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芯片|航空动力三巨头的合纵连横与技术路线之争

芯片|航空动力三巨头的合纵连横与技术路线之争

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GE9X发动机超级夸张的直径
在航空发动机产业 ， 美国的GE航空、英国的罗尔斯·罗伊斯公司（以下简称“罗罗公司”）、美国的普拉特·惠特尼公司（以下简称“普惠公司”）绝对称得上三巨头 ， 目前世界上的民用航空发动机基本出自这三家或者相关联的公司 。 航空发动机的开发风险巨大 ， 投资巨高 ， 时间巨长 ， 为了分摊风险 ， 三家公司上演了一出精彩的“三国演义” 。
合纵连横GE航空的逆袭之路
GE航空作为通用电气集团（GE）的子公司之一 ， 背靠工业界巨无霸 ， 百年老店 ， 实力雄厚 。 但在20世纪六七十年代 ， 普惠公司是全球民用航空发动机市场的绝对霸主 ， 其市场占有率达90%！
统治市场的是普惠公司JT系列发动机 ， 此发动机属于小涵道比涡扇发动机 ， 在70年代全球燃油危机的国际环境下显得非常不合时宜 。 于是GE航空想要设计一款更大涵道比从而更省油的发动机挑战普惠公司的霸主地位 。
此时 ， 在军用航空发动机领域颇有建树的法国斯奈克玛公司（2016年改名赛峰公司）分析市场形势后 ， 也想进入这一市场 。 但由于自己在民用发动机领域的产品不多 ， 缺乏信心 ， 想找一个合作伙伴分担风险 ， 于是两家公司一拍即合 ， 成立了CFM国际公司 ， 各出一半资金 。
为了提高研发进度 ， GE拿出了当时世界上最先进的核心机（包括高压压气机、燃烧室、高压涡轮三大部件）--由GE研发的F101军用发动机的核心机 。 有F101军用发动机高性能且高可靠性的核心机技术作为基础 ， 再由斯奈克玛公司承担风扇、低压涡轮及其他附属系统的研发工作 。
合资公司CFM国际公司拿出的第一款产品是CFM-56发动机 ， 一经推出 ， 迅速占据窄体客机的市场 ， CFM-56系列发动机成为目前最成功的的民用航空发动机 ， 没有之一 。 目前有28000台的CFM-56系列发动机在使用 ， 全球有600家运营商 。 有人做过统计 ， 每3秒就有一架装载着CFM-56系列发动机的客机从世界各地的机场起飞 。
【芯片|航空动力三巨头的合纵连横与技术路线之争】
CFM-56发动机
进入21世纪之后 ， CFM国际公司又研发出了LEAP系列发动机 ， LEAP-1A发动机作为空客a320neo飞机的发动机、LEAP-1B作为波音737MAX飞机（就是前两年连着坠毁两架飞机后被勒令停飞的那型飞机）的发动机、LEAP-1C发动机则装配在国产大飞机C919上 ， 该发动机与CFM-56系列发动机相比燃油消耗可减少16%、二氧化碳排放量可减少16%、氮氧化物不足CFM-56的60% ， 而且噪音更低 。 作为未来窄体客机的主要发动机 ， LEAP系列发动机的未来可谓一片光明 。

LEAP发动机
失败者联盟
风水轮流转 ， 在CFM-56发动机的冲击下 ， 原本占据窄体客机绝对霸主地位的普惠公司差点就被挤出民用发动机市场 。 于是普惠公司拉着一众小伙伴成立了IAE公司 ， 普惠公司占30%的股份 ， 负责燃烧室 ， 高压涡轮和涡轮排气机匣的研制 ， 罗罗公司占30%的股份 ， 负责高压压气机部分研制 ， 由日本石川岛播磨重工业公司（IHI）、川崎重工业（KHI)和三菱重工业(MHI)组成的日本航空发动机公司占19.9%的股份 ， 负责风扇和低压压气机的研制 ， 德国MTU公司占12.1%的股份 ， 负责低压涡轮研制 ， 意大利菲亚特占8%的股份 ， 负责附件齿轮机匣部分研制 。
该公司研发出的第一款产品也是唯一一款发动机--V2500航空发动机 ， 由于可靠性、维修经济性方面不如CFM-56发动机[1
目前装机量远远小于CFM-56发动机 。

V2500发动机
三种技术升级之路航空发动机实际运行是一个吸气--压缩--燃烧--膨胀--喷气的循环过程 ， 所以要提高发动机的效率 ， 就要提高燃气的涡轮前温度和总压比 。
为了实现这一点 ， 三家公司有不同的解决方案！
差点导致罗罗公司破产的技术升级之路
事实上 ， 罗罗公司并没有把太多精力放在V2500的研发上 ， 此时的罗罗公司正在另辟蹊径的研发自己的RE-211大涵道比三转子发动机 。

