GE公司民用航空发动机发展战略

2019-05-05索德军邹迎春

航空发动机 2019年2期

索德军，邹迎春

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

现代航空运输的发展与大涵道比涡扇发动机的发展和应用密不可分。20世纪70年代的民用航空发动机市场由PW公司的JT9D发动机所占据；随着CF6、RB211和CFM56发动机的投入使用，到80年代，逐渐形成美国PW、GE和英国RR公司三足鼎立的格局；90年代以来，GE公司研制的GE90、GP7000和GEnx等宽体客机发动机的成功应用进一步提升了其民用发动机的市场地位；进入21世纪，GE公司以其优越的产品性能和合理的产品布局在民用航空发动机市场表现得更加突出，颇有独占鳌头之势。

本文总结了GE公司民用航空发动机的发展历程和经验，以期为中国航空发动机的研制和发展提供借鉴。

1 注重技术预先研究，产品性能不断提高

大涵道比民用涡扇发动机追求更低的油耗、噪声、污染和成本等目标。为了保持技术领先，GE公司从20世纪70年代开始参与和实施民用发动机相关的预先研究计划，开展新技术的开发与验证，提高技术成熟度，随着新技术的成功应用，形成了降低风险、避免后续颠覆性设计更改，以及节约成本的良性循环。

1.1 不断开发和验证创新技术

图1 GE公司为降低耗油率进行的技术研发[1]

20世纪70年代开始，GE公司参与了QCSEE、E3、UEET、IHPTET和 VAATE 等政府级预研计划，并组织开展了如TECH56和LEAP等民用涡扇发动机专项研究计划（见表1），将计划中开发和验证的先进气动、结构、材料以及燃烧技术等不断应用于大涵道比民用涡扇发动机研制中，持续降低发动机耗油率，如图1所示；通过对燃烧系统的研究，采用新材料、新方案不断提高燃烧效率，形成其特有的TAPS燃烧室技术，污染物排放量远低于国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization,ICAO）规定的水平，如图2所示；采用故障监测、任务优化、服役优化等措施，提高发动机的可靠性，延长发动机在役时间，提升航空公司运营效率。这些先进技术的应用，保证了发动机的总体性能和经济可承受性不断提高，形成一系列先进产品，如图3所示，使得GE公司不断提高民用发动机市场占有率[1-2]。

图2 GE公司为降低NOx排放所进行的燃烧室技术研发[1]

图3 GE公司利用预研计划技术成果开发的民用发动机产品[1]

表1 GE公司开展的与民用发动机相关的预研计划

1.2 不断开发和验证核心机

GE公司关注核心机的技术开发和验证，使其性能稳步提升，提高技术成熟度，增加技术储备，降低风险，缩短研制周期，为型号成功研制提供坚实的核心保障。20世纪90年代以来GE公司所进行的与大涵道比民用涡扇发动机相关的核心机试验和所开发的新型发动机如图4所示。实际上，据不完全统计，自1963年美国提出ATEGG计划验证航空发动机核心机技术以来，GE公司从GE1开始发展了GE37以及XTE76、XTE77等40多种核心机（发动机）验证机[7]，而真正应用的民用发动机只有CF6（TF39发动机的核心机GE1/6）、CFM56（F101发动机的核心机 GE9）、CF34（TF34发动机的核心机 GE1）、GE90/GP7000/GEnx（E3计划的核心机）和 LEAP（eCore核心机）等。

图4 GE公司核心机试验和产品发展[1]

2 重视核心机系列发展，产品不断改型升级

利用成熟的核心机衍生发展适应需要的系列产品，是当前航空发动机降低研制风险和成本、缩短研制周期所采取的基本方法。GE公司在成熟核心机基础上优化设计，既提升了核心机的性能又能兼顾可靠性，优化后的核心机可发展为新一代产品，能更好地满足飞机需求。GE公司采用核心机系列发展策略，逐渐形成了庞大的民用发动机家族体系，如图5所示。

图5 GE公司民用发动机的系列发展[1]

2.1 由军用核心机衍生发展

民用大涵道比涡扇发动机在20世纪70年代才正式应用，因此，包括GE、PW和RR公司在内的航空发动机公司当时都是基于军用发动机核心机开展民用发动机研制的，只有这样才能满足迅速发展的民航运输的旺盛需求。GE公司的CF6、CFM56和CF34系列民用发动机都是在军用发动机基础上衍生发展而来的。

2.1.1 基于TF39核心机的CF6系列发动机

GE公司采用TF39军用发动机核心机和关键技术进行民用适应性设计，形成CF6-6、-80、-80C2、-80E等系列发动机，如图6所示。截至2015年已交付的CF6-80C2/E1系列发动机达到5153台，预计到2025年还将生产489台[8]。

