发动机制造商的绿色航空布局

云脑智库 2022-08-18 00:00


来源 | 国际航空

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在全球提倡低碳运输,各国争夺碳市场话语权的背景下,各大发动机制造商纷纷推出新概念,探索新技术。本文将回顾2021 年国外航空发动机领域的一些重大发展动向,为决策机构、科研单位和广大读者提供参考。

2021年,绿色航空再次成为年度主题词,碳达峰、碳中和、净零碳等关键词不绝于耳,全球航空业掀起了增效减排的热潮。

在航空业零碳目标的推动下,各大发动机制造商纷纷推出新概念,通过改进燃气涡轮发动机的结构设计、提高核心机热效率、应用新一代复合材料等措施, 进一步提升发动机性能,改进燃油消耗率。同时,对可持续航空燃料、氢能源、电推进等新能源动力的探索和应用也取得了较大进展,进一步加快了航空业碳减排的步伐。

在军用航空动力方面,美国的自适应发动机过渡项目在2021年取得了重大进展,原型机已进入试验阶段。在高超声速动力方面,美国的赫尔墨斯公司也公开展示了其原型机,为未来高超声速飞机的商业飞行带来了希望。

自适应变循环发动机的开发即将进入新阶段


未来战争环境下,战斗机要拥有更远的航程和更快的速度。但从推进系统的角度来看,这些目标是相互矛盾的。自适应变循环发动机可以很好地解决这一矛盾,实现推力与效率的有机统一,为下一代战斗机和空中作战提供坚实的动力保障。

美国自适应发动机过渡项目(AETP) 在2021年迎来重大进展,承担该项目的GE 和普惠两家公司分别测试了各自的AETP 原型机——XA100 和XA101。根据AETP 计划要求,自适应发动机有3项关键技术:一是自适应循环技术,可以根据战斗机状态切换大推力模式和长续航模式,有效平衡推力和耗油率间的关系;二是第三涵道设计,可以提高战斗机作战能力与热管理能力;三是广泛应用陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料和增材制造技术。这些革命性的创新将发动机推力和燃油效率分别提高10%和25%,飞机航程增加30%,续航性能提高40%,并增强了热管理能力。高燃油效率和对生物燃料的兼容将带来更低的碳排放。

图1 XA100试验台(图片来源:GE公司)

图2 XA100发动机流动原理渲染图(图片来源:GE公司)

2021年12月,在最新《2022财年国防授权法案》中,美国国会希望2027年开始为F-35(A型和C型)换装自适应发动机。然而,无法适配F-35B短距/ 垂直起降型的缺憾给换发蒙上了一层阴影。作为F-35发动机的供应商,普惠针对性地推出发动机增强套件(EEP)作为F135的升级计划。F-35的“换发之争” 更多像是美国国会和军方利用AETP 计划施压普惠公司,拿出更经济有效的发动机升级方案。对于自适应发动机的未来, 切合实际的情形应该是为六代机提供动力。据报道,两型原型机都将在2022年进入下一阶段的试验测试,这也将标志着AETP计划的收官。

齿轮传动技术得到广泛认可和发展

齿轮传动是指在燃气涡轮发动机的风扇和低压压气机之间加入一个齿轮减速器,使风扇、低压压气机和低压涡轮都在最佳转速下运行,从而提高发动机的效率。齿轮传动结构并非新的概念,早在20世纪60—70年代就有企业设计出齿轮传动发动机,但普惠公司是第一家将齿轮传动结构用于大推力涡扇发动机并成功商用化的制造商。

自2016年初投入使用以来,GTF发动机已装配超过1100架飞机,累计节省了超过20亿L的燃料,减少了超过600万t的碳排放。2021年12月,普惠公司推出了GTF“优势”(GTF Advantage)发动机,在GTF发动机的基础上进一步升级了核心机,降低了1%的油耗,扩大了发动机的经济和环境效益,并兼容100%可持续航空燃料(SAF)。目前已进行超过1年的地面和飞行测试,预计于2024 年1月装配空客A320neo。

