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Ultra Fan 超級風扇 世界上最大的渦扇發動機 推力超過50噸 2024年7月 通用電器航空航天發佈消息表示 第一臺量產版的GE9X發動機 已經離開測試工廠並交付波音 GE9X發動機 郭力軍之前也聊過 世界上推力最大的渦扇發動機 但是就體型而言 GE9X發動機並不是最大的 超扇纔是 俄羅斯公司計劃憑藉超扇發動機 在保持寬體客機領域優勢的同時 進軍窄體客機 把自己曾經丟掉的東西再拿回來 2022年末 羅羅公司研製的超扇發動機 完成樣機制造 2023年5月 Ultra Fan發動機完成第一階段的測試工作 測試工作在英國德比的 室內實驗室Testbed 80完成 這是世界最大的航空發動機試驗平臺 Ultra Fan發動機的試驗工作 使用了100%可持續航空燃料 演示器累計運行了大約70小時 這是羅羅公司54年來 首次成功測試全新架構發動機 就性能而言 相比較上一代全球最經濟的發動機 Troida XWB 超扇發動機的燃油效率 進一步提升10% 按照羅羅公司的說法 未來可以爲航空公司 節省數十億美元的燃油費用 除了節省資金 超扇發動機還將減少航空公司的碳足跡 也幾乎消除了顆粒排放 減少了約40%的碳氧化物排放 不過超扇最引人注目的就是體型 其風扇直徑達到了140英寸 而通用電器的G9X 風扇直徑只有134英寸 這就有一個問題了 羅羅公司爲什麼要造一臺這麼大的發動機 飛機發動機是不是越大越好 對於亞音速科技而言 發動機的確是越大越好 只要飛機的個頭足夠大 發動機在機翼下不會碰到地面 就不會有其他問題 更大的發動機也就意味着 寒道比更大更省油 就比如超扇發動機 寒道比達到了15比1 相比之下通用電器的G90 寒道比只有9比1 在窄體客機上常用的發動機 比如波音737 空客A320 用的都是LEAP系列發動機 寒道比爲11比1 發動機的寒道比 就是外寒道與內寒道空氣流量的比值 外寒道的空氣不進入燃燒室 而是與內寒道流出的燃氣箱混合後排出 內寒道的空氣進入燃燒室與燃料混合 寒道比越大 進入內寒道的空氣流量也就越小 當然空氣無論是走外面還是走裏面 都只能產生推力 只是效率不同而已 通過外寒道的空氣 速度只會稍微增加一點 而內寒道的空氣 就是把空氣增加到很大速度 然後再噴出去 對於軍用飛機使用的渦扇發動機而言 由於需要超音速飛行 寒道比較小 效果更接近渦噴 而對於超扇這種商用大寒道比渦扇發動機 速度並不重要 燃油效率纔是重點 就渦扇發動機的原理來看 其主要是由最前面的風扇推動空氣產生推力 燃燒室排出的燃氣不會產生太大的推力 燃氣的主要作用是推動裏面的渦輪帶動風扇 就比如超扇 發動機抽的空氣只有6.3% 進入燃燒室參與燃燒 剩下的93.7% 只是經過最前面的大風扇後就排出去了 速度不快但量大 這部分纔是渦扇發動機推力的主力 這點也是軍用渦扇發動機 與商用渦扇發動機最大的區別 軍用渦扇追求性能和減重減化結構 渦扇部分一般是一級高壓 再加一到二級低壓渦輪 這就導致內寒道里那些溫度高 速度快的氣體很快就被噴出去 雖說推力更大 但是也損失了一部分能量 相比之下商用渦扇發動機的結構更復雜 就比如羅洛公司的揣達900 屬於三轉子結構 1加1加5的配置 通用電器的GE90爲雙轉子渦扇發動機 2加6的配置 通過高低壓渦輪層層吸收燃氣能量 降低最終排氣的溫度 使燃油燃燒釋放的能量 更多的被轉化爲發動機推力 就以上這種情況來看 商用渦扇發動機的體型與推力是成正比的 體型越大推動的空氣越多 發動機的推力也就更大 