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帖子主题:中国CJ1000能否取代进口航发上C919 共 3659 个阅读者 
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中国CJ1000能否取代进口航发上C919

中国CJ1000能否取代进口航发上C919搭载于伊尔-76发动机试车台上的涡扇-20(左翼内侧发动机),该发动机性能基本相当于CFM在上世纪90年代初为空客A320开发的CFM56-5B系列
国产大型运输机运-20正在稳定量产交付部队,其备受期盼的首款特种机改型也在近期完成重大节点。而很多人关注的,运-20下一阶段计划使用的首款国产大涵道比涡扇发动机——涡扇-20,虽然目前还只有网上的一些模糊图片,但距离在运-20上的实机测试也不远了。说起来,涡扇-20的大概模样,其实早在2009年就为人所知了。不过当时它是以SF-A(“商发”-A)的名义亮相上海国际工业博览会,而SF-A本身就是在涡扇-20的基础上改动反推力装置等一些细节。实际上,由于当时商发的技术队伍刚刚组建,所以在这次展示中商发展出的SF-A全尺寸模型,其实就是把涡扇-20的模型请来摆着,此举更多是为了展示中国发展民用大飞机发动机的决心。中国CJ1000能否取代进口航发上C919当时参展的“SF-A”全尺寸模型(右)直到8年后的2017年12月25日,真正的首台国产民用大飞机发动机验证机CJ-1000AX(X就代表验证)整机在上海完成装配并公开亮相。这标志着历经多年发展,商发终于建立起了我国首个民用大涵道比涡扇发动机整机验证平台,为后续研制工作奠定坚实基础。承载万千期待的这台国产大发,究竟水平如何?是不是真正的“中国心”?为了解答这些疑问,一位业内老友特意为本公众号撰写此文解答疑惑。虽然文中包含一些较复杂的技术词汇,但这篇在技术分析中带有亲身体验的文字,值此春节假期即将到来之际,仍然值得大家收藏品读。
中国CJ1000能否取代进口航发上C919装配下线的首台CJ1000AX作为由中国人自主研制的首款民用涡扇发动机,CJ1000A能达到什么样的技术水平是一个很受关注的话题,笔者将基于公开的信息进行详细分析。由于商飞已经选定了CFM国际公司的LEAP-1C型发动机作为C919现阶段的动力,并计划引进LEAP系列发动机的组装线在国内生产;因而选取LEAP-1C这款典型的第四代大涵道比涡轮风扇发动机作为参照,对比分析CJ1000A是否达到国际上第四代大涵道比涡扇发动机的水平,是非常有参考性的。中国CJ1000能否取代进口航发上C919交付C919的首台LEAP-1C
(注:目前LEAP系列发动机有三种型号,即空客A320neo使用的LEAP-1A,波音737MAX-9使用的LEAP-1B和中国商飞C919使用的LEAP-1C,由于三款发动机在结构上有一定的差别,为方便对比,本文只选取LEAP-1C来分析)(一)旗鼓相当的总体构型CJ1000A为双转子大涵道比直驱涡扇发动机,涵道比约为9,推力约113~127kN,由1级风扇、3级增压级、10级高压压气机、燃烧室、2级高压涡轮及7级低压涡轮组成。采用全三维气动设计、贫油预混燃烧、主动间隙控制等先进技术,以及宽弦空心风扇叶片、整体叶盘、新一代单晶、粉末冶金等先进材料工艺。中国CJ1000能否取代进口航发上C919LEAP-1C发动机同样为双转子大涵道比直驱涡扇发动机,涵道比约为11,推力约为20000~30000磅(89~134kN),同样由1级风扇、3级增压级、10级高压压气机、燃烧室、2级高压涡轮及7级低压涡轮组成。整机采用了包括超高压比核心机、三维编织树脂模传递成型复合材料风扇叶片、复合材料风扇机匣、第三代三维气动设计压气机和涡轮叶片设计技术、第二代双环预混旋流器(TAPS II)燃烧室技术、可变面积外涵喷管和先进材料等在内的先进技术。
