民用航空發(fā)動機(jī)潤滑油

2022年，國際民航市場持續(xù)復(fù)蘇勢頭，民用航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域也延續(xù)了近年來的高速發(fā)展態(tài)勢。以美國開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)、齒輪傳動發(fā)動機(jī)、英國超扇發(fā)動機(jī)和俄羅斯PD-8發(fā)動機(jī)為代表的各國新型發(fā)動機(jī)按計劃推進(jìn)研制，并取得重大進(jìn)展。本年度圍繞民航運輸業(yè)加速碳減排，世界多國政府和企業(yè)完成了很多實際工作。針對短期內(nèi)減排，多型飛機(jī)使用100%可持續(xù)航空燃料完成首飛測試并通過技術(shù)創(chuàng)新加速燃料的商業(yè)化進(jìn)程；針對中遠(yuǎn)期，英國政府發(fā)布?xì)鋭恿夹g(shù)路線圖，多國企業(yè)圍繞氫渦輪、氫燃料電池和混合電推進(jìn)系統(tǒng)開展大量研發(fā)與測試工作，民用航空發(fā)動機(jī)市場正在加速變革。

01

新型民用航空發(fā)動機(jī)研制穩(wěn)步推進(jìn)

2022年，多款新型民用航空發(fā)動機(jī)研制取得重要進(jìn)展。俄羅斯PD-8和PD-14發(fā)動機(jī)完成多項關(guān)鍵測試，正在開展相關(guān)試飛工作，英國超扇發(fā)動機(jī)首臺驗證機(jī)完成各系統(tǒng)組裝并開展地面測試。與此同時，普惠公司和CFM國際公司的下一代發(fā)動機(jī)也披露了更多細(xì)節(jié)，相關(guān)開發(fā)工作有序進(jìn)行。

俄羅斯民機(jī)渦扇發(fā)動機(jī)開展多項關(guān)鍵測試

PD-14發(fā)動機(jī)是俄羅斯自主研制的第一型民用渦扇發(fā)動機(jī)，用來配裝俄國產(chǎn)MC-21客機(jī)。10月，俄羅斯第二架配裝PD-14發(fā)動機(jī)的MC-21原型機(jī)成功首飛，該機(jī)在完成另外兩次試飛后抵達(dá)莫斯科附近的茹科夫斯基進(jìn)行試飛認(rèn)證，最終與12月29日取得型號設(shè)計更改認(rèn)證。隨著該發(fā)動機(jī)快速成熟和俄羅斯對國產(chǎn)替代需求的迅速提高，11月，俄羅斯國家技術(shù)集團(tuán)開始提高PD-14發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)和維修能力，計劃在土星發(fā)動機(jī)公司新建一座發(fā)動機(jī)生產(chǎn)大樓，主要負(fù)責(zé)低壓壓氣機(jī)部件生產(chǎn)組裝，以及高壓壓氣機(jī)靜子葉片的生產(chǎn)，到2030年達(dá)到每年160臺發(fā)動機(jī)產(chǎn)量。同時，土星發(fā)動機(jī)公司將大幅提升發(fā)動機(jī)維修保障能力，預(yù)計將維修能力提高到每年250臺。

PD-8發(fā)動機(jī)是俄羅斯為實現(xiàn)國產(chǎn)替代，配裝SSJ-New支線客機(jī)和別-200水陸兩棲飛機(jī)研發(fā)的8噸級渦扇發(fā)動機(jī)，沿用了部分PD-14發(fā)動機(jī)技術(shù)，預(yù)計列裝后的需求量為每年100臺。

