IHI新型飞机发动机：借助新材料实现更高燃效

添加时间：2013-10-10 11:43:29 来源：日经能源环境网

        日本飞机发动机主力厂商IHI公司正在推进新一代新型飞机发动机的开发。通过采用碳纤维复合材料及陶瓷复合材料等新材料，提高发动机的燃效。

　　最近数年，新型飞机相继登场，例如2011年投入航运的波音787，以及预定2015年试飞的日本首款国产客机MRJ等。日本飞机开发协会调查的结果显示，2011年全球飞机数量为18239架，到2031年估计会增加到36668架。IHI航空宇宙事业本部技术开发中心发动机技术部长今成邦之称：“航空运输市场正以5％的年率高速增长。”

　　飞机发动机的燃料消耗率在近50年里削减了约一半。预定2015年投入营运的空客320neo采用嵌入齿轮的齿轮传动涡扇发动机。出处：本图参考IHI的资料制成，照片由波音提供

　　开发新一代飞机的最大焦点就是改善燃效。因燃料费居高不下，改善燃效便成为首要课题。如果能够改善燃效，就可削减温室气体排放量，并减小对环境造成的负荷。

　　改善飞机的燃效大体有3个方法。分别是提高发动机性能、提高机身空气动力性能及减轻机身重量。

　　其中，IHI长期以来一直在从事提高发动机性能的研究。该公司从1980年代开始涉足飞机发动机开发，其参与的发动机国际共同开发项目有，1980年代的中型机空客320，1990年代的大型机波音777，2000年代的中大型机波音787。该公司2012年的销售额为1.05万亿日元，其中航空宇宙业务占3000亿日元。这30年也可以说是改善发动机燃效的30年。

　　“涵道比”是衡量发动机性能的指标之一。近年来，民用飞机的发动机通常采用“涡扇发动机”方式。这种发动机由风扇、压缩机、燃烧室、高压涡轮及低压涡轮构成。其工作原理是，旋转风扇吸入空气后，将之压缩至40个大气压左右，在燃烧室将该压缩空气与燃料一同燃烧，生成高温高压的燃烧气体，随后使燃烧气体通过涡轮，从排气口向后方喷射，利用其反作用，获得飞机的推力。 
       　利用风扇吸入的空气中，直接挤压到后方的空气与用于燃烧的空气的流量比称为“涵道比”，涵道比越大，发动机的推进效率越高，发动机的燃效就越好。

　　空客320的涵道比为5，而波音787提高到了10。向日本航空公司交付的波音787使用了美国通用电气公司生产的发动机“GEnx”，IHI参与了该发动机的开发，负责开发低压涡轮的旋转部分等。今成部长介绍道：“为了提高发动机性能，需加大风扇和低压涡轮，为了实现轻量化，需要制作出既轻又薄的涡轮旋转部件。本公司拥有满足这些要求所需的设计及制造技术经验，因此受到重视，得以加入了开发团队。”

　　开发新型齿轮传动涡扇发动机

　　目前IHI正在推进开发新型发动机“PW1100G-JM”，该发动机将用于预定2015年投入营运的空客320neo。由美国普惠公司、德国MTU航空发动机公司及IHI加盟的日本飞机发动机协会三方共同开发。

　　PW1100G-JM首次采用了“齿轮传动涡扇发动机”（GTF）这一新方式，力争实现高达12的涵道比。以往的涡扇发动机涵道比最高约为10。如果超过这一数值，就要加大风扇，增加涡轮级数，因此成本和重量也会增加，很难实现实用化。

　　注1）日本经济产业省委托研究成果

　　注2）日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的补贴项目成果 

       IHI为定于2015年投入营运的空客320neo的齿轮传动涡扇发动机，供应碳纤维复合材料制成的风扇外壳及风扇整流叶片，以实现轻量化。另外，通过在新一代发动机的低压涡轮上采用陶瓷复合材料（CMC），提高了其耐热性，进一步实现了轻量化。

　　齿轮传动涡扇发动机通过嵌入齿轮（变速箱），可在缓慢旋转风扇的同时，快速旋转涡轮。由此，就可在改善发动机燃效的同时，避免涡轮增大以及成本增加。今成部长充满期待地说：“齿轮传动涡扇发动机的涵道比最大可达到20左右，今后也有望应用于新一代发动机。”

　　IHI在风扇外壳和风扇叶片上采用了碳纤维复合材料（CFRP），实现了轻量化。在中型机的发动机上采用碳纤维复合材料在全球尚属首次。

　　IHI1980年代曾在空客320的发动机的几个部件中采用过碳纤维复合材料，积累了一定的技术实力。今成部长满怀喜悦地说：“这项技术在20年后结出了硕果。”从空客320到空客320neo，发动机的燃效改善了15％。

　　IHI正在进一步推进技术开发，要在新一代发动机的涡轮高温部位使用陶瓷复合材料（CMC）这种新材料。就是利用陶瓷复合材料制造低压涡轮叶片。今成部长表示，由于陶瓷复合材料的耐热性高达1300℃，而且重量较轻，因此“发动机的燃效可进一步提高10％。我们力争最早于2020年实现实用化”。可能用于空客320neo的后续机型，及最早会在2019年投放市场的波音777后续机型中。

　　通过采用这些新材料等，飞机的燃耗在近50年里削减了约一半。

　　2020年还将利用生物燃料

　　为了满足市场增长及燃料使用量增大的需求，IHI目前还在开发飞机专用生物燃料。与神户大学榎本平教授领导的研发小组及NeoMorgan研究所合作，共同设立了合资公司，目前正在采用榎本教授进行了品种改良的“榎本藻”，开发生物燃料。据称这是单位面积燃料产能最大的藻类。力争2020年实现商用化，2030年普及。现已利用水槽完成试产，将开始在数百平方米的水池中生产。