展示柜货号:未知 三足鼎立竞争下一代窄体飞机发动机
2023 年以来，世界主要航空发动机研制企业在下一代窄体飞机发动机领域均取得了实质性突破。5 月，英国罗罗公司完成了超扇发动机验证机的首次地面测试；7 月，CFM 国际公司宣布已完成 100 多个开式转子发动机部件与系统级测试；7 月，MTU 公司公布了水增强涡扇（WET）发动机的更多细节和其与普惠公司齿轮传动涡扇（GTF）发动机的集成测试时间点。
2021年6月，CFM国际公司宣布启动可持续发动机革命创新（RISE）计划，瞄准下一代单通道客机研发开式转子发动机核心技术，其中包括：采用单级旋转叶片和用于导流的可变倾斜角定子叶片，增加风扇总压比的同时降低了负载，从而增加飞行马赫数，减轻发动机重量，提高可靠性；开发多种燃烧室，确保未来可以使用SAF 或液氢作为主燃料；配备电动机实现混合动力飞行，为持续升级优化的节能减排打下基础；开发新材料，进一步提高发动机耐热温度并减轻发动机重量，使用增材制造技术生产燃油喷嘴等组件，进一步减轻结构质量，提高使用寿命；将发动机风扇直径缩小至3.0～3.3米，与现阶段主流发动机的机舱直径接近，便于与飞机集成；使用微调技术并开发相应工程工具，将噪声控制在适航标准范围内。
一是对开式转子发动机的噪声与集成特性进行建模仿真。使用法国航空航天研究院（ONERA）提供的计算流体力学软件，利用 Frontier超级计算机强大的计算与图形处理能力对开式转子发动机进行全尺寸网格划分与精细建模（气动弹性与气动声学等建模），开展非稳态流场仿真计算以探究风扇、定子叶片安装位置在不同配置条件下的噪声和性能水平。该工作与空客共同开展，并随后在德国汉堡进行了地面测试，结果显示其噪声水平低于现役LEAP系列发动机。
二是GE公司和橡树岭国家实验室合作开发了计算流体力学仿真软件。该软件可模拟全尺寸开式转子发动机的空气动力学特性，识别出流体相互作用、影响的区域，进而在全尺寸硬件测试之前作出适当的设计修改。
三是开展高低压涡轮、叶片、喷嘴的设计工作。目前，RISE计划的第一个全尺寸低压涡轮已经集成到F110发动机上，同时在GE公司埃文代尔工厂与赛峰集团维拉罗什试验中心开展静态与振动测试，以检验叶片的空气动力学性能和先进冷却系统。此外，项目团队还正在进行大功率齿轮系统、紧凑高效核心机、废气余热空气能量回收系统、增材制造热交换器等开发工作。
新一代开式转子发动机的目标是较现役 LEAP系列发动机提高20%燃油效率并降低20%二氧化碳排放量，并计划于2035年前后投入商用。
2022年7月，普惠公司披露了下一代GTF发动机发展路线图，以推进效率和热效率的提高为基础，主要包括：增大风扇直径，将涵道比提高至15；采用效率更高的全动行星齿轮结构以增大齿轮传动比，最低达到4:1；研究轻质结构技术，包括复合材料风扇叶片及风扇机匣，目前普惠公司GTF发动机采用的是铝钛材料风扇，下一代设计将基于三维编织复合材料；小型高效核心机研究，包括提高压气机的空气动力学效率及密封性、提高涡轮的冷却能力以及开展燃烧室升级改进。
目前，普惠公司在美国联邦航空局“持续降低能耗、排放和噪声”（CLEEN）项目、NASA“混合热高效核心机”（HyTEC）项目下开展或完成了改进风扇压比、提高压气机气动效率与密封性、低污染燃烧室设计、增强涡轮冷却能力等多项技术开发，还在下一代陶瓷基复合材料、环境屏障涂层等新材料方面进展迅速。
除此之外，普惠公司还与MTU、空客、柯林斯宇航、GKN宇航公司合作，在欧盟“净洁天空”（Clean Aviation）计划下，由MTU公司牵头开展Switch项目，开发水增强涡扇（WET）发动机。与其他发动机相比，WET是一种混合动力系统，增加了冷凝器和热交换器，前者收集发动机废气中的水，后者将水蒸发成蒸汽后注入燃烧室，降低燃烧室温度，减少氮氧化物生成并增加涡轮排气量，最终提高发动机燃油效率。
与空客合作，设计并测试不同体积、尺寸、重量的冷凝器和热交换器，以探究其与传统发动机的差异和对飞机集成的影响，测试工况包括起飞、爬升、巡航和一些特殊飞行状态。
与普惠公司合作，将新技术集成到 PW1100G发动机上并开展混合动力系统改装与集成工作。
与柯林斯宇航公司和GKN宇航公司合作，开发混合动力系统。其中，前者为发动机高、低压轴上分别提供0.5兆瓦和1兆瓦电动机，用于飞机滑行和起飞等工况；后者研究电动机的集成并开发新型高压布线系统。