此外寒道比越大也就意味着更省油 這也是民航客機永恆的追求 爲了讓飛機更省油 工程師的奮鬥方向主要有三個 最簡單直接的就是減輕飛機的重量 飛機的主要材料 從鈦合金進化爲碳纖維負荷材料 第二個方法就是優化飛機的外形 比如飛機的機翼出現了各種變形 比如超臨界機翼 第三個方法就是改善動力 從根本上實現省油的目的 這就導致客機的發動機越來越胖 寒道比越來越大 這三個方案放在發動機身上也是一樣的 在超扇發動機上 羅洛公司採用了很多新技術和新材料 從體型來看 超扇是世界上最大的臥扇發動機 爲了避免超重的問題 風扇葉片採用碳纖維材料 葉片前緣加裝鈦合金 發動機本體大量採用負荷材料 這一系列操作之後 可以使每架飛機減680公斤 相當於多載7名乘客而不增加成本 在結構上超扇也很有特點 羅洛公司之前的瑞達系列屬於三軸架構 而超扇只有高壓低壓軸雙軸 驅動這個大風扇的就是發動機的低壓軸 加一個減速齒輪箱 跟小汽車的變速箱功能一樣 此外超扇發動機風扇葉片 也與其他臥扇發動機不一樣 一般的臥扇發動機 風扇葉片的公角都是固定的 而超扇發動機的葉片可以改變公角 這種設計在臥槳發動機中比較常見 葉片的公角可以變化 也就意味着飛機可以適應 不同的飛行條件和需求 以提供最佳的推力和效率 而且理論上來講 超扇發動機可以省去反推結構 用螺旋槳一樣的原理 靠風扇的反槳來實現反推 飛機的反推裝置 其實就是在發動機屁股上加上一個擋板 結構有很多種 格架式外含道擋板等等 但原理都一樣 讓發動機的氣往前噴 從而降低飛行速度 超扇發動機這種改變公角的設計 可以去掉反推裝置 從而減輕發動機的重量 並進一步降低噪音 此外超扇發動機的齒輪傳動技術 也相當有意思 之前普惠公司已經將該技術應用在寬體科技上 現在的民用臥扇發動機 主要使用後方臥輪 通過一根傳動軸來帶動風扇 風扇在爲飛機提供主要推力 臥輪的轉速越高 提供的能量越多 但是對於風扇來說 轉太快了反而不太好 需要增大尺寸的同時控制轉速 以降低夜間速度和夜更載荷 只是如果想要提升發動機的性能 臥輪必須轉得更快 前方的大風扇就要更大更慢 二者通過傳動軸剛性連接 需求互相矛盾 所以在設計時只能折中 這就導致臥輪與風扇都不能在最佳狀態工作 這個問題也不是沒有解決辦法 既然連在一起不方便 分開就行了 在二者之間加一個齒輪組 如此一來就能實現速度上的不同步 採用齒輪傳動技術之後 臥輪可以在更經濟的轉速下工作 確保功率和油耗處於最佳水平 油耗可以降低20% 突破了剛性連接的束縛 發動機的臥扇葉片也能放飛自我 葉片可以更大 轉速也可以降低 不僅可以提高發動機的寒道比 還能減少70%的可感噪音 這種設計其實很常見 大家日常也都接觸過 也就是汽車的變速箱 汽車上用了這麼多年的變速器設計 工程師不會想不到 之所以無法用在航空發動機上 主要因爲材料與可靠性 超扇發動機最大的製造難點就是齒輪減速箱 超扇的齒輪減速箱直徑在一米左右 重量數十公斤 但是要傳遞10兆瓦的功率 並且在惡劣環境之中 仍然能夠長時間穩定可靠的工作 這樣對於齒輪的設計 材料和加工 冷卻要求極高 其中散熱是最難的 機構傳動無法做到能量百分百的傳遞 其中一部分會轉爲熱量 而羅羅公司要求超扇的發動機推力要達到50噸以上 這也就意味着齒輪箱需要傳遞50兆瓦的功率 即便傳動效率超過99% 也會有500千瓦以上的功率轉化爲熱量 如果沒有高效的散熱系統 齒輪箱很快就會出現問題 就目前來看 羅羅公司應該已經初步解決了這個問題 在推力方面 超扇發動機雖然與GE9X屬於一個量級 但實際上還是有一定的差距 GE9X由通用電器GE90發動機衍生而來 額定推力11萬磅 最大推力134,300磅 