2月，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機(jī)公司（UEC）為PD-8發(fā)動機(jī)開發(fā)了一套自動控制系統(tǒng)（ACS），可控制推力和燃油消耗量，計劃2023年完成鑒定并獲得許可后開始量產(chǎn)。該控制系統(tǒng)完全由國產(chǎn)材料和電子元件組裝而成。UEC于1月完成了該系統(tǒng)的微調(diào)和臺架測試，之后將集成到發(fā)動機(jī)上進(jìn)行地面臺架測試。同月，UEC成功進(jìn)行了PD-8發(fā)動機(jī)核心機(jī)的第一階段認(rèn)證測試，試驗設(shè)施由中央航空發(fā)動機(jī)研究所提供，測試在中央航空發(fā)動機(jī)研究院的試驗臺進(jìn)行，模擬了12千米高度上飛機(jī)發(fā)動機(jī)的典型工作條件，并確認(rèn)了此前計算的壓氣機(jī)熱力學(xué)模型。 3月，UEC成功測試了PD-8發(fā)動機(jī)短艙。5月，UEC完成PD-8發(fā)動機(jī)首臺樣機(jī)的臺架測試。測試數(shù)據(jù)表明，樣機(jī)設(shè)計方案正確，運行參數(shù)滿足設(shè)計要求。此次測試分多階段進(jìn)行，UEC首先完成了PD-8樣機(jī)自動控制系統(tǒng)調(diào)試，隨后采用低慢車平穩(wěn)啟動并多次運行PD-8樣機(jī)，記錄了從“慢車”到“全速”等各種模式的基本參數(shù)。在俄羅斯航空發(fā)動機(jī)開發(fā)流程中，首臺樣機(jī)臺架測試是最為重要的階段。整個階段使用了500個傳感器進(jìn)行參數(shù)測量，以此評估發(fā)動機(jī)運行時零部件的熱狀態(tài)、耐久性和抗振性。此外，測試團(tuán)隊還檢測了PD-8樣機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和燃油供給系統(tǒng)。深入分析采集的各種數(shù)據(jù)，有利于準(zhǔn)確評估主要部件、系統(tǒng)的可操作性。 12月，UEC在伊爾-76LL飛行試驗臺開展PD-8發(fā)動機(jī)飛行測試，測試將記錄發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等主要運行數(shù)據(jù)，以及其他能夠驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計和發(fā)動機(jī)運行安全所需的參數(shù)。測試發(fā)動機(jī)替換一臺原有的D-30KP發(fā)動機(jī)，安裝在機(jī)翼下方。之后，PD-8發(fā)動機(jī)將配裝SSJ-New飛機(jī)開展飛行測試。

羅羅公司超扇發(fā)動機(jī)完成總裝并開始首臺地面測試

超扇發(fā)動機(jī)是英國羅羅公司開發(fā)的一種齒輪傳動渦扇發(fā)動機(jī)，采用全新核心機(jī)、多種新材料和可變槳距風(fēng)扇，風(fēng)扇直徑達(dá)3.56米，與第一代遄達(dá)發(fā)動機(jī)（遄達(dá)700等）相比，燃油效率可提高25%。

超扇發(fā)動機(jī)的一個重大創(chuàng)新點是動力齒輪箱（PGB）的使用。

3月，羅羅公司完成超扇發(fā)動機(jī)的動力齒輪箱測試并將其發(fā)往英國進(jìn)行總裝。測試在德國達(dá)勒維茨工廠進(jìn)行，軸承部分采用了丹麥測試系統(tǒng)研發(fā)公司專為超扇發(fā)動機(jī)開發(fā)的軸承試驗臺，該試驗臺采用了緊湊、靈活和模塊化的設(shè)計，能夠模擬極端操作和環(huán)境條件，可快速安裝待測部件、支持高精度測量和快速組裝，傳動轉(zhuǎn)速可達(dá)5000轉(zhuǎn)/分以上，扭矩水平可達(dá)1500?！っ滓陨稀ａ槍S承特定位置，該試驗臺可借助傳感器獲取多達(dá)350個測量數(shù)據(jù)，包括接近度、負(fù)載（通過液壓系統(tǒng)施加）、傾斜度和溫度等，其收集的大量高精度數(shù)據(jù)可用于后續(xù)分析，有助于加快開發(fā)過程，并為羅羅公司新型動力齒輪箱研發(fā)的多個階段提供連續(xù)測試。

4月，羅羅公司開始首臺超扇發(fā)動機(jī)驗證機(jī)UF001的總裝工作并已經(jīng)完成了其零部件系統(tǒng)的組裝工作?？傃b工作分模塊進(jìn)行，采用全新的吊架用以吊裝驗證機(jī)各模塊，包括動力齒輪箱、風(fēng)扇、超大復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣、中壓壓氣機(jī)、中壓渦輪、高壓壓氣機(jī)以及壓氣機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)接口等，安裝系統(tǒng)直接延伸到發(fā)動機(jī)的核心機(jī)，以便更好地將發(fā)動機(jī)集成到飛機(jī)上，同時發(fā)動機(jī)也更便于運輸和維護(hù)。

12月，UF001驗證機(jī)完成總裝，運往英國德比準(zhǔn)備進(jìn)行首次地面測試。地面測試計劃使用100%可持續(xù)航空燃料，在羅羅公司的80號試車臺進(jìn)行。羅羅公司在UF001驗證機(jī)中安裝2800個傳感器用于此次測試，大部分用于熱量和葉片尖部數(shù)據(jù)的收集。同時開展測試的還有一臺位于德國的動力齒輪箱（編號DP211），該齒輪箱和集成到驗證機(jī)上的另一臺齒輪箱（編號DP214）測試時間稍微錯開，如果任何一臺在測試中發(fā)現(xiàn)問題，就讓另一臺重復(fù)此前測試過程，從而利用不同的測試系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并解決問題。