图3 普惠GTF“优势”发动机(图片来源:普惠公司)

无独有偶,罗罗、通用电气(GE)、赛峰等航发巨头也纷纷研发齿轮传动结构和技术。2021年3月,罗罗公司宣布开始组装首台“超扇”(UltraFan)发动机验证机UF001,预计将于年内完工。值得注意的是,UltraFan发动机也采用了齿轮传动结构。2021年6月,GE和赛峰集团联合推出可持续发动机革新技术(RISE)计划,RISE计划的核心是研发开式转子架构发动机,同样也将采用齿轮传动结构。

在全行业脱碳的大背景下,航空发动机的涵道比被设计得越来越大。而涵道比越大,就越难实现风扇和低压涡轮最佳转速之间的平衡,因此齿轮传动结构成为必然的选择。可见,齿轮传动结构正成为未来先进大涵道比发动机的主要构型,相关技术必将得到不断发展。

开式转子发动机重回大众视线

2021年6月14日, GE和赛峰共同宣布启动RISE项目,并展示了新的开式转子发动机(open rotor engine) 概念,使得开式转子发动机再次进入人们的视野。

图4 RISE计划开式转子发动机(图片来源:GE公司)

RISE计划实施的关键是采用开式风扇发动机架构,结合混合电推进系统、紧凑型核心机,以及先进复合材料等其他技术。与LEAP发动机相比,开式转子发动机可降低油耗和碳排放20%以上,并能够与SAF和氢燃料等替代能源100%兼容。

就目前技术水平而言,开式转子面临两方面挑战:一是适航取证,噪声问题和安全性是影响开式转子发动机适航取证的两大关键难点。由于缺乏短舱和密封环的包容,开式转子会产生巨大噪声,一旦叶片发生故障还可能对飞机机体产生严重破坏。RISE计划提出使用直径为约3.7~4m的风扇,能够使发动机在满足噪声需求的同时提高性能。二是发动机与飞机的集成,尽管RISE 计划中的风扇直径不到4m,但与LEAP-1A和PW1100G发动机2m左右风扇直径相比要大不少,因此其与现有主力客机的集成存在一定的困难和挑战。


多方合作促进可持续航空燃料的发展

随着2030年碳达峰目标的日益临近, 降低碳排放量成为今年航空界最热门的话题,尤其在民航领域,各大航空公司都在开展实际行动,与政府和工业界积极合作, 推动绿色航空技术和产业的发展。欧洲、北美、英国、德国等主要地区和国家,相继公布了多个实现航空业净零碳的战略规划,根据战略规划的内容,扩大航空可持续燃料的生产规模和使用比例,加快实现100%SAF的使用,是中短期内降低航空业碳排放量的关键途径。

可持续航空燃料是由生物质和非生物质原料,通过技术途径生产的非传统航空燃料。短途飞行可通过氢能源和电推进技术的发展解决排放问题,而中长途飞行,在短期内将主要利用可持续航空燃料替代传统燃料的途径来大幅降低二氧化碳的排放。在各发动机厂商和航空公司开展SAF燃料飞行试验的同时,面向SAF的制备技术在2021年也取得部分进展。

电转液技术加速实现航空业脱碳。目前的SAF供应大部分来自于通过加氢处理酯和脂肪酸(也称为HEFA)途径的原料。为进一步提高减排效果,需要综合使用不同的技术途径,包括电子可持续航空燃料(eSAF)。2021年10月,德国启动首家电转液(PtL)燃料工厂,利用可再生电力电解水产生氢气,并将从空气、生物源、工业源中捕获的二氧化碳与氢气转化为一氧化碳和水。额外的氢气和一氧化碳通过使用费托合成(FT)技术转化为一种合成原油,之后被开发成eSAF或其他类型的燃料。

