《大飞机》：航空发动机的革命

　　对于发动机制造商来说，2015年注定会是一个丰收年。多款新型发动机将完成试车、首飞和交付。同时，随着飞机交付速度的不断加快，各型现役发动机的产量也将再创新高。

　　但对于发动机制造商而言，准时交付产品显然已经不能满足客户日益严苛的要求，无论是波音还是空客，都希望发动机制造商帮助他们解决下一代飞机的减排、节能、降噪等难题。为此，发动机制造商使出了浑身解数，航空发动机领域的革新一触即发。

　　普惠：创新飞机/发动机一体化设计

　　凭借齿轮传动技术，普惠在窄体客机市场重新赢得了一席之地。而今，其创新性地提出了飞机/发动机一体化设计，这个令业界称奇的新型发动机结构布局是否会再次让世界惊叹呢?

　　普惠公司提出这一设想的源头是美国航空航天局(NASA)和麻省理工学院(MIT)正在联合研发的D8双气泡飞机。这款飞机打破了传统的“管状机身+机翼”的结构，发动机被安装在扁平化机身宽大尾部的上方。

　　这样的设计能够使飞机拥有高展弦比机翼，还能使发动机利用流过机体表面的低速附面层，提高推进效率。根据计划，D8双气泡飞机以2035年左右投入使用的“N+3”代飞机为目标，燃油效率较现有窄体客机降低60%。

　　这一设想要成为现实还有不少难题。首先，发动机与机体上表面距离过近,使得风扇必须在吸入附面层时对流动畸变有足够的容忍裕度。此外，用于D8的发动机涵道比至少要达到20，风扇的尺寸将会很大，这势必与D8所必须满足的极低噪声这一目标相矛盾。

　　由此，普惠公司产生了将核心机反向安装的突破性想法。空气仍然通过风扇进入发动机，但与之前直接进入压气机不同，空气通过外侧通道到达核心机的后面，再从相反方向进入。

　　这种布局与普惠加拿大公司的PT6发动机类似，空气从后向前流经发动机，燃气通过动力(低压)涡轮后向前排出，涡轮再通过一套齿轮系统连接到风扇。涡轮、齿轮箱和风扇的连接将通过一个相当短的轴。由于核心机并不与动力部分相连，对于航空公司来说，可以很方便地将核心机卸下进行维修。

　　在这一方案中，由于核心机和推进器不再有机械连接，设计者想出可以让核心机彼此之间呈一定角度安装的绝妙方式，其安装角可以达到50°，核心机的出口也通过一个偏转50°的管道再进入动力涡轮。通过这种方式，两个核心机之间的角度就超过了90°，这在几何结构上很容易实现。这也使发动机能够采用更大的涵道比，如果只是偏转核心机气流的话，其流量不会太大，压力损失也可以降低。

　　普惠公司希望未来能与NASA一起合作来进一步确定构型，同时评估诸如空气管道、使用陶瓷基复合材料等一系列问题。如果这个项目能够顺利推进，将有利于普惠研发下一代齿轮传动涡扇发动机。

　　目前，D8项目的另一个合作方麻省理工学院认为，普惠的这一设想是实现D8方案的重要推动力，对于未来的合作持开放的态度。

　　MTU：致力研发新材料

　　在航空领域，新材料的大量应用已是大势所趋，但相对于主制造商的激进，一段时间内，发动机制造商却显得略为保守。令人欣慰的是，这一现象正在慢慢改变。

　　2014年，MTU航空发动机公司与合作伙伴联合开发了一种用于发动机高压组件的高温金属间化合物材料。这种新型轻质材料是一种钛铝合金，专为涡轮叶片设计，结合了金属和陶瓷材料的优点。

　　目前，这种新材料已经通过硬件飞行验证。2014年9月，以新材料制成的钛铝叶片被安装在一台A320neo的齿轮传动风扇(GTF)发动机上进行了首次试飞，并于当年12月取得认证。使用新材料制作的叶片安装在高速三转子低压涡轮的第三级转子上。

