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1、1高涵道比涡扇发动机发展历程1970年1月，采用JT9D高涵道比涡轮风扇发动机为动力的世界上第1型宽体 客机波音747（B747）投入营运，将航空发动机的发展历程推进到一个崭新的 阶段一高涵道比涡轮风扇发动机时代。从此，不仅所有新研制的干线客机，不论 载客量与航程有多么大的差距，均采用了高涵道比涡轮风扇发动机；而且一些老 的客机例如波音737-200、DC-8也用高涵道比涡轮风扇发动机取代了原来使用 的低涵道比涡轮风扇发动机。连支线客机也逐渐采用高涵道比涡轮风扇发动机， 我国正在研制的ARJ21支线客机就采用了 CF34-10高涵道比涡轮风扇发动机即 是其例。为满足这些客机的需要，世界三大发动
2、机公司：美国普惠与通用电气公司，英国 的罗罗公司以及国际合作公司：CFM国际公司（CFMI）、国际航空发动机公 司（IAE）与发动机联合体（EngineAllianee）到20世纪末，发展了几十型高涵 道比涡扇发动机，按发动机推力级的大小来分，可分为为五个推力级：小推力级（89134kN）、中推力级（170190kN）、大推力级（230260kN）、超大推力级（300320kN）和特大推力级（330454kN）。在这些发动机中，小推力级的有CFM56-3/-5/-7与V2500等，主要用于波音737、A320、A340与MD-90等机型；中推力级有RB211-535E4与PW2037,用于波音
3、757客机;大推力级的有CF6-80C2、RB211-524G/H及风扇直径为2.37m的PW4000，主要用于波音767、波音747、MD-11、A300与A310等客机；超大推力级的有CF6-80E1、遄达700及风扇直径为2.54m的PW4000（PW4168）,主要用于A330客机；特大推力级的有风扇直径为2.845m的PW4000（PW4084）、GE90与遄达800，用于波音777,。在跨世纪的前后，发动机则向低成本、低污染（低噪声与低排放）与更高可靠性的方向发展，以适应为新世纪研制的豪华、舒适与经济的新型客机如四发客机A380及双发客机B787、A350XWB的需要，研制了新一代
4、发动机。在这些发动机中，有用于A380的GP7200 （发动机联合体研制）与遄达900 （罗罗公司研制）发动机，其推力为310340kN；用于A340-500与A340-600的罗罗公司的遄达500发动机，其推力约为250kN；用于波音787的罗罗公司的遄达1000及通用电气公司的GEnx,其推力为250330kN。在这些发动机中，遄达500已于2002年8月随飞机投入使用，遄达900、GP7200将于随飞机投入使用，遄达1000与GEnx将于2008年年中随飞机投入使用。综观从上世纪70年代初投入使用的到将于2008年投入使用的高涵道比涡扇发 动机，按照发动机所采用的循环参数与设计技术，大致
5、可分为下列几个阶段：1初期阶段：20世纪70年代初至80年代中，发动机总压比较低，约为2230, 涵道比约为4.25.0,此时的发动机主要用于B747-200/-300丄1011,DC-10,B757等客机。这类发动机中，基本采用了常规的设计技术、材料与制造工艺。2中期阶段：20世纪80年代初至90年代初，复发动机总压比约为2834,涵 道比约为 5.06.0,主要用于 B747-400,B767, B737-300, A300, A310,A320 等飞机上。此时的发动机在设计技术、材料、工艺以及调节器上均有较大的改进, 例如叶型设计已由二维逐渐向准三维、全三维发展，整体焊接的压气机转子取代
