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一直依赖通用电气的发动机,中国自产自研之路在何方

发布日期:2020-11-13 来源:科工力量 作者:陈辰
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  “三届元老”通用电气(GE),每年都会给进博会带来惊喜,今年将创下“三大首展,两款首发”纪录,涵盖航发、燃机和数字医疗领域。

  其中,在中国首展的9HA燃气轮机,是GE集团当前在50赫兹市场上最大、最高效,增长速度最快的燃机。

  目前,HA级燃机在全球已收获100多台订单。而今年9月,中国首台9HA燃机于天津华电军粮城成功点火,并将于今年底正式投运。

  在燃气轮机旁,代号LEAP的航发是GE的“重头戏”。这台1:1的航发模型看起来复杂而精致,是GE和赛峰集团合资公司CFM国际的明星产品。

  

  LEAP飞机发动机

  有趣的是,CFM国际的名字源自两家股东两个成功的发动机型号:GE的CF6发动机和赛峰的M56发动机。

  此外,GE集团还将70年代到现在的三款发动机(CF6、GE90和LEAP)风扇叶片实物,带到了进博会现场,借此展示其在材料和空气动力学方面的持续创新。

  在进博会期间,GE集团也收获颇丰。11月5日,即进博会开幕首日,CFM国际就与东方航空和浙江长龙航空签署了采购协议。

  当天上午,CFM与东方航空签署为期12年的LEAP-1A发动机小时包修协议,及6台备发采购,以支持东航36架A320neo机队的平稳运营。

  下午,CFM又与浙江长龙航空签署覆盖12年飞机租期的LEAP-1A发动机维修保障协议,及4台备发采购,以保障未来引进的19架A320系列飞机。

  到了第二天,珠海摩天宇航空发动机维修公司也向CFM采购了航材,并将向GE航空集团送修其发动机零部件。

  而在发电领域,GE还与哈尔滨电气集团签订合同,将为广东省能源集团旗下的东莞宁洲电厂提供3台9HA.02燃气轮机,而哈尔滨电则将提供汽轮机、发电机及所有辅助设备。

  在上届进博会上,GE与CFM国际与国内多家航空公司和飞机制造商,签署了总金额超过18.6亿美元(123亿人民币)的各项协议。据估算,今年同样可能达到及超越这一数值。

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  从各项展品来看,LEAP发动机是GE集团在进博会协议采购额最高的设备。那么,这款备受关注的产品,有哪些技术方面的优势?

  首先,LEAP是一款高涵道比的涡扇发动机,采用了独一无二、行业首创的全集成推进系统(IPS)。

  其次,较前一代航发相比,LEAP结合GE及赛峰发动机公司最先进技术,使燃油效率提升15%,二氧化碳排放率降低15%,所驱动飞机噪音较少达75%。

  在氮氧化物排放量方面,LEAP发动机比国际民用航空组织CEAP6标准的要求还低50%

  另外,LEAP采用的新技术沿袭了CFM一贯的高可靠性、高资产利用率,并进一步延长了发动机在役时间,同时保持较低的维护成本

  LEAP发动机上述性能提升,几乎都有精细的数据分析作为支持。这使CFM能够在整个产品生命周期内,提供定制化的、可预见性的维护服务。

  与此同时,LEAP发动机也采用了一些业界公认的先进技术,其中包括:

  

  3-D碳纤维复合材料风扇叶片和机匣。首次采用复合材料的LEAP发动机,比金属材料减轻了1000多磅,而且仅使用18片风扇叶片,数量大幅减少。

  第4代三维空气动力学设计。LEAP发动机的高压压气机叶片便采用了此设计,共有10级高压压气机转子叶片,增压比达到了22:1的惊人效果。

  3D打印燃料喷嘴的双环形预旋(TAPS)燃烧室设计。这项技术能降低燃烧峰值温度、燃油消耗率及氮氧化物排量,同时提高燃烧效率和保护下游的涡轮叶片。

  此外,LEAP的领先技术还有:采用陶瓷基复合材料的高压涡轮复合罩壳、轻重量铝化钛叶片的低压涡轮,以及独特的碎屑抑制系统等

  整体上,LEAP在引入各项全新技术同时,还大量借鉴应用GE90、GEnx和CFM56发动机上成熟的经验及技术,是CFM国际目前技术最先进的产品。

  据CFM国际CEO梅思特表述,以LEAP发动机为动力的飞机,其飞行率达到了可用天数的95%。这对于一款新发动机来说前所未有。

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  “LEAP发动机投入商业运营,是CFM公司历史上最为成功的。”梅思特曾说。那么,LEAP发动机是如何诞生和发展的呢?