　　除此之外，MTU的专家还在研发一款增强的钛铝合金材料，旨在利用新材料制造涡轮的其他级转子。新材料的环境优势在于钛铝合金可以减少发动机制造中的资源消耗，降低油耗，比现有发动机更清洁、更安静。

　　多年来，MTU的专家一直在思索如何激发钛铝基金属间化合物用于航空发动机市场的巨大潜力。在力学性能方面，这种材料与镍合金几乎相同，但其密度更低、熔点更高，抗蠕变强度比钛合金高许多。这些性能归结于合金的特定组成以及为此专门开发的多种热处理方法。

　　钛铝涡轮叶片比镍合金组件轻一半，但可靠性和耐久性基本相当。此外，较高的铝含量让新材料的抗氧化、抗腐蚀能力明显提升。MTU公司表示，钛铝是高温高压极端条件下用于高速低压涡轮等组件的理想候选材料。

　　钛铝合金能够实现发动机组件减重，这为设计师开辟了新天地。以往，涡轮盘和轴上作用的离心力大，需要用较重的镍合金制造，从而导致重量过大。使用了钛铝叶片后，离心力大大减小，涡轮盘的设计可以进一步优化。

　　在齿轮传动风扇发动机中使用轻质材料的最大障碍是它们的成形和制造极为困难。长期以来，使用常规、经济可承受的方法锻造新材质涡轮叶片是不可能完成的任务。因此，MTU正联合一些大学和研究机构共同进行研发，试图通过热动力计算以确定最佳的锻造温度范围和金相组织。未来，钛铝合金的应用或将越来越广泛。

　　罗罗：放下身段 勇于尝试

　　继2011年出售IAE公司的股份给普惠之后，2013年10月，罗罗宣布将V2500发动机业务全面交接给普惠，同时还放弃了与普惠共同研制新一代中型尺寸发动机计划。这意味着罗罗正式从中等推力发动机市场退出，集中精力专攻宽体客机和超大型飞机发动机研发。

　　为了在这一市场与老对手GE争夺市场份额，罗罗这家百年老店开始尝试转换观念，尝试更加激进的新材料和新构型。

　　在罗罗的下一代发动机发展路线图中，最引人关注的是Advance和UltraFan两个项目。前者基于换装核心机的遄达XWB发动机，并采用更大的高压压气机和更小的中压压气机，发动机涵道比将达到11，总压比达到60，相比现役的遄达700发动机将实现至少20%的燃油效率提升。

　　更为激进的UltraFan项目将采用超大的变桨距风扇结构，涵道比将增加到15，总压比将达到70，相比遄达700发动机将实现至少25%的耗油效率提升。值得注意的是，这一改变意味着发动机不再是真正的三转子设计，而是“两轴半”配置。

　　这对罗罗来说，无疑是一次革命性的尝试。长期以来，三转子技术是罗罗公司的看家法宝，但由于这项技术不可避免地会带来发动机结构异常复杂等问题，使其发展前景受到限制。这也是普惠和GE一直坚持使用双转子发动机的原因。

　　除了结构的改变外，在下一代发动机发展路线图中，罗罗还在低压系统中首次尝试应用复合材料。虽然在风扇部分使用复合材料并不是什么新鲜事，但对于罗罗来说，能跨出这一步实属不易。

　　早在20世纪60年代，在747项目上，罗罗曾经因为在发动机风扇叶片上使用复合材料栽过跟头。此后很长一段时间，罗罗拒绝再次进行尝试，并坚称钛合金材料仍然具备优势。

　　随着风扇直径日益增大，罗罗开始转变观念。目前，除了在风扇部分使用复合材料外，在Ultran项目中，为了减轻发动机重量，罗罗还计划在喷管等静止部件上采用陶瓷基复合材料。

　　目前，罗罗正在对这两个项目分别进行试验验证。未来，罗罗还计划用遄达XWB作为“供体”发动机，在全尺寸发动机上对Advance核心机技术开展更加实质的测试。这两个项目作为欧盟“净洁天空2”计划的重要组成部分，德国和英国政府将在经费上给予支持。

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