WET发动机技术将在随后开展第一阶段测试，测试内容为部组件和子系统，时间持续到 2025年，将使技术成熟达到4。在2025～2030年开展第二阶段测试，验证新技术的全系统集成以提高成熟度，最终在2035年前后应用在下一代 GTF发动机的改进型别上。而下一代GTF发动机也计划于2025年开展技术验证测试，并在2030年前后开发出初代商用型号，计划比现有发动机的燃油效率至少提高10%。
超扇（Ultrafan）发动机是英国罗罗公司以 Advance核心机为基础开发和验证的具有颠覆性技术特征的发动机，该发动机涵道比预期将达到 15，总增压比70，推力范围111～444千牛，燃油消耗和污染物排放将比第一代遄达发动机下降 25%以上，氮氧化物减少40%，噪声降低 35%。与瑞达XWB发动机相比，效率提高10%以上。
关键技术包括但不限于：用直径3.55米的 CTi（由一层碳纤维和一层钛合金组成的复合材料）风扇叶片代替遄达系列的钛空心叶片，大幅减轻发动机重量（每台减重340公斤）；采用可变桨距风扇，完全取消了低压涡轮，由中压涡轮通过齿轮减速传动驱动风扇，结构上由三转子发动机变化为“两轴半”；采用倾斜和掠形出口导向叶片并进行吸声处理，有效降低噪声；开发大功率行星齿轮传动系统（与普惠公司GTF发动机类似）使发动机风扇和低压涡轮运转在各自最优转速，燃油效率提升16%，噪声降低75%；调整核心机负载结构，高压压气机由两级高压涡轮驱动以承担更大的工作负载，以更经济的方式得到所需增压比；重新设计先进金属冷却部件与陶瓷基复合材料涡轮，进一步提高核心机工作压力和温度；机匣制造过程采用新的粉末热等静压（HIP）技术，将制造所需原材料减少60%并显著降低能耗。
为了确保试验的稳定和精准，罗罗公司开发了一个被称作“深度防御”（defense in depth） 的方法评估超扇发动机，设置了1个控制室和1 个监控室。控制室用来控制发动机运行，实时监控、操作高频测量设备和测试系统；监控室通过玻璃与外界分隔，工程师直接向控制室发出发动机可能异常的指示。作为监控测试的一部分，罗罗公司设定了“轨道线”（tramline）自动化程序，与测量数据进行自动对比并检查其是否在发动机容许范围内，如果超出此范围，试验人员将停止测试并对超出原因进行评估。测试过程中，空气系统、机油系统、发动机性能、温度、燃料和动力齿轮箱等各团队也实时监控数据并及时反馈。
虽然超扇发动机的具体应用对象（宽体或窄体）还未明确，但提早布局，开展技术验证、技术储备，将来根据市场环境与需求确定装机对象，对于罗罗公司未来民机市场的整体发展仍然具有重要意义。
目前，下一代窄体飞机还未出台相应技术指标或时间节点，但发动机的竞争序幕早已全面拉开，各承包商秉承“动力先行”理念，集成最先进技术和最广阔资源研发这一战略产品。我国商用大涵道比涡扇发动机还处于研发关键阶段，从中也可得到一些有益启示。
首先，齿轮传动结构已成为下一代窄体飞机发动机的必然发展趋势。CFM国际、普惠、罗罗的下一代窄体飞机发动机虽构造不同、特点不同，但都不约而同选择了齿轮传动结构，这并非偶然。为了实现更高的效率、更低的排放和噪声，无论是有涵道还是无涵道发动机，提高涵道比是必然选择，但涵道比越高，越难实现风扇/桨扇和低压涡轮最佳转速之间的平衡。为了实现这种平衡，采用齿轮传动结构是最佳选择——随着涵道比提高，只需提高齿轮传动比就可解决最佳转速难题，不但结构上更容易实现，还保证了大涵道比发动机固有的效率优势。
其次，丰富的计算资源将大幅提升新型发动机迭代设计速度。在2023年国际超算大会上，英伟达宣布将与德国合作开发超级计算机，建成后的任务之一是用于罗罗的涡扇发动机研发工作。CFM国际公司使用Frontier超级计算机开展发动机全尺寸数值模拟，成功得到噪声、气动流场等多项关键模拟数据，并基于此开展发动机迭代设计，再次证明了超算应用于发动机研发可带来巨大优势。工业数字化将是工业转型升级的主路线，我国拥有银河、曙光、神威和深腾等多个系列的上百台超级计算机，具有很强的超算应用潜力，将其深度应用到发动机研发领域前景广阔。
第三，先进大型航空发动机试验设施有力保障发动机研制。实践证明，没有足够的试验设备和大量试验工作，要想研制出发动机是不可能的。航空发动机试验设施目前在环境试验、非接触测量、图像获取与处理、高性能智能传感器、动态过程参数同步测量、试验过程自动化等方面接连提升，智能化试验能力不断取得新突破。下一代窄体飞机发动机均将使用目前最先进的地面台、高空台、飞行试验台开展测试，从而最大程度保障发动机研制。
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