普惠公司下一代齒輪傳動發(fā)動機(jī)披露技術(shù)細(xì)節(jié)

7月，普惠公司披露了下一代齒輪傳動渦扇（GTF）發(fā)動機(jī)技術(shù)細(xì)節(jié)，并計劃于2025年開展驗證機(jī)測試，2030年前投入市場。

下一代GTF發(fā)動機(jī)比現(xiàn)有發(fā)動機(jī)燃油效率至少提高10%，其技術(shù)路線主要包括：①增大風(fēng)扇直徑以將涵道比提高至15；②采用效率更高的全動行星齒輪結(jié)構(gòu)以增大齒輪傳動比，最低達(dá)到4:1；③研究輕質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)，包括復(fù)合材料風(fēng)扇葉片及風(fēng)扇機(jī)匣，目前普惠公司GTF發(fā)動機(jī)采用的是鋁鈦材料風(fēng)扇，下一代設(shè)計將基于三維編織復(fù)合材料。

當(dāng)前，很多工作已經(jīng)在進(jìn)行中。普惠公司的重點工作之一是降低風(fēng)扇壓比，該項工作已經(jīng)在FAA“持續(xù)降低能耗、排放和噪聲”（CLEEN）項目的資助下完成了驗證。同時，普惠公司還在NASA的資助下，開展小型核心機(jī)項目的研究，重點是提高壓氣機(jī)的空氣動力學(xué)效率及密封性、提高渦輪的冷卻能力以及開展燃燒室改進(jìn)工作。普惠公司還依靠在加利福尼亞州的研發(fā)中心開發(fā)新型高溫陶瓷基復(fù)合材料與涂層。

此外，普惠公司還與德國MTU公司合作研究水增強(qiáng)渦扇（WET）發(fā)動機(jī)，以應(yīng)用在2035年下一代GTF發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型別上。該發(fā)動機(jī)細(xì)節(jié)于6月披露，核心是增加了一個冷凝器用來收集發(fā)動機(jī)廢氣中的水，增加了一個熱交換器將水蒸發(fā)成蒸汽，注入燃燒室以進(jìn)一步提高效率并減少燃燒過程中的氮氧化物排放。

CFM國際公司開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)研發(fā)持續(xù)推進(jìn)

2021年6月，CFM國際公司啟動了“可持續(xù)發(fā)動機(jī)革命創(chuàng)新”（RISE）項目，將進(jìn)行一系列顛覆性技術(shù)的開發(fā)以推進(jìn)其下一代航空發(fā)動機(jī)的研發(fā)，其核心是研究先進(jìn)開式轉(zhuǎn)子架構(gòu)從而將燃料消耗和二氧化碳排放量均降低20%以上。

2022年5月，法國賽峰集團(tuán)選擇美國ANSYS公司的仿真軟件承擔(dān)RISE項目的計算開發(fā)工作，主要是改進(jìn)發(fā)動機(jī)開放式風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計并對發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)仿真。ANSYS公司的開發(fā)工具具有很高的精確度和求解速度，可大幅縮短開發(fā)時間，顯著精簡仿真工作流程。

7月，空客公司確認(rèn)將和CFM國際公司開展合作，在2026年之后對開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)進(jìn)行飛行測試。飛行測試將選擇空客A380飛行臺，主要實現(xiàn)以下目標(biāo)：一是增強(qiáng)對發(fā)動機(jī)與飛機(jī)集成、空氣動力學(xué)性能和提高推進(jìn)系統(tǒng)效率等方面的研究；二是驗證開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的性能優(yōu)勢，如更高的燃油效率與碳減排能力；三是評估聲學(xué)模型，研究噪聲影響范圍；四是確保與100%可持續(xù)航空燃料兼容。在A380試飛前，CFM國際公司將進(jìn)行發(fā)動機(jī)地面試驗，并在GE航空的飛行測試運營中心開展前期驗證工作。

02

航空氫動力技術(shù)研究熱度增加

2022年，隨著世界各國在零碳航空理念上的進(jìn)一步達(dá)成共識，氫動力技術(shù)的發(fā)展在多方面提速。英國發(fā)布重磅報告，規(guī)劃了氫動力在近期至中遠(yuǎn)期的發(fā)展路線。同時，世界多國在氫渦輪、氫燃料電池和氫基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域取得了多項突破性進(jìn)展。