RE-211发动机 很明显的三转子
我们都知道发动机的推力和发动机尾部喷出气体的温度没关系 ， 所以现在大涵道涡扇发动机都会通过两个转轴（高压和低压）来提高总压缩比 ， 将尽可能多的热量都用来做功 。 但为了提高热效率 ， 罗罗公司选择增大压气机的增压比（转速） 。
但低压转轴上连接着大风扇 ， 限制了低压压气机转子的转动速度 。 所以罗罗公司想到再增加一级转轴来负责做功推动风扇转动 ， 这就有了高压、中压、低压三套涡轮带动的三套系统 ， 即三转子发动机 。
增加一个转轴 ， 发动机复杂性立马上升 ， 在十分拥挤的发动机内部也根本无法塞下再多一个转轴 ， 所以三转子技术只适合大尺寸发动机 ， 即大型宽体客机的动力装置 。
由于对项目风险估计不足 ， 技术验证不充分 ， 项目的进行比预期困难得多 。 最终 ， 这个项目的巨额投入导致罗罗公司濒临破产 。 但航空发动机产业作为国之重器 ， 英国政府不可能让其倒闭 ， 最终将其收归国有 ， 罗罗公司变成了英国的国企 。
在政府的支持下罗罗公司完成了三转子发动机的研制 ， 该技术开发的Trent系列发动机在市场上大获成功 ， 帮助罗罗公司在宽体客机市场占据领先地位 。

罗罗公司Trent XWB发动机
普惠公司神奇的齿轮传动涡扇发动机

普惠被更多人知道的是军用发动机 图为F135发动机 装在F-35上
普惠公司通过V2500发动机刚刚挽回颓势 ， 就想通过技术升级来获得更大的市场 。 普惠公司和罗罗公司一样 ， 都是增大压气机的增压比（转速）提高热效率 ， 但普惠公司是将低压转轴和风扇断开 ， 中间加入一个3：1定传动比的齿轮箱 ， 让低压涡轮的转动不受风扇的影响 ， 以至于低压涡轮工作起来像高压涡轮一样有效率 ， 从而大幅度提高了总压比！

定传动比齿轮箱
但说起来容易做起来非常难 。 齿轮箱非常狭小 ， 可靠性还必须非常非常高才不至于空中停车 。 要在非常小的空间里最终实现99.8%传动效率 ， 承受着600kw的废热而不至于出问题 ， 可以说定传动比齿轮箱绝对是人类工程学杰作 。
通过超过20多年的卧薪尝胆 ， 终于在与德国MTU公司合作下 ， 终于研发出创新性的齿轮传动涡扇发动机--PW1000G ， 相对于现役的民用航空发动机 ， PW1000G发动机燃油消耗降低15% ， 维护成本降低了20% ， 噪声降低了75% ， 污染物降低了50% 。

PW1000G发动机剖面图 可以很明显看到风扇后面的齿轮箱
该发动机作为空客A220飞机、三菱支线喷气飞机、巴西航空工业E-Jets E2飞机的专用发动机 ， 也是俄罗斯MC-21和空客A320neo飞机的选用发动机之一 。
稳稳地GE
GE航空上面两巨头不一样 ， 凭借着CFM-56发动机和LEAP发动机在窄体客机市场独占鳌头 ， GE航空想同时稳住自己的宽体飞机市场 ， 于是GE航空的技术革新之路走的相对比较保守 。
GE航空选择使用单晶叶片和热障涂层 ， 提高燃气的涡轮前温度 ， 从而提高涡轮机的功率和效率；将发动机运转时需要叶肩互相锁紧的钛合金叶片改用为3D优化空气动力学的碳纤维风扇（叶刃处为钛合金包裹来保护脆性的碳纤维） ， 由于本身超宽弦 ， 大曲率 ， 所以完全舍弃了叶肩 ， 而且它的叶片外面一部分是工作在超高速 ， 利用超高速激波来增压 ， 而且叶片数量更少 ， 重量更轻 。

钛合金包裹的碳纤维叶片

陶瓷基热障涂层
应用这些技术 ， GE航空开发出了GEnx系列发动机 ， 在宽体客机市场与罗罗的Trent系列发动机形成竞争 ， 最新研发的GE9X发动机风扇直径达到了3.35米 ， 直径跟C919飞机的直径不相上下 。 试车推力达到了134300磅（597400牛） ， 创造了新的吉尼斯世界纪录 。 可以说GE在民用航发市场稳健如一！
未来 ， 三巨头有互相学习对方技术来进一步提升自家航空发动机性能的趋势！在这里也特别祝愿我们的CJ1000A发动机早日装上C919大飞机 。 早日参与到这场大竞争中来 。


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