6、 了螺栓连接的结构，定向结晶、单晶涡轮叶片材料以及粉末冶金的涡轮盘广泛被 采用，全功能数字数式燃油调节器FADEC取代了传统的燃油调节器等。3.近期阶段：90年代初至90年代末，发动机总压比约为3440，涵道比约为6.08.0，发动机主要用于 A330, A340,B777, B737-700、-800、-900，A318,A319,A321等飞机上。此阶段中采取了许多提高部件效率的措施，例如风扇、高压压气机与涡轮的叶片中，全部采用全三维设计，且风扇叶片由帯减振突肩的的大展弦比设计改为无突肩的小展弦比(宽弦)设计；为减轻风扇叶片的重量，三大发动机公司分别发展了复合材料、带夾芯与空心的风扇叶片；
7、为了制造带夾芯的风扇叶片，发展了扩散连接/超塑性成型(DB/SPF)的加工方法；压气机中采用整环设计的外环；刷式封严装置用于气封与油封中；采用了性能更好的耐高材料与涂层；新一代FADEC与完善维修性设计等等，不仅使发动机性能有大的提高外，发动机的可靠性与寿命也有较明显的提高。4世纪交替阶段:20世纪末到现在，发动机总压比达到4052,涵道比高达8.0 11.0,发动机主要用于A380, A350XWB,B787,B747-8等飞机上。这时期的发动 机，在叶片设计中采用了新一代的三维气动设计；风扇叶片采用掠形设计；复合 材料已用于制造尺寸较大的风扇机匣；低排放的燃烧室设计与完善的降噪设计使 发动
8、机不仅能满足21世纪严格的环保条例的要求，而且还有较大的裕度；高效 的涡轮叶片冷却技术与智能化的发动机状态监视系统等。由于在高涵道比涡扇发动机发展中，不断提高发动机涵道比、总压比以及部件效 率，使发动机耗油率逐年降低，达到目前具有较低的值。以罗罗公司的发动机 为例，其巡航耗油率(单位为kg/dN/hr)的变化情况为(括号内数字为投入使用 的年代)：RB211-22B (1972)为 0.668，RB211-524G/H (1989)为 0.593,遄达 700 (1995)为 0.573，遄达 800 (1996)为 0.571,遄达 500 (2002)为0.550,遄达900(2007)为
9、0.528，而将于2008年投入使用的遄达1000为0.516,也即从1972年到目前36年内，罗罗公司发动机的耗油率降低了 22.7%，1998年到目前近20年内， 降低了 13%。又如，将于2008年服役的通用电气公司的最新型发动机GEnx,其巡航耗油率 比 GE90 (1995)低 6.9%,比 CF6-80E1 (1994)低 15.4%。2发展特点2.1市场竞争剧烈由于各种推力档次的发动机均有2种或3种发动机可供选择，这样就形成了激烈的竟争局面。为此各公司均竭尽全力来提高发动机性能、可靠性与耐久性，以便在激烈的市场竞争中能获得更多的订货，因此竞争促进了新技术的发展，也促使发动机得到不
10、断的发展和提高。2.2多公司合作研制研制一种新型发动机，即使发动机公司具备各种生产与试验设备，但一般需耗资10亿15亿美元，甚至更多。由于发动机研制费用高，风险大，因此为了集资、更好地打开市场和在技术上集各参与公司之长，多公司联合研制一种发动机已成为一种趋势。如CFM56和V2500系列发动机就是国际合作研制的产品。又如昔日的竞争对手美国通用电 气公司和普惠公司，为争取获得A380飞机所用发动机市场地位，不得不联手组 成GE-P&WEngine Allianee （发动机联合体）合资公司，研制GP7200发动机。 另外，还有一些发动机是以某一公司为主，其他一些公司入伙（投资比例较少） 来研制的
11、，如PW4000是普惠公司为主研制的，德国、意大利、新加坡和日本 等国的公司均有少量投资。又如，GEnx是通用电气公司为主研制的，但有35% 的份额为其它参与公司占有，它们是：日本的石川岛播磨重工业公司（14%）, 美国的Avio公司（12%）和瑞典的VolvoAero公司（6%）和比利时的Techspace Aero 公司（3%）。2.3发动机与飞机的关系在高涵道比涡扇发动机发展初期，发动机与飞机是单一关系，即研制的发动机是专门为某型飞机研制的，而每型飞机仅采用一型发动机，例如JT9D-3发动机是用于B747,CF6-6发动机用于DC-10而RB211-22B发动机是用于L1011。但是到了
