日本飞机发动机主力厂商IHI公司正在推进新一代新型飞机发动机的开发。通过采用碳纤维复合材料及陶瓷复合材料等新材料,提高发动机的燃效。
最近数年,新型飞机相继登场,例如2011年投入航运的波音787,以及预定2015年试飞的日本首款国产客机MRJ等。日本飞机开发协会调查的结果显示,2011年全球飞机数量为18239架,到2031年估计会增加到36668架。IHI航空宇宙事业本部技术开发中心发动机技术部长今成邦之称:“航空运输市场正以5%的年率高速增长。”
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飞机发动机的燃料消耗率在近50年里削减了约一半。预定2015年投入营运的空客320neo采用嵌入齿轮的齿轮传动涡扇发动机。 |
开发新一代飞机的最大焦点就是改善燃效。因燃料费居高不下,改善燃效便成为首要课题。如果能够改善燃效,就可削减温室气体排放量,并减小对环境造成的负荷。
改善飞机的燃效大体有3个方法。分别是提高发动机性能、提高机身空气动力性能及减轻机身重量。
其中,IHI长期以来一直在从事提高发动机性能的研究。该公司从1980年代开始涉足飞机发动机开发,其参与的发动机国际共同开发项目有,1980年代的中型机空客320,1990年代的大型机波音777,2000年代的中大型机波音787。该公司2012年的销售额为1.05万亿日元,其中航空宇宙业务占3000亿日元。这30年也可以说是改善发动机燃效的30年。
“涵道比”是衡量发动机性能的指标之一。近年来,民用飞机的发动机通常采用“涡扇发动机”方式。这种发动机由风扇、压缩机、燃烧室、高压涡轮及低压涡轮构成。其工作原理是,旋转风扇吸入空气后,将之压缩至40个大气压左右,在燃烧室将该压缩空气与燃料一同燃烧,生成高温高压的燃烧气体,随后使燃烧气体通过涡轮,从排气口向后方喷射,利用其反作用,获得飞机的推力。
利用风扇吸入的空气中,直接挤压到后方的空气与用于燃烧的空气的流量比称为“涵道比”,涵道比越大,发动机的推进效率越高,发动机的燃效就越好。
空客320的涵道比为5,而波音787提高到了10。向日本航空公司交付的波音787使用了美国通用电气公司生产的发动机“GEnx”,IHI参与了该发动机的开发,负责开发低压涡轮的旋转部分等。今成部长介绍道:“为了提高发动机性能,需加大风扇和低压涡轮,为了实现轻量化,需要制作出既轻又薄的涡轮旋转部件。本公司拥有满足这些要求所需的设计及制造技术经验,因此受到重视,得以加入了开发团队。”
开发新型齿轮传动涡扇发动机
目前IHI正在推进开发新型发动机“PW1100G-JM”,该发动机将用于预定2015年投入营运的空客320neo。由美国普惠公司、德国MTU航空发动机公司及IHI加盟的日本飞机发动机协会三方共同开发。
PW1100G-JM首次采用了“齿轮传动涡扇发动机”(GTF)这一新方式,力争实现高达12的涵道比。以往的涡扇发动机涵道比最高约为10。如果超过这一数值,就要加大风扇,增加涡轮级数,因此成本和重量也会增加,很难实现实用化。
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碳纤维复合材料制成的风扇外壳、碳纤维复合材料制成的风扇整流叶片的照片,旋转的叶片称为工作叶片,不旋转的叶片称为整流叶片。 IHI为定于2015年投入营运的空客320neo的齿轮传动涡扇发动机,供应碳纤维复合材料制成的风扇外壳及风扇整流叶片,以实现轻量化。另外,通过在新一代发动机的低压涡轮上采用陶瓷复合材料(CMC),提高了其耐热性,进一步实现了轻量化。 |
齿轮传动涡扇发动机通过嵌入齿轮(变速箱),可在缓慢旋转风扇的同时,快速旋转涡轮。由此,就可在改善发动机燃效的同时,避免涡轮增大以及成本增加。今成部长充满期待地说:“齿轮传动涡扇发动机的涵道比最大可达到20左右,今后也有望应用于新一代发动机。”
IHI在风扇外壳和风扇叶片上采用了碳纤维复合材料(CFRP),实现了轻量化。在中型机的发动机上采用碳纤维复合材料在全球尚属首次。
IHI1980年代曾在空客320的发动机的几个部件中采用过碳纤维复合材料,积累了一定的技术实力。今成部长满怀喜悦地说:“这项技术在20年后结出了硕果。”从空客320到空客320neo,发动机的燃效改善了15%。
IHI正在进一步推进技术开发,要在新一代发动机的涡轮高温部位使用陶瓷复合材料(CMC)这种新材料。就是利用陶瓷复合材料制造低压涡轮叶片。今成部长表示,由于陶瓷复合材料的耐热性高达1300℃,而且重量较轻,因此“发动机的燃效可进一步提高10%。我们力争最早于2020年实现实用化”。可能用于空客320neo的后续机型,及最早会在2019年投放市场的波音777后续机型中。
通过采用这些新材料等,飞机的燃耗在近50年里削减了约一半。
2020年还将利用生物燃料
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IHI与神户大学榎本平教授等共同开发了生物燃料原料藻,并力争实现实用化。照片为培养原料藻的情形。 |
为了满足市场增长及燃料使用量增大的需求,IHI目前还在开发飞机专用生物燃料。与神户大学榎本平教授领导的研发小组及Neo Morgan研究所合作,共同设立了合资公司,目前正在采用榎本教授进行了品种改良的“榎本藻”,开发生物燃料。据称这是单位面积燃料产能最大的藻类。力争2020年实现商用化,2030年普及。现已利用水槽完成试产,将开始在数百平方米的水池中生产。