英國發(fā)布“零碳飛行”項目系列報告，聚焦氫動力技術(shù)發(fā)展路線

3月，英國航空航天技術(shù)研究所（ATI）在“零碳飛行”（FlyZero）項目研究成果中，得出了“采用綠色液態(tài)氫是大型商用飛機(jī)實現(xiàn)零碳排放的最有效途徑”的結(jié)論。

該成果給出了氫能航空可行性報告和13個技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展路線圖，包括氫燃料渦輪發(fā)動機(jī)及推進(jìn)器、氫燃料電池、電推進(jìn)系統(tǒng)、熱管理、低溫氫燃料系統(tǒng)和儲存、空氣動力學(xué)結(jié)構(gòu)等6項關(guān)鍵技術(shù)，以及飛機(jī)系統(tǒng)、機(jī)場/航線/空域、材料、全生命周期影響、可持續(xù)客艙設(shè)計、加速設(shè)計與驗證、制造等7項交叉技術(shù)。路線圖明確了2050年前各階段需要發(fā)展的技術(shù)內(nèi)容、技術(shù)指標(biāo)及相關(guān)使能要素。

ATI報告給出的氫渦輪發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)發(fā)展

氫渦輪發(fā)動機(jī)受到世界主要航空發(fā)動機(jī)公司重點關(guān)注

2月，普惠公司獲得美國能源部（DoE）高級研究計劃局（ARPA-E）380萬美元資金，用于“氫蒸汽噴射間冷渦輪發(fā)動機(jī)”（HySIITE）項目，該項目將為商業(yè)航空開發(fā)新型、高效的氫渦輪推進(jìn)技術(shù)，包括低溫液態(tài)氫與發(fā)動機(jī)燃料系統(tǒng)的集成技術(shù)、燃料噴射前預(yù)熱技術(shù)以及氮氧化物減排技術(shù)，計劃將氮氧化物的排放減少80%，并將下一代單通道客機(jī)的燃料消耗減少35%。項目將燃?xì)浒l(fā)動機(jī)與蒸汽注入-回收系統(tǒng)集成到一起，氫燃燒產(chǎn)生的水蒸氣被收集起來，并通過熱交換器形成冷凝水，一部分冷凝水蒸發(fā)，對進(jìn)入燃燒室之前的氫燃料進(jìn)行預(yù)熱，剩下的液態(tài)水進(jìn)入蒸發(fā)器。蒸發(fā)后的水蒸氣分為兩部分，一部分進(jìn)入燃燒室，另一部分進(jìn)入低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)之間的間冷器。該技術(shù)可以最大程度實現(xiàn)焓平衡，減少氮氧化物排放并提高推力。

HySIITE項目發(fā)動機(jī)工作過程

該項目前兩年的研究將側(cè)重于綜合系統(tǒng)評估、概念部件設(shè)計和部件可行性測試，主要關(guān)注幾個關(guān)鍵的使能技術(shù)，并研究與氫燃燒和蒸汽注入相關(guān)的復(fù)雜氣體動力學(xué)和燃燒穩(wěn)定性問題，同時重點關(guān)注蒸發(fā)器、冷凝器等部件的設(shè)計與集成。

2月，CFM國際公司與空客公司簽署協(xié)議，聯(lián)合開發(fā)氫渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)，并進(jìn)行地面和飛行測試。CFM國際公司負(fù)責(zé)改進(jìn)GE公司“護(hù)照”渦扇發(fā)動機(jī)的燃燒室、燃料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)以適合氫燃料燃燒。該發(fā)動機(jī)將安裝在飛行臺后部，以單獨對發(fā)動機(jī)的排放和凝結(jié)尾跡進(jìn)行監(jiān)測，同時避免其他發(fā)動機(jī)的干擾?？湛凸矩?fù)責(zé)改進(jìn)A380飛行臺，包括儲氫罐、燃料基礎(chǔ)設(shè)施和分配系統(tǒng)，并用高密度液態(tài)氫進(jìn)行前期測試。該飛行臺將整個氫測試系統(tǒng)設(shè)置為飛機(jī)上的一個獨立區(qū)域，不與任何其他系統(tǒng)進(jìn)行交互。 11月，羅羅公司聯(lián)合易捷航空公司成功進(jìn)行了氫燃料AE2100發(fā)動機(jī)的首次測試，此次測試是現(xiàn)役航空發(fā)動機(jī)首次成功在低速下運行氫燃料，達(dá)到重要里程碑節(jié)點。此次測試是雙方H2ZERO計劃的一部分，該計劃初期將在英國使用氫燃料對AE2100渦槳發(fā)動機(jī)進(jìn)行初步地面測試，后期將在美國使用氫燃料對龐巴迪“環(huán)球快車”5500和6500公務(wù)機(jī)的“珍珠”15渦扇發(fā)動機(jī)開展進(jìn)一步地面測試與飛行測試，其目標(biāo)是證明氫燃料可以在2035年左右為中小型飛機(jī)提供動力。