两者在总体构型上都是四代大涵道比涡扇发动机的标准水平,技术应用粗看下来也是你有张良计我有过墙梯,还得接着细看。中国CJ1000能否取代进口航发上C919(二)一样多的叶片一样多的级数,到底差在哪里?CJ1000A的风扇直径约为1.95m,叶片数量为18片,采用小展弦比三维宽弦空心叶片,叶片材料为TC4钛合金,内部采用“瓦伦”空心结构,超塑成形(SPF)/扩散连接(DB)工艺,风扇机匣采用硬壁包容设计,低压压气机为3级。LEAP系列发动机的风扇叶片直径为78英寸(约为1.98m),叶片数量为18片,低压压气机为3级。这里重点提一下LEAP采用的先进三维编织树脂模型传递成型(Three-dimensional Woven Resin Model Transfer Molding,简称3-D WRTM)的风扇叶片。这种风扇叶片是三维碳纤维编织物,碳纤维并不是简单层叠在一起,而是采用三维技术编织形成网状结构,使其更加坚固,然后注入树脂并在高压容器内固化,不仅重量轻,耐久性好,抗外物打伤能力强、抗振动性能好,而且容易形成复杂型面的叶片。
总之,CJ1000和LEAP的风扇都采用三维宽弦弯掠叶片,这种叶片的外形采用三元流设计,即叶片中上部后掠,叶尖前掠;越靠近叶尖部分,叶片的弯掠程度越大,大大降低了风扇叶片的流动损失,气动效率高。从气动性能上看,宽弦叶片可以增大风扇稠度,降低叶片的负荷,从而使工作切线速度得以降低,也就降低了风扇进口的相对马赫数;宽弦叶片的流通能力更强,风扇流量也会增大。从叶片尺寸来看,虽然CJ1000A的风扇直径较小(1.95m<1.98m),导致涵道比略小,这可能会使得CJ1000A在同等推力下的耗油率更大、或者同等耗油率下推力较低;但这可以通过叶片的设计去部分弥补,并不是决定性的影响因素。然而CJ1000A的风扇叶片采用传统的钛合金金属材料,类似国际上第三代大涵道比涡扇如Trent800/900的风扇材料水平,没有像LEAP那样采用先进的复合材料。这会导致CJ1000A的风扇叶片重量更大,发动机工作时产生的离心力更大,因此轮盘承受的载荷也更大,所以轮盘需要加强,使得轮盘重量也更大,影响了发动机总体设计。所以尽管两者的风扇与低压压气机在气动效率上基本处于同一水平,均达到了第四代大发的性能指标。但在材料应用上,CJ1000A距离LEAP有明显差距,仅相当于国际第三代大发的风扇材料水平。(三)差距只在毫厘的核心机设计
核心机又叫燃气发生器,是航空涡轮发动机最核心的部分,包括高压压气机,燃烧室和高压涡轮三部分。核心机的性能指标决定着发动机的整体性能,因此欧美航发巨头非常重视核心机的研发。国外普遍采用先集中力量研制一型采用高循环参数、高技术水平的高性能核心机,然后在保持该核心机基本几何参数不变的条件下,通过改变风扇或低压压气机的级数和直径、涡轮的冷却和材料等来改变发动机的主要循环参数,如增压比、涵道比、空气流量、涡轮前燃气温度等,衍生出不同种类发动机。此外,在成熟的核心机基础上,按照相似理论放大、缩小,可以将核心机尺寸加大或缩小,以改变发动机的推力或功率大小,从而获得不同性能和用途的发动机。这种派生发展系列化的方法风险小,零件通用性好,有利于降低设计、生产成本和维修费用。事实证明,这是一种非常高效且合理的航空发动机研发道路。CJ1000A的核心机是第一台国内自主正向研发、且性能达到国际第四代民用涡扇发动机标准的高性能核心机,由10级高压压气机、2级高压涡轮和单腔环形燃烧室(Single Annular Combustor,简称SAC)构成,在研发之初不仅瞄准了高性能指标,更考虑到了日益严格的环保标准,这也是民用发动机相较于军用发动机的一大不同。LEAP发动机的核心机则源于CFM国际公司的两项大飞机发动机技术研究计划:TECH5计划和LEAP计划。这两项计划是CFM国际公司为保持其在世界商用发动机市场上的领先地位而进行预研计划,因此采用了许多行业内领先的创新性技术。LEAP的核心机包括10级特高增压比的高压压气机、2级高压涡轮以及采用贫油燃烧与低污染技术的双环预混旋流(Twin Annular Premixing Swirler,简称TAPS)燃烧室。由于两者均为2级高压涡轮驱动10级高压压气机,因此有一种说法认为CJ1000A的核心机是LEAP的核心机的国内仿制版本。毕竟当年国内曾经仿制过民航系统的CFM56发动机的核心机来发展自己的第三代涡扇发动机,并由此衍生出FWS-10、FWS-20以及QC185等型号的发动机,给人留下了中国航空发动机只会仿制的印象。
