與CFM-56相近，優(yōu)于伊爾-76的D-30KP，在相同的條件下，可以讓伊爾-76的航程增加約10%，可以滿足我國中短程客機和大型軍用運輸機的動力需求，與此同時在四代發(fā)動機的核心機基礎(chǔ)上，606所還開展了140千牛級的大涵道比渦扇發(fā)動機的先期技術(shù)攻關(guān)，以滿足C919系列發(fā)展的需要。
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國產(chǎn)大涵道比渦扇發(fā)動機已經(jīng)開始臺架試驗

但是我們應(yīng)該清醒的認識到，我國航空發(fā)動機工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，缺乏經(jīng)驗，在材料、工藝、以至試驗手段等各方面還存在諸多不足，因此大涵道比渦扇發(fā)動機應(yīng)該說只能研制出來而已，能否在經(jīng)濟性、安靜性、可靠性等指標滿足客戶的要求還是個未知數(shù)，這也是為什么近期中商飛要在國際上進行發(fā)動機招標原因。當然我們也相信隨著我國經(jīng)濟實力與工業(yè)技術(shù)水平的提高，加上科研人員努力，國產(chǎn)客機肯定會裝上國產(chǎn)“心”

戰(zhàn)神

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見習(xí)生小王

發(fā)展國產(chǎn)飛機發(fā)動機還是任重而道遠，可能需要一代到幾代人的努力。

andyany

支持LZ，支持國防！
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胡宜廣

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Evolution

無圖啊