12、上世纪80年代中期，则有“一机多发，一发多机”的研制关系。当时，为适应市场竞争的需要，在飞机和发动机研制中均考虑了如何扩大销路的问题，采取的办法是在飞机设计中，考虑到能让航空公司有选用不同发动机的机会，即一机（一种旅客机）多发（发动机）；而发动机研制时，也考虑到能适用于不同型号的飞机，即一发多机，为此，对发动机来讲，要求使用的推力范围广、附件和安装节等的安装位置可以更换等，以适应装在不同的飞机上。例如，由飞机方面来看，波音777飞机能用PW4084、GE90和遄达800三种发到机中任一种。我国国际航空公司采购B777时，考虑到该公司原有的飞机中，大多数使用了普惠公司的发动机，因而选用了普惠公司
13、的PW4084为B777的动力，这样可以在维修工具、维修手段等方面，利用原有的硬件与经验；我国另一家航空公司一南方航空公司却选用了 GE90作为该公司波音777的动力。由发动机方面看，PW4000、CF6-80C2及RB211-525G/H三种发动机均既可用 于波音747-400飞机，也可用了波音767、A300等飞机上。世纪之交研制的飞机，与发动机又有了新的关系，例如，为了竞争A380发动机市场的需要，美国两大发动机公司联手合作发展了 GP7200发动机以与英国罗.罗公司的遄达900竞争，而这两型发动机尚不能用于其它飞机。波音公司在研制波音787时，明确表示将普惠公司排出在外，因此只有罗罗公
14、司的遄达1000与通用电气公司的GEnx作为787的动力，但是波音却提出任何一架B787不论时间及地点，均能换装2型发动机中的任一型发动机的要求，将一机多发的原则扩展到一个新的领域。另外，有的飞机只提出要一家公司的发动机，例如，A340-500、-600飞机只用罗罗公司的遄达500发动机，波音747-8飞机只用通用电气公司的GEnx-2B67发动机等。2.4耐久性、可靠性和维修性达到高水平自1970年大型高涵道比涡扇发动机投入航线使用以来，可靠性、耐久性和维修性大大提高。以耐久性而言，目前，一台发动机在飞机上连续使用12万多小时已不是少数了。同样，可靠性也得到大幅度提高，以RB211系列发动机
15、为例，它的第一个型号 RB211-22B，空中停车率在服役初期约为0.7次/ 1000h，经过1315年才达 到成熟期，降到0.1次/1000h；可它的最后型号RB211-524G/H,在服役初期就 为0.04次/1000h, 2年后即达到成熟期，为0.02次/1000h。CFM56系列是可 靠性最高的发动机之一，其中CFM56-3的空中停车率约为0.004次/ 1000h， CFM56-5A 的为 0.003 次/1000h。2.5进行大量严格的试验为了获得好的性能和高的可靠性与耐久性，在发动机研制中要进行大量试验。除零部件进行的性能、强度和振动试验外，还要对发动机在地面台架上、高空模拟试车台和飞行试车台以及今后所装飞机上进行大量试验。如用于波音777的PW4084发动机是在PW4168 （用于A330）基础上改型的，它的核心部分及系统是经过严格研制试验和使用考验的，但在PW4084研制中，仍进行了大量试验。据统计，PW4084用于研制试验的发动机共有22台，其中10台用于地面试验，12台用于5架波音777进行飞行试验。当发动机投入使用时，已累计试验了 25000h和15 000个循环。随着对发动机的要求愈来愈高，今后的发动机还将进行更加严格和更长时间的试验。2.6追求高的经济性作为民用飞机的动力，民用航空发动机追求高的经济性、减少航空