  长期以来,全球航发市场基本由美国的GE、普拉特惠特尼和英国的罗尔斯罗伊斯及旗下合资公司垄断。而为了应对行业技术和市场的变革,GE开始在CFM国际上押注转型。

  早在2007年,GE与CFM国际就开始着手开发燃油效率更高的新型航空发动机。这是LEAP发动机诞生的起点。

  经过多次反复试验,GE终于成功设计出在高效航发燃烧室中能够喷射燃料的燃油喷嘴。接着,研发团队又经过18个月努力,使发动机的一半零部件实现3D打印制造

  这其中,由于有300个零件使用3D打印技术,LEAP发动机的重量减轻了40%制造成本下降了60%,同时生产工作量也得以大幅减少

  GE率先将增材制造的部件引入到喷气推进系统后,继续加大了布局。2016年,其不仅创建GE增材制造集团,并且控股业内领先的瑞典ARCAM AB公司、德国Concept Laser公司。

  通过这些年不断加大投入,GE在技术上实现了很多新的突破。例如,LEAP发动机是首款采用由CMC(陶瓷基复合材料)制成的复杂热端部件的商用发动机。

  为满足CMC部件的大量需求,GE创建了美国第一条从研发机构到原材料工厂再到最终产品的CMC集成化供应链,在美国亚拉巴马州和卡罗来纳州建立相关工厂。

  由于GE本已在航发领域占据垄断优势,含着“金钥匙”和各项新技术出身的LEAP发动机,自然很容易获得市场的青睐或追捧。

  2016年8月2日,以LEAP发动机为动力的首次商业飞行,是由土耳其飞马航空公司执飞伊斯坦布尔至安塔利亚航线,执飞飞机为空客的A320neo。

  此后,LEAP开始“跨越式”发展。2017年6月,在巴黎航展上,GE及CFM国际宣布了超过310亿美元(约2067亿元人民币)的订单,LEAP的总订单数已超过14000台。

  而目前,CFM国际收到的LEAP发动机确认订单已超过18000台,成为最为畅销的窄体机发动机。其中,中国商飞确认的C919订单共计815架,即1630台发动机。

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  具体而言,LEAP发动机有1A、1B和1C三种型号,分别供货给欧盟空客的A320系列、美国波音的B737MAX和中国商飞的C919民航客机

  中国商飞与LEAP的“触电”早有迹可循。2009年12月,中国商飞选择了LEAP-1C发动机,作为150座级C919飞机的唯一西方产发动机,由此正式启动了LEAP发动机项目。

  通过中标备受关注的C919项目,CFM开启了与中国航空工业合作的新篇章。为C919提供动力的LEAP-1C发动机,是CFM国际唯一一款采用全集成推进系统的产品

  中国商飞提供的发动机吊挂、奈赛公司开发的短舱和反推装置,与LEAP-1C一起被设计为相互连接的整体系统,将实现更好的空气动力学特性,同时重量更轻、更易于维护。

  2014年末,首台LEAP-1C发动机在经过改装的波音747飞行试验平台上,成功完成了首飞。这次飞行测试项目,包括发动机的操作性能、喘振裕度、排放和噪音指标等。

  在首架C919飞机总装下线后,2016年11月,LEAP-1C于上海中国商飞的生产基地首次点火成功,并在地面慢车功率状态下运行了十分钟。

  

  接着,2017年5月5日,以LEAP-1C集成推进系统为动力的C919飞机,成功完成了历时79分钟的首飞。“这是一个史诗般的时刻。”无论是对CFM国际,还是中国商飞而言。

  目前,经过多轮试飞后,C919将进入型号合格审定试飞阶段。据了解,GE与CFM国际正与C919的制造商中国商飞团队积极合作,全力推进C919的试飞取证。

  自今年2月初中国商飞复工后,GE第一时间派出了C919试飞团队,驾车10小时赶赴东营试飞现场,支持其完成了C919的空中推力确认(IFTD)测试。

  此外,售后服务网络的完备,也是发动机稳定性和可靠性的重要支撑。为支持中国市场LEAP发动机的快速增长,GE和CFM一直在不断拓展其售后服务网络。

  目前,四川航空发动机维修公司和珠海摩天宇都已具备LEAP发动机的快修能力。此外,四川广汉航空发动机维修培训中心,也可为LEAP全系发动机提供维修培训项目。

  为了支持不断增长的发动机机队,GE集团还在上海建立了机队支援中心。这是GE在美国以外唯一一个全球机队支持中心,可为运营商提供全天候的技术和远程诊断监控支持。

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  除了为国产大飞机C919提供动力,目前已经飞上天空的国产支线飞机ARJ21的发动机,也是来自GE的CF34-10A发动机