氫燃料電池在小型飛機(jī)上進(jìn)行多項測試以提高技術(shù)成熟度

目前，氫燃料電池存在能量密度低、使用壽命短和單體輸出功率低等問題，未來一段時間的核心發(fā)展趨勢是以提升電池各部分的技術(shù)成熟度為主。

4月，德國H2Fly公司的四座HY4氫電飛機(jī)實現(xiàn)首次商業(yè)飛行，飛行距離123千米，飛行高度2204米。HY4飛機(jī)采用雙機(jī)身設(shè)計，在改裝為液氫推進(jìn)之前，采用氣態(tài)氫燃料電池推進(jìn)。在HY4基礎(chǔ)上，公司將與德意志飛機(jī)公司共同開發(fā)氫電動版本的道尼爾328支線渦槳飛機(jī)，該項目獲得了德國政府3250萬美元的資助，預(yù)計2025年首飛。

11月，新加坡H3動力公司在一架小型無人駕駛飛機(jī)上測試了分布式氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)。該飛機(jī)采用分布式推進(jìn)系統(tǒng)，安裝在機(jī)翼下的模塊化短艙中，每個短艙包含儲氫裝置、燃料電池、電機(jī)和螺旋槳。短艙的尺寸和數(shù)量可擴(kuò)展，以支持無人駕駛和有人駕駛的貨運和客運飛機(jī)的推進(jìn)需求。該公司正在開發(fā)其下一代無人駕駛測試平臺，該平臺將具有六個獨立的推進(jìn)短艙和快速加氫能力。

12月，美國ZeroAvia公司獲得英國民用航空管理局的飛行許可證，將于2023年首飛氫燃料電池原型機(jī)ZA600。該原型機(jī)針對道尼爾228飛機(jī)需求為原型，將后者機(jī)翼左側(cè)的TPE331發(fā)動機(jī)更換為600千瓦的氫電動力原型機(jī)，該原型機(jī)由英國政府的HyFlyer II項目資助開發(fā)，系統(tǒng)還包括氫燃料電池、冷卻系統(tǒng)、氣態(tài)氫儲罐以及備用電池，均安裝在后機(jī)身內(nèi)。

基礎(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展支撐航空氫動力向前推進(jìn)

4月，德國宇航中心（DLR）成功開發(fā)出氫燃燒特種測量技術(shù)，并在高壓燃燒室試驗臺的真實環(huán)境中完成了測試。該技術(shù)核心是一種可以觀察到燃燒室內(nèi)部的光學(xué)探針，通過該探針，可以觀察到燃燒室內(nèi)的氫火焰結(jié)構(gòu)，從而為工業(yè)部門提供更多基礎(chǔ)信息，加快氫燃燒室的部件設(shè)計進(jìn)程。

同月，日本多家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)出一系列氫氣液化所需的磁冷卻合金。該系列合金基于Er（Ho）Co2材料，通過添加不同類型和數(shù)量的3D過渡金屬元素，可生產(chǎn)出一系列化合物，能抵抗因反復(fù)施加磁場和溫度波動而引起的劣化。該系列合金可以組合使用，將氫氣從77K冷卻到20K，用于開發(fā)低成本、小尺寸的高性能磁制冷系統(tǒng)。 9月，歐洲在Overleaf項目下加速高性能液氫儲罐的開發(fā)工作，該項目由“歐洲地平線”計劃資助，參與者來自6個歐洲國家共10家企業(yè)。該液氫儲罐與現(xiàn)有原型機(jī)相比，將實現(xiàn)減重50%，其核心技術(shù)包括新型功能材料、高性能材料、隔熱材料和氫氣泄漏傳感器等。

同月，歐盟“潔凈天空2”計劃研制出一種新型氫燃燒室LEAF。該燃燒室以傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室為基礎(chǔ)并進(jìn)行重新設(shè)計，采用無焰氧化技術(shù)，借助高溫燃燒產(chǎn)物使空氣和燃料充分混合，顯著減少氮氧化物和煙塵的排放。項目團(tuán)隊的初步測試顯示，LEAF燃燒室的NOx排放大幅減少，符合排放限制。接下來的實驗將進(jìn)一步驗證燃燒室在大氣、實驗室條件下以及在更接近航空發(fā)動機(jī)實際運行條件下的氮氧化物減排性能。

編輯：黃飛

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