那么在研发第四代涡扇发动机时,国内会不会重走仿制的老路?下面分别从核心机的三大部件——高压压气机、燃烧室和高压涡轮的结构来进行分析。(1)高压压气机中国CJ1000能否取代进口航发上C919CJ1000A的高压压气机CJ1000A采用10级高压压气机,通过三维气动设计压气机叶片,提高了压气机的效率,平均级压比可达1.36,增压比在21-22之间。第1~4级转子为整体叶盘设计,降低高压压气机重量。由久负盛名的MTU提供的这组压气机,其数据上虽然比LEAP稍稍逊色一点,但也完全可以称之为同等级产品。LEAP的核心机由CFM国际公司的eCore计划发展而来,这一计划是集GE90、GP7200和GEnx等著名的发动机的使用经验,再加上CFM国际公司自己的TECH56计划的先进技术发展而来的,因此LEAP的高效高压压气机设计非常先进。其压气机级数同为10级,也采用三维气动设计叶片,增压比达到22,这一数据比上一代发动机高了近50%,由此可以看出eCore计划的巨大成功。
(2)燃烧室中国CJ1000能否取代进口航发上C919CJ1000A采用的单环腔燃烧室CJ1000A采用中心分级的贫油预混预蒸发(LPP)组织燃烧模式的单环腔燃烧室(Single Annular Combustor ,简称SAC),短环形单腔火焰筒采用浮壁式设计以提高火焰筒寿命,根据试验,氮氧化物等污染物排放比国际民航组织(ICAO)发布的民用飞机排放标准(CAEP-6标准)规定的排放值降低50%,和目前航线上主流机型的排放水平大体相当。LEAP的燃烧室为第二代双环预混旋流(Twin Annular Premixing Swirler,简称TAPS)燃烧室。TAPS燃烧室燃油喷嘴的主燃级燃油喷射采用的是气动雾化式,其通过主混合器空气旋流器的高压空气气流与主燃级燃油的射流相垂直,目的是使主燃级燃油的雾化更充分,混合度更高其进入燃烧室燃烧可在燃烧室内形成稳定的主燃级燃烧回流区,由于燃油预先与空气混合后喷入燃烧区进行燃烧,燃烧区也处于贫油状态,因此TAPS燃烧室的燃烧分区更合理,可实现发动机全工况的贫油燃烧,以实现降低污染物排放的目的。(3)高压涡轮
CJ1000A采用2级气冷高压涡轮。高压涡轮叶片为无叶冠空心设计,采用成熟高效的复合冷却结构,带有气膜冷却孔,可通过引气管从压气机和外涵气流中引入冷却气流,对涡轮转子进行冷却。高压涡轮机匣则采用带主动间隙热控制的结构。相对来说,CJ1000A的高压涡轮设计在满足效能和重量指标的前提下,技术应用还是较为保守的。LEAP发动机的高压涡轮采用了低刚性高载荷设计,单级高压涡轮的设计压比是16。其空心叶片除了应用先进涡轮叶型材料(ATAMS)之外,还应用了经过验证的涡轮导向器新结构,新的气动设计技术和减震叶片,使得LEAP发动机的高压涡轮的效率和耐久性大幅提高,而重量明显降低。总结一下,CJ1000A和LEAP的核心机均非常先进,高压压气机均为10级,压比均在21~22,高压涡轮均为2级,均是典型的第四代民用涡扇发动机的超高压比核心机。相比之前诸如CFM56或V2500等三代民用涡扇发动机的核心机,压比几乎提高一倍,结构更紧凑,重量也更轻。但两者的燃烧室差别很大,CJ1000A的燃烧室为单环腔燃烧室(SAC),LEAP的为双环预混环流(TAPS)燃烧室,关于TAPS燃烧室和SAC两种燃烧室结构的区别和优劣,根据国内相关研究,结论如下:TAPS燃烧室的出口总压恢复系数和燃烧效率比SAC高,出口温度分布系数(OTDF)明显比SAC低,即燃烧室出口温度分布更均匀,涡轮的冷却效率更高;慢车状态下的碳氧化物排放水平比SAC略高,设计状态下的氮氧化物排放水平比SAC低,即排放标准更高。因此,虽然CJ1000A和LEAP的两种不同类型的燃烧室均能满足各自的性能要求、且均符合现阶段CAEP-6的排放标准,但LEAP采用的第二代中心分级双腔预混旋流燃烧室(TAPS)有着十分明显的技术优势,是一种更先进、更环保、发展前景也更好的高温升、低污染燃烧室,国内应该尽快突破相关技术。总之从上述分析可以看出,CJ1000A和LEAP的核心机区别还是较为明显的,至于在高压级数、压比等数据上的相似性,除了作为计划装备同型客机的发动机,难免存在技术参考的情况之外;主要原因还在于CJ1000A和LEAP均属于同一推力级别的发动机,在同一代技术水平下,结构设计自然具有趋同性。