  今年以来,尽管受疫情影响,但ARJ21飞机的交付进展可谓十分稳定。4月23日,疫情复工后的第一架ARJ21飞机交付成都航空;5月1日,又一架ARJ21飞机交付天骄航空。

  5月15日,ARJ21飞机在其第三家运营商江西航空顺利首航;6月28日,ARJ21飞机正式交付国航、东航和南航,目前国航和南航已经分别接收了两架ARJ21飞机。

  

  但最初,ARJ21飞机差点与CF34-10A发动机“失之交臂”。2002年,GE参与ARJ21发动机选型的竞标,比竞争对手晚了一年半的时间。

  但是,通过阐释相多方面的设计理念和技术优势后,GE专门为ARJ21飞机提供的CF34-10A发动机,最终“后来居上”。

  相比其他竞品发动机,CF34-10A在推力上有余度,可以满足ARJ21的高原要求,同时可以进一步降低维修成本,并且为飞机后期的改型留出充足的空间。

  此外,CF34系列有庞巴迪和巴航工业支线飞机过去十多年的运营稳定性经验,很多航材可以实现共享。同时,GE在助力商飞商务推进和相关培训方面,也做了不少工作。

  通过ARJ21项目,GE与中国商飞建立了紧密合作关系,以及经验丰富的本地工程和支持团队。而这也为C919项目等合作奠定更坚实的基础。

  目前,GE集团已向中国引入其全系列民航发动机产品,其中包括支线机发动机CF34,窄体机发动机CFM56系列及其继任LEAP,以及宽体机发动机的GE90和GEnx。

  GE和CFM国际已有6000多台在翼发动机,为中国60余家航空公司的安全运营保驾护航。其中,中国有9家航空公司在运营由LEAP-1A提供动力的150余架A320neo。

  而在C919试飞取证工作加紧推进同时,中俄宽体飞机CR929的发动机竞标也在按照中国商飞的节奏推进,GE集团参与竞标的是GEnx发动机

  当前,GEnx发动机主要为波音787飞机和747-8飞机提供动力,自项目推出以来已累计销售超过2500台,是GE历史上销售最快的高推力发动机。

  在中国,GEnx发动机更是为90%以上的波音787飞机提供动力。其中在中国运营波音787的7家航空公司中,有6家都选用了GEnx发动机。

  结语

  今年是GE航空进入中国40周年,同时也是CFM国际进入中国35周年。依托改革开放,他们在中国经历了飞速发展,并与国内航空集团及飞机制造商展开了深度合作。

  中国一直以来都是GE的重要战略市场,是除美国以外的最大单一国家市场。而如今,进博会为全球开放贸易打开了大门,有效促进了GE及CFM国际的进一步发展。

  随着中国经济的转型升级,城镇化所带来的航空等领域需求正与日俱增。在可以预见的将来,中国将成为全球航空需求最大的市场。因此,GE及CFM国际势必将继续加码中国市场。

  但也要注意的一件事是,C919项目在系统和设备招标时,政策鼓励国内外企业成立合资公司,并且优先选择合资公司的产品,以推动国内航空相关领域的技术和产业进步。

  然而,CFM国际在参与招标过程中,并不愿意成立合资公司转让相关技术。这与绝大部分外资企业的态度不同。因此,2011年,中国航空发动机公司开始负责自主攻坚研发。

  

  首台装配好的CJ-1000AX整机

  到2017年底,中航商发CJ1000发动机首台整机在上海完成装备;2018年5月,第一次点火启动成功,核心转速达到设计要求。据估算,CJ1000大约还要5年左右时间可批量生产

  不过,鉴于美国政府此前曾计划制裁GE对华出口航发,以及阻止中国企业收购乌克兰航发巨头马达西奇公司,国产航发势必需要加快攻坚研制。万一美国真扼制中国航发了呢?

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