图5 实验室屋顶的小型太阳能设备(图片来源:苏黎世联邦理工学院)

太阳能制造航空燃料生产工艺有望投入实际生产。2021年11月,瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)推出利用太阳能制造航空燃料的生产工艺,利用反应堆直接从环境空气中提取二氧化碳和水,利用太阳能将其分解成氢气和一氧化碳混合物,然后再将其加工成煤气、甲醇或其他碳氢化合物。

氢能源作为替代性能源助力航空脱碳

氢能源与传统化石能源相比,具有能量密度大、热值高等优点。同时氢能源储量丰富、来源广泛、转化效率高,可作为替代性能源,摆脱对化石能源的依赖, 成为航空业脱碳的重要方案之一。世界航空主要国家也意识到氢能源的重要战略地位,加紧制订各自的发展规划,以适应2050年实现净零排放的目标。2021年8月,英国政府对外公布氢能源战略路线图, 目标是到2030年低碳氢能源总产能达到5GW。

应用方面,目前对氢能源的利用主要包括直接燃烧和通过燃料电池转化成电能。

目前来说,在产业链上游,制氢、加氢端相对发展成熟,储运环节才是在航空领域应用氢能源亟待解决的问题,因为这需要将易燃、易爆的氢气以稳定形式储存, 对储罐提出较高要求,同时还要确保各环节的安全性和考虑实际重量所带来的经济效益。

液氢储罐设计方案逐渐出炉。考虑到飞机上储氢空间有限,目前主流方案更倾向于将氢能源以低温液态储存,所以要求储罐抗冻、抗压,同时严格绝热。今年, 空客公司在欧洲相继设立3个氢动力零排放飞机技术开发中心,合作研发复合材料液氢储罐,并计划2023年进行地面测试, 2025年进行飞行测试。

日本东丽先进复合材料公司与荷兰合作伙伴也在政府部门资助下开展轻质长寿命复合材料液氢储罐研究。设计方案采用内外双罐设计,中间多层绝缘,内层包含一个燃料液位探头、一个热交换器和用于结构健康监测的无源光纤传感器,外层装有压力和氢泄漏传感器。

图6 复合材料液氢储罐设计方案概念图(图片来源:荷兰皇家航空航天中心)

氢燃料电池减重效能大幅增强。在航空领域,减重至关重要。美国初创公司HyPoint2020年推出第一代涡轮气冷氢燃料电池系统,采用了高温质子交换膜(HTPEM)技术,与传统液冷低温质子交换膜(LTPEM)燃料电池相比,该电池不需要换热器和冷却液,功率提高3倍,能量密度大于1000Wh/kg,比功率为2000W/kg,同时显著减轻了重量,延长了使用寿命。2021年10月,HyPoint 公司宣布与德国化工巨头巴斯夫合作开发一种新型质子传导膜,使新一代燃料电池可以在更高温度和压差环境下运行,并提高杂质耐受度,比功率提高到3000W/kg, 进而产生33%的减重。LTPEM 燃料电池最高工作温度在60~70℃,新一代HTPEM 燃料电池将使这一温度提高到120~180℃。预计新一代涡轮气冷氢燃料电池系统于2024 年中期交付使用。

图7 氢气/氧气压缩机设计爆炸图(图片来源:航空周刊)

电推进技术将加速航空业革新

近年来,随着对净零排放理解的加深,以及电池技术的快速发展,行业逐渐开始对飞机能源系统进行革命,并发展了两类电动推进技术,即彻底取代燃气涡轮发动机和活塞发动机的全电动技术,以及提高现有发动机效率降低油耗的混合电动技术。

全电动是指电池作为飞机上唯一的推进动力源,由电池向电动机供电,带动风扇或螺旋桨产生推力。但受限于电池能量密度和安全性,全电动飞机尺寸较小, 航程较短,但兼具环保高效和运营灵活等优点。近年来全电动飞机发展迅猛,罗罗公司“创新精神”即是其中代表。