(四)依旧遭遇材料短板的低压涡轮CJ1000A采用7级中等负荷低压涡轮,低压涡轮叶片采用实心带冠精铸叶片,叶型为高升力叶型,以减少叶片数目、降低低压涡轮重量,低压涡轮机匣为整体机匣。LEAP1C的低压涡轮也为7级,低压涡轮叶片均采用新一代三维气动设计,工作叶片采用先进的耐高温、质量轻的钛铝金属间化合物材料,导向器叶片的材料为陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,简称CMC)。低压叶片的设计相对掣肘较少,使得CJ1000A和LEAP的低压涡轮在气动性能上基本处于同一水平,而最明显的差距仍然在材料上。LEAP已经确定采用陶瓷基复合材料,其质量仅为传统材料的一半甚至更轻,但可以耐1200℃以上的高温,并且不需要冷却,易于加工。从已经公开的信息看,CJ1000A的低压涡轮材料应该还是传统的高温合金材料,这对于低压涡轮的重量控制较为不利。一个弱化版LEAP,究竟能给中国航发产业带来什么?感谢读者们能看完这些枯燥的技术细节。总结一下吧,CJ1000A基本是一个全面弱化一点的LEAP1C,在主要性能指标如推力、耗油等方面还能做到基本接近,但在重量、环保等方面就有些力有不逮了。
即使将两者看做一个等级的型号,考虑到LEAP系列发动机已经投入商业运营一年半,而这第一台CJ1000A的后面还得有个X,从技术上来说,确实还是“同志仍需努力”。等到完成漫长的适航工作后,届时面对欧美新一代发动机的它,市场竞争力就更。。。。。。然而,有的事情就是明知眼下赚不到钱也得去做的,不做以后永远不会成功。笔者认为,即使它以后注定只能在C919原型机上积累数据,争取国内外的民航适航证,CJ1000A的意义也并不局限于为后继型号打基础,以及在购买国外发动机时发挥“压价”之类的用途;如果它能够走完研制定型全流程,还将大大提高整个中国航发产业链的技术水平和管理水平。中国目前在航空发动机上的技术实力,总体相当于欧美航发巨头上世纪90年代的水平,由于后发优势,部分生产设备甚至超过欧美航发企业部分工厂,但投产的几型发动机却仍达不到欧美国家上世纪90年代产品的指标。比如FWZ-8系列涡轮轴发动机,是国内引进法国阿赫耶发动机全套技术资料生产的国内型号。虽然按照同样的技术规程和工艺文件,但是国内生产的FWZ-8系列发动机在寿命和可靠性上却一直比不上法国原版产品。著名的FWS-10“太行”发动机,虽然使用的核心机与美国通用电气的F110系出同门,且设计定型后又经过近十年的成熟完善,如今虽然在推力和油耗等指标上达到了美国90年代生产的F110的水平,但在平均无故障间隔、首次翻修寿命和整机寿命等方面依然不到F110的一半。而传说多年的“四代大推”,纸面性能指标堪比国外同类产品,但却迟迟解决不了可靠性方面的问题,至今还在试验台上……
导致这种有技术实力、却没有对应水平产品的主要原因,就在于国内航空发动机整个产业链从上游主机厂/所到下游各附件厂的管理水平差距太大。一个产业要成熟发达,仅仅有实验室的技术和产品是远远不够的,必须要由能够投入标准化的工业大生产体系,批量生产出合格的产品才行。后者恰恰是中国航发乃至整个航空工业所缺乏的。虽然很多航发制造厂可以按照外商的技术规范和工艺要求生产出合格的零部件,但把上千万个零部件整合到一起、还能够达到设计指标就不是一件容易的事。可以说我国航发产业在整机设计系统集成,标准化生产质量控制,供应链管理等诸多方面距离欧美航发巨头差距仍然很大。所以说CJ1000A这样一款技术指标先进,对部件质量要求很高,节点限制上又相对宽松、资金也较为充沛的民机发动机,恰好是中国航发产业整合力量的良好契机。而对待CJ1000A中的外国元素,在民机系统国际化合作已成惯例的今天,更要以开放的心态去面对。这可是我国第一款民用大推,能借着C919带来的高技术起点和国际合作便利,多学点技术何乐不为?我国航发产业不缺乏理论能力和工程技术,但却严重缺乏民用航空发动机的研发经验,而且随着现代军用和民用发动机技术路线差异越来越大,前者的经验也越来越难以反哺后者了。打个比方,好比一家餐厅,手上有足够的食材和厨具,也有足够的高水平厨师,但是长期只会做中餐,虽然偶尔也帮隔壁的西餐厅加工一些半成品,但从来没有完整做过一次西餐的经验。所以即使中餐已经小有名气,一提做西餐那也只能是摇头。现在由于爱吃西餐的人多了,餐厅决定开一家分店主营西餐,那一开始肯定要请专业的西餐厨师和服务人员来手把手地教。不过由于自身什么都不缺,厨师又勤奋好学,所以很快就可以做出一桌标准的西餐。