图6 GE公司宽体客机发动机采用核心机技术系列发展

2.1.2 基于F101核心机的CFM56系列发动机

GE公司基于F101发动机核心机技术，而且在其他部件方面应用CF6发动机的实际经验，使得CFM56发动机具有费用低、周期短、继承性强、技术风险低、可靠性高、通用性和经济性好等特点，是世界民航史上最成功的发动机之一。CFM56发动机系列发展如图7所示。截至2015年已交付26984台，预计到2025年还将生产4614台[9-10]。

图7 GE公司窄体客机发动机采用核心机技术系列发展

2.1.3 基于TF34核心机的CF34系列发动机

CF34发动机是利用了TF34的核心机技术改型研制的，主要用于支线客机和喷气式商务/公务机。发展了 CF34-3B、CF34-8、CF34-10A、CF34-10E 等系列发动机，CF34发动机系列发展如图8所示。截至2015年已交付9653台，预计到2025年还将生产1829台[11]。

图8 GE公司支线客机和商务/公务机发动机采用核心机技术系列发展

2.2 由民用核心机衍生发展

20世纪70年代开始，一系列针对大涵道比民用涡扇发动机的计划应需而立，不仅发展了节油、降噪、减排等特有的民用技术，而且开始民用核心机的开发和验证。在此基础上，研发了“真正”的大涵道比民用涡扇发动机。

20世纪90年代，GE公司采用高效节能发动机（E3）计划核心机开始研制GE90大涵道比发动机，在GE90发动机的基础上，形成GE90-76B、-94B、-115B和GP7000、GEnx等一系列性能卓越、高效可靠的宽体客机发动机产品，截至2015年底，GE90、GEnx系列发动机产量分别为2211、1039台，预计到2025年，2款发动机分别还将生产1913、2008台[12-13]。GE90发动机改型升级所作的改进如图9所示。

图9 GE90发动机改型升级所作的改进

LEAP发动机虽然是CFM国际公司研制的CFM56系列发动机换代产品，但实际上该发动机采用的是LEAP56计划中验证的eCore核心机，并且应用了CFM56和GE90系列发动机的成熟经验和先进技术，包括超高压比核心机、3D编织树脂模传递成型（RTM）复合材料风扇叶片和机匣、更轻的风扇包容机匣、可变面积外涵喷管、第3代3D气动设计压气机和涡轮叶片设计、第2代双环预混旋流器（TAPS II）燃烧室技术、先进的冷却技术、新的耐高温材料、先进的控制诊断技术以及全新的性能保持技术等[14]。

3 适应市场需要，产品布局不断优化

为满足各类民用飞机的动力需求，GE公司开发了干线、支线飞机以及公务机等配装的不同推力等级的发动机（图5）。

GE公司研制的宽体干线客机发动机（如CF6、GE90、GP7000和GEnx等）的应用相当广泛，而且在未来很长一段时间内将继续保持市场占有率领先优势。GE公司正在研制的GE9X发动机是波音777X客机发动机的惟一选型，已于2017年5月进行型号认证试验，预计2019年完成取证试验，2020年投入运营。

在GE公司研制的窄体干线客机发动机中，CFM56系列发动机处于绝对领先的地位，其市场份额达到近70%。截至2016年，CFM56发动机订单产量近30000台；新研发LEAP系列发动机同样获得巨大成功，自2016年投入使用以来表现优异，订单量不断增加。在2017年6月的第52届巴黎航展上，LEAP发动机成为参展的焦点，航展结束后发动机订单总量超过14000台。

在GE公司研制的支线客机和商务/公务机发动机中，CF34系列发动机处于绝对优势地位，市场上70～120座的大型支线客机（包括中国ARJ21支线客机）几乎全部配装CF34发动机。2010年，GE公司利用Tech56计划的先进技术，结合CF34发动机经验和成熟技术研发了Passport发动机，于2014年完成飞行台试验，2016年4月取得FAA适航许可证，2017年投入批量生产。另外，GE公司还与日本本田公司于2004年成立GE/Honda航空发动机公司，在原本田公司的HF118发动机基础上利用GEnx发动机先进技术研发HF120发动机，以弥补其10 kN推力级的小型发动机的不足。

4 坚持合作共赢，降低成本和风险

20世纪70年代以来，GE公司的民用航空发动机基本上采用联合研制、合作共赢的方式，按照投资比例和主导地位，将GE公司的合作分为3种方式:AA制合作（2家公司各占50%比例），产品为CFM56、CFE38和 HF120发动机等（见表 2）；AA+X制合作（2家公司占较大比例，处于主导地位，加其他公司），产品为GP7000发动机；A+X制合作（以GE公司为主，加其他公司），产品为GE90、GEnx和GE9X发动机等（见表3）。

采用联合研制方式具有以下优点:（1）各合作公司具有不同的技术基础，根据能力和意愿共同投资，保证充足的资金运营；（2）各合作公司责任分担，形成技术互补，共享市场收益，能够规避技术竞争与市场竞争风险；（3）各合作公司收入共享而不是利润共享，每家公司的利润取决于各自的管理和运营；（4）各合作公司分担从方案论证、设计、生产、试验、直到销售等的所有工作，确保高的技术水平、工作效率和产品质量。