图8 “创新精神”飞机

考虑到全电动存在的问题,混合动力似乎是更现实的选择。由燃气涡轮发动机提供推力并为电池充电,同时电池在飞行的多个阶段提供推进所需的能量。该领域里,罗罗同样在今年取得巨大进展。2021年11月,动力生成系统1 号(PGS1) 混合动力验证机在地面试车中产生了超过1MW的功率。作为世界上功率最大的混合动力验证机,峰值容量2.5MW,该装置包括一个集成的AE2100 燃气轮机、一个发电机和3kV电源系统以及特殊的控制和热管理系统。可见,罗罗已经在为未来可能出现的兆瓦级以上的混合动力飞机做准备。

图9 PGS1验证机(图片来源:罗罗公司)

数字技术助力缩短航空发动机研发周期

随着大数据、人工智能等技术的兴起和蓬勃发展,数字孪生技术在航空发动机领域的应用也逐渐拉开,从理论研究快速向工程技术转变。数字孪生技术是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射, 从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。凭借该技术,企业可以快速响应客户需求,大幅提高设计效率和提高辅助决策高效性。

2021年10月,罗罗北美公司凭借数字建模技术赢得了B-52轰炸机换发合同,利用数字建模技术将发动机高效集成到机翼上,并对整个操作模式,包括换装、维护进行动态演示。

利用数字建模技术可以降低潜在风险和维护成本,明显缩短发动机开发的时间成本。美国空军也首次要求不接受纸质演示,强调数字特性。罗罗公司在数字技术的应用方面已是先锋,此前已经提出“智能发动机”发展愿景,为每个叶片都建立了数字孪生体。此次获得B-52轰炸机换发合同,足见其在数字技术应用上积累的雄厚实力和先发优势。GE也专门研发了数字孪生云平台Predix,目前借助该平台正在进行先进涡桨发动机的研制工作。数字孪生技术将在航空发动机全生命周期的各个阶段发挥非常重要的作用。

图10 罗罗公司的数字建模技术帮助其赢得B-52的换发计划(图片来源:罗罗公司)

高超声速飞机的研制取得重大进展

“天下武功,唯快不破”。高超声速飞行器凭借其速度优势,可完全突破现有防空系统,重塑战场形态,在军民用领域都极具战略和经济价值。作为这一极具战略威慑武器的心脏,并出于安全和经济性考虑,动力装置以涡轮基组合循环发动机(TBCC)最具发展和应用前景。近些年, 高超声速导弹发展如火如荼,高超声速飞机却似乎略显低调,美国初创公司赫尔墨斯(Hermeus)近两年打破了高超飞机领域的一片沉寂。

图11 Hermeus公司展示的全尺寸高超飞机“夸特马”原型机(图片来源:Hermeus公司)

2021年7月,赫尔墨斯公司获得了美国空军授予的6000万美元的合同,用于测试其第一架飞行速度为Ma5的高超声速飞机“夸特马”(Quarthorse),以TBCC为动力,串联布局,核心机基于GEJ85发动机,利用预冷器拓宽飞行包线,采用亚燃冲压发动机,最大限度以成熟技术务实开发。之前该公司已与NASA签订协议,针对高马赫推力性能分析、热管理、综合发电和客舱系统进行研究,所开发的技术方案可直接用于上述发动机。该公司用一个月时间建成高超声速发动机测试设施,并成功进行两次以上地面测试, 于2021年11月推出全尺寸原型机,按照与美国空军的约定,2022年底进行全尺寸原型机飞行测试,目前来看,应该会有所延迟,而且要达到Ma5的速度,还需时日以进行模态转换等关键技术攻关。