只要跨过这一步,后面便会越来越熟练,菜品质量和服务质量也会越来约高,最后甚至可以和正宗的老牌西餐厅相媲美。到那时,这家餐厅的中餐和西餐业务都会齐头并进。
延伸阅读: 失速 血尸 沙特国王
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      2018/2/13 11:37:09

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      7楼 qq_128Y77OB
      所以c919不太可能卖的出去,只能国内销售,到时候在波音空客打压下(估计会降价了吧)会买的只能是国有控股的企业了吧。。。。
      这个未必了,919设计上有自己的特点。
      919虽然使用了同等级客机中最大的机体截面,同时复合材料使用量不大,导致机体结构重量、阻力都是略大的,但是同时也换取了一个优势。
      那就是919的客舱下部货仓宽度是最大的,完全可以并排放两排标准航空集装箱,适合客货混运,这方面最不利的是737,较窄的机体下部货仓只能放一排航空集装箱。由于目前民航客机基本不可能满座,很多情况下都只有60%左右上座率,所以都是有很大的富裕运力可以用于货运的,而航空货运目前在全世界发展势头非常迅猛,甚至很多公司订购全新的飞机用于货运,而适合货运的二手757、767甚至一机难求,有多少抢多少。从航空公司角度看,航空货运平均每公斤重量每公里收费比客运高50%!所以他们并不介意少装人多装货,这更赚钱。919的另一个竞争对手是A320,貌似迄今为止并没有改装为专用货机的,具体原因不明,据说是机体结构不适合改装,但是我没拿到明确的证据证明确有其事。但是无论怎么说,919货运空间较大,对于航空公司来说使用较为灵活,未必不能有更好的利润空间,所以还是有不错的前景的,只要自身质量确实可靠。同时,传统上737的优势是油耗低,320的优势是驾驶员培训和空客其他飞机接近,节约飞行员培训、转机型时间和费用,且维护空客系列有很大共通性。而919的驾驶舱和空客非常类似,也许可以实现和空客类似甚至共通的特点。
      2018/2/28 14:15:23
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      所以c919不太可能卖的出去,只能国内销售,到时候在波音空客打压下(估计会降价了吧)会买的只能是国有控股的企业了吧。。。。
      2018/2/26 21:23:08
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      取代不了,CJ1000实际就是 LEAP-1的缩水版,降低了涵道比和技术水平而成。919本身就采用了窄体支线中最粗的机体直径,必须依靠油耗更低的发动机来扯平,如果换用CJ1000只能是经济性更差了。
      只能说这玩意是打着民用名义弄的备胎,实际可能另有用途。
      2018/2/26 17:11:27
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      希望国产航发真的能够完完全全的从头走一遍,即便还有很多不足,但是我们可以逐步解决,无论如何,也不希望看到再次半途而废
      2018/2/26 16:51:04
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      急什么,科研最忌太性急,除非大任务,科研领导一般是给有才能的下属减压。对于不够努力的下属,才采取加压的方式。
      2018/2/17 22:49:43
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      未明真相,不敢置评。
      2018/2/15 23:45:04
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      唯一的希望,希望中国的大飞机能用上真正国产的大推力、高可靠、性能先进的涡扇发动机。
      2018/2/13 16:21:15
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