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中国CJ1000能否取代进口航发上C919 材料还落后一代

2018-02-13

搭载于伊尔-76发动机试车台上的涡扇-20(左翼内侧发动机),该发动机性能基本相当于CFM在上世纪90年代初为空客A320开发的CFM56-5B系列

国产大型运输机运-20正在稳定量产交付部队,其备受期盼的首款特种机改型也在近期完成重大节点。而很多人关注的,运-20下一阶段计划使用的首款国产大涵道比涡扇发动机——涡扇-20,虽然目前还只有网上的一些模糊图片,但距离在运-20上的实机测试也不远了。

说起来,涡扇-20的大概模样,其实早在2009年就为人所知了。不过当时它是以SF-A(“商发”-A)的名义亮相上海国际工业博览会,而SF-A本身就是在涡扇-20的基础上改动反推力装置等一些细节。实际上,由于当时商发的技术队伍刚刚组建,所以在这次展示中商发展出的SF-A全尺寸模型,其实就是把涡扇-20的模型请来摆着,此举更多是为了展示中国发展民用大飞机发动机的决心。

当时参展的“SF-A”全尺寸模型(右)

直到8年后的2017年12月25日,真正的首台国产民用大飞机发动机验证机CJ-1000AX(X就代表验证)整机在上海完成装配并公开亮相。这标志着历经多年发展,商发终于建立起了我国首个民用大涵道比涡扇发动机整机验证平台,为后续研制工作奠定坚实基础。

承载万千期待的这台国产大发,究竟水平如何?是不是真正的“中国心”?为了解答这些疑问,一位业内老友特意为本公众号撰写此文解答疑惑。虽然文中包含一些较复杂的技术词汇,但这篇在技术分析中带有亲身体验的文字,值此春节假期即将到来之际,仍然值得大家收藏品读。

  装配下线的首台CJ1000AX

作为由中国人自主研制的首款民用涡扇发动机,CJ1000A能达到什么样的技术水平是一个很受关注的话题,笔者将基于公开的信息进行详细分析。

由于商飞已经选定了CFM国际公司的LEAP-1C型发动机作为C919现阶段的动力,并计划引进LEAP系列发动机的组装线在国内生产;因而选取LEAP-1C这款典型的第四代大涵道比涡轮风扇发动机作为参照,对比分析CJ1000A是否达到国际上第四代大涵道比涡扇发动机的水平,是非常有参考性的。

  交付C919的首台LEAP-1C

(注:目前LEAP系列发动机有三种型号,即空客A320neo使用的LEAP-1A,波音737MAX-9使用的LEAP-1B和中国商飞C919使用的LEAP-1C,由于三款发动机在结构上有一定的差别,为方便对比,本文只选取LEAP-1C来分析)

(一)旗鼓相当的总体构型

CJ1000A为双转子大涵道比直驱涡扇发动机,涵道比约为9,推力约113~127kN,由1级风扇、3级增压级、10级高压压气机、燃烧室、2级高压涡轮及7级低压涡轮组成。采用全三维气动设计、贫油预混燃烧、主动间隙控制等先进技术,以及宽弦空心风扇叶片、整体叶盘、新一代单晶、粉末冶金等先进材料工艺。

LEAP-1C发动机同样为双转子大涵道比直驱涡扇发动机,涵道比约为11,推力约为20000~30000磅(89~134kN),同样由1级风扇、3级增压级、10级高压压气机、燃烧室、2级高压涡轮及7级低压涡轮组成。

整机采用了包括超高压比核心机、三维编织树脂模传递成型复合材料风扇叶片、复合材料风扇机匣、第三代三维气动设计压气机和涡轮叶片设计技术、第二代双环预混旋流器(TAPS II)燃烧室技术、可变面积外涵喷管和先进材料等在内的先进技术。

两者在总体构型上都是四代大涵道比涡扇发动机的标准水平,技术应用粗看下来也是你有张良计我有过墙梯,还得接着细看。

  (二)一样多的叶片一样多的级数,到底差在哪里?