混合热效率核心机(HyTEC) 项目持续推进

为进一步提升涡扇发动机性能, NASA 于2020年公布了混合热效率核心机(HyTEC)研制项目,重点研究新一代涡扇发动机核心机所涉及的各种先进技术,以确保美国在发动机技术领域继续处于引领地位。HyTEC项目旨在为未来的单通道商用飞机研发高效的发动机,计划于2026年之前形成先进核心机验证机,验证高热效率、高功率密度的核心机技术,在保持涡扇发动机推力、效率、可操作性和耐久性情况下,燃油效率比当前提高5%~10%, 并实现高达20%的功率提取,为未来的混合动力飞机提供大量的电力供应。

图12 混合热效率核心机(HyTEC)项目:致力于开发“高功率密度”涡扇发动机核心机 ( 图片来源:普惠公司)

2021年10月, 普惠和GE 宣布获得了发动机核心机研制合同,该合同是NASA混合热效率核心机项目(HYTEC) 的一部分。两家公司将共同协助NASA完成以下工作:(1)先进的高压压气机:开发先进机匣处理,通过设计更小的部件和更紧密的间隙,使小型高压压气机在优化性能和效率的同时保持可操作性;(2) 先进的高压涡轮:通过改进冷却设计及空气动力学特性,开发先进的涡轮叶片,提升涡轮效率;(3)改进燃烧室材料:开发陶瓷基复合材料内衬,以提高燃烧室性能和耐久性;(4)改进高温涡轮材料:开发用于涡轮叶片的陶瓷基复合材料和环境障涂层,以提高涡轮的温度与效率。

NASA与这两家公司所进行的开发和测试仅仅是个开始。NASA预计将在2026年前安排小型核心机的地面演示。同时,NASA及其合作伙伴将为电推进演示样机和NASA 电动飞机试验台进一步开发组件,用以验证电动飞机的诸多优势。

增材制造技术广泛用于零部件制造

增材制造(3D 打印)作为引领制造业发展的新兴技术,融合传统加工和智能技术,在航空航天等高精尖应用领域得以不断创新。在航空发动机领域,增材制造技术主要用于生产加工发动机零部件,有着减轻零部件重量、节省昂贵金属材料、延长使用寿命和减低维护成本等优点。

作为航空发动机增材制造领域的重点项目,美国空军和GE联合开展的“探路者”(Pacer Edge)计划在2021年取得了新的里程碑。2021年6月,F110发动机油箱底壳盖成为第一种由金属3D 打印方式设计和生产的军用发动机零件,并获得了美国国防部的适航认定,实现该计划第一阶段重大里程碑;第二阶段则重点为TF34发动机生产已停产的油箱底壳盖。2021年12月,“探路者”计划进入第三阶段,将在俄克拉何马州的廷克空军基地建立一条金属3D打印供应链,解决现有供应链无法满足老旧飞机需求的问题,即部件需要超过300天才能采购的所谓“冷起动”(cold start)问题。据估计,美国空军每年有超过800台发动机“冷起动”。“探路者”计划目标是在2022年春季向美国空军交付适航的生产铸件。

图13:GE增材制造工厂为第三阶段打印的钴铬合金双臂曲轴和横轴臂(图片来源:GE公司)

此外,全球众多航发制造商均取得突出进展。西班牙ITP Aero公司使用3D 打印技术为罗罗第一台UltraFan演示验证发动机制造了尾轴承座(TBH)组件。俄罗斯国家技术集团增材技术中心(ATC)已启动PD-14 发动机部件的批量3D打印项目,到2024年预计将生产约2000个发动机燃油系统部件。普惠公司“鳄鱼工厂”将尝试完全使用3D打印的零件来制造TJ-150发动机。

总的来说,绿色航空已达成国际共识, 成为政府、航空公司、科研机构、监管部门等航空利益相关方共同关注的焦点。展望2022年,全球航空动力领域有望取得进一步突破,让我们拭目以待。


作者:田 涛 何 鹏 程文旺(中国航空工业发展研究中心)

编辑:郑秀梅 边 远

审核:彭 健

监制:王亚林

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