相比之下 超扇發動機的最大推力爲11萬磅 此外 超扇發動機雖然通過了第一階段的測試 但是最終的交付時間還不確定 羅羅公司在2023年曾表示 超扇發動機在試驗完成之後會暫時凍結 不會再進行投資 直到空客湖波音啓動新的飛機研發項目 凍結一年之後 也就是2024年 羅羅公司就已經恢復飛行測試計劃 將於2025年製造超扇發動機 並進行真正的飛行測試 就體型來看 超扇發動機可能會用於裝備Tryda XWB的A350系列 不過羅羅公司目前正在與空客談判 未來用於載體科技的發動機 是的 大家沒有看錯 載體科技 超扇發動機還將進行家族化設計 大小可以根據飛機進行縮小 可供各種大小的飛機使用 特別是羅羅公司 已經很久沒有涉足的載體科技領域 羅羅公司算是英國在民用航空上僅存的顏面 曾經和空客一樣壓薄大型寬體科技 在2012年 羅羅賣掉了國際航空發動機公司的股份 不再搞載體科技發動機 專注研究Tryda系列 獨達寬體科技領域 空客則是研究了載客數超過800的A300 最終A30英年早逝 羅羅公司退出載體科技領域之後混得還不錯 只是當前世界航空運輸的主力依舊是載體科技 飛機較量碾壓寬體科技 羅羅公司的路選歪了 於是羅羅公司變計劃 憑藉超扇發動機在保持寬體科技領域優勢的同時進軍載體科技 把自己曾經丟掉的東西再拿回來 成果就是超扇發動機的天堂計劃 目前羅羅公司正在開展一個單獨的項目 項目名爲HEAV-1N 確保超扇發動機的結構可以針對載體科技進行縮小 天堂計劃將持續到2026年12月 超扇發動機的縮小版可能用於A320NEO系列的繼任者 7月23日的時候 華爾街日報就報道 空客正在與羅羅公司使用新型發動機爲未來載體科技提供動力進行談判 在倫敦附近的範寶羅國際航空站上 空客就表示 正在研究A320NEO系列飛機的後級機型 使用羅羅公司新發動機的可能性 A320型號是波音737MAX的直接競爭對手 下一代預計將在2030年代後期進入市場 這個時期估計超扇發動機已經量產了 只是就火力軍而言 羅羅公司想通過超扇發動機重回載體科技領域難度有點高 作爲英國老牌的發動機製造商 羅羅公司主要爲A330 A340 A350 A380以及波音777 波音787提供動力 公司的主力產品就是揣達系列 包括A350和揣達XWB 與波音787的揣達1000 超扇發動機則屬於最新型號 不過 對於一款產品來說 較好與較做並沒有必然聯繫 縱觀近些年的航空裝備市場 無論是CFM56到LEAP 從G190到GNX 還是從揣達1000到揣達1000體驗 民用航空發動機的產品布系大多高度固化 各家航空發動機製造商都是在保證自家已有市場份額的同時 非常小心的探索可能需要的技術 最大限度的避免因爲新的產品線所帶來的風險 超扇發動機雖然覆蓋範圍廣 窄體客機與寬體客機都能用 但是窄體客機的市場已經固化 相關市場份額已經被瓜分殆盡 此外 超扇發動機離實用化還有很長的路要走 超扇發動機的目的是提供各種可持續發展選擇 以支持航空業到2050年向淨零排放轉變 其中原型機的首次測試使用百分百可持續的航空材料 這是一種噴氣燃料替代品 但目前價格昂貴且供不應求 在這種情況下 羅羅公司僅憑一款超扇發動機就像在窄體科技領域佔據一席之地 有些想當然了 而且在寬體科技領域 羅羅公司也有點難受 通用電器甚至補貼波音五億美元研發費用 以保障波音新機型獨家採用GE9X 羅羅公司的超扇很難打進美國市場 而空客的市場又被美國主播蠶食 日子很不好過 好了 這期視頻到這就結束了 各位覺得羅羅公司的超扇發動機可以在窄體科技領域取得進展嗎 可以在視頻下方留言 大家一起討論 我是火力軍 下期見