CJ1000A的风扇直径约为1.95m,叶片数量为18片,采用小展弦比三维宽弦空心叶片,叶片材料为TC4钛合金,内部采用“瓦伦”空心结构,超塑成形(SPF)/扩散连接(DB)工艺,风扇机匣采用硬壁包容设计,低压压气机为3级。

LEAP系列发动机的风扇叶片直径为78英寸(约为1.98m),叶片数量为18片,低压压气机为3级。这里重点提一下LEAP采用的先进三维编织树脂模型传递成型(Three-dimensional Woven Resin Model Transfer Molding,简称3-D WRTM)的风扇叶片。

这种风扇叶片是三维碳纤维编织物,碳纤维并不是简单层叠在一起,而是采用三维技术编织形成网状结构,使其更加坚固,然后注入树脂并在高压容器内固化,不仅重量轻,耐久性好,抗外物打伤能力强、抗振动性能好,而且容易形成复杂型面的叶片。

总之,CJ1000和LEAP的风扇都采用三维宽弦弯掠叶片,这种叶片的外形采用三元流设计,即叶片中上部后掠,叶尖前掠;越靠近叶尖部分,叶片的弯掠程度越大,大大降低了风扇叶片的流动损失,气动效率高。

从气动性能上看,宽弦叶片可以增大风扇稠度,降低叶片的负荷,从而使工作切线速度得以降低,也就降低了风扇进口的相对马赫数;宽弦叶片的流通能力更强,风扇流量也会增大。

从叶片尺寸来看,虽然CJ1000A的风扇直径较小(1.95m<1.98m),导致涵道比略小,这可能会使得CJ1000A在同等推力下的耗油率更大、或者同等耗油率下推力较低;但这可以通过叶片的设计去部分弥补,并不是决定性的影响因素。

然而CJ1000A的风扇叶片采用传统的钛合金金属材料,类似国际上第三代大涵道比涡扇如Trent800/900的风扇材料水平,没有像LEAP那样采用先进的复合材料。这会导致CJ1000A的风扇叶片重量更大,发动机工作时产生的离心力更大,因此轮盘承受的载荷也更大,所以轮盘需要加强,使得轮盘重量也更大,影响了发动机总体设计。

所以尽管两者的风扇与低压压气机在气动效率上基本处于同一水平,均达到了第四代大发的性能指标。但在材料应用上,CJ1000A距离LEAP有明显差距,仅相当于国际第三代大发的风扇材料水平。

(三)差距只在毫厘的核心机设计

核心机又叫燃气发生器,是航空涡轮发动机最核心的部分,包括高压压气机,燃烧室和高压涡轮三部分。核心机的性能指标决定着发动机的整体性能,因此欧美航发巨头非常重视核心机的研发。

国外普遍采用先集中力量研制一型采用高循环参数、高技术水平的高性能核心机,然后在保持该核心机基本几何参数不变的条件下,通过改变风扇或低压压气机的级数和直径、涡轮的冷却和材料等来改变发动机的主要循环参数,如增压比、涵道比、空气流量、涡轮前燃气温度等,衍生出不同种类发动机。

此外,在成熟的核心机基础上,按照相似理论放大、缩小,可以将核心机尺寸加大或缩小,以改变发动机的推力或功率大小,从而获得不同性能和用途的发动机。这种派生发展系列化的方法风险小,零件通用性好,有利于降低设计、生产成本和维修费用。事实证明,这是一种非常高效且合理的航空发动机研发道路。

CJ1000A的核心机是第一台国内自主正向研发、且性能达到国际第四代民用涡扇发动机标准的高性能核心机,由10级高压压气机、2级高压涡轮和单腔环形燃烧室(Single Annular Combustor,简称SAC)构成,在研发之初不仅瞄准了高性能指标,更考虑到了日益严格的环保标准,这也是民用发动机相较于军用发动机的一大不同。

LEAP发动机的核心机则源于CFM国际公司的两项大飞机发动机技术研究计划:TECH5计划和LEAP计划。这两项计划是CFM国际公司为保持其在世界商用发动机市场上的领先地位而进行预研计划,因此采用了许多行业内领先的创新性技术。LEAP的核心机包括10级特高增压比的高压压气机、2级高压涡轮以及采用贫油燃烧与低污染技术的双环预混旋流(Twin Annular Premixing Swirler,简称TAPS)燃烧室。

由于两者均为2级高压涡轮驱动10级高压压气机,因此有一种说法认为CJ1000A的核心机是LEAP的核心机的国内仿制版本。毕竟当年国内曾经仿制过民航系统的CFM56发动机的核心机来发展自己的第三代涡扇发动机,并由此衍生出FWS-10、FWS-20以及QC185等型号的发动机,给人留下了中国航空发动机只会仿制的印象。

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