从外观上看,当这些发动机安装在商用喷气式客机上并被整流罩覆盖时,很难区分它们所使用的各种现代涡扇发动机。全球商用航空业最大的两家飞机发动机制造商是 罗尔斯·罗伊斯和 普惠公司。罗尔斯·罗伊斯公司生产著名的遄达系列发动机,该系列发动机大范围的应用于各种宽体飞机,例如空客A330neo和A350,以及过去的波音787和777。
与此同时,普惠公司是美国一家主要的发动机制造商,其产品组合涵盖了从广受欢迎的PT6涡桨发动机到大型民用和军用高涵道比涡扇发动机。后者的一个近期热门例子是PW1000G,它为空客A320neo和A220等窄体飞机提供动力。这两种主要的发动机不仅在构造上不一样,采用了不同的设计理念,而且性能也不同,因此适用于不同的飞机。本文将详细阐述这些差异。
罗尔斯·罗伊斯遄达系列发动机采用三轴结构,包含高压、中压和低压三个轴。这种布局使设计人员能够更自由地独立优化压气机和涡轮级,从而使它们能够更接近最佳转速,实现低噪音和低排放。根据PPRuNe上的评论,三轴设计很适合宽体飞机运营商,因为 长途飞行效率是他们最为关注的问题。
“对于大型商用飞机发动机而言,燃油效率始终是首要考虑因素。历史经验表明,燃油成本长期呈上涨趋势。燃油效率更加高的发动机能够降低燃油价格波动对运营商的经济影响。此外,还需考虑日益严格的二氧化碳、氮氧化物等排放法规。[...] 对于大型商用飞机发动机而言,采用更复杂的发动机系统以获得更高效率所带来的更高成本几乎总是物有所值的。”
普惠公司采用更常见的双轴涡扇发动机架构,其中风扇通过减速齿轮箱驱动,使其转速降低,而低压涡轮则以其最佳转速高速运转。这使得发动机能够在更紧凑的体积内实现非常大的涵道比,从而使该设计成为单通道飞机的理想选择,因为单通道飞机由于离地高度较低,对发动机整体直径的尺寸有限制。
根据飞行学院的说法,这两种设计各有优势。三轴发动机可以使涡轮机更接近最佳转速运转,通常燃油效率更加高,而且(理论上)更容易启动,因为启动器只需转动一个轴即可。然而,第三根轴的增加增加了制造成本和维护成本,而且增加的重量可能使其不适用于所有飞机。另一方面,双轴发动机更轻、更简单。
在比较三轴涡扇发动机和双轴涡扇发动机时,由于发动机的形状和部件不同,两者之间有一些差异。普惠公司的齿轮传动涡扇( GTF)发动机在其级别中实现了极高的涵道比,其尺寸也比三轴涡扇发动机更大。据普惠公司称,与上一代窄体发动机相比,GTF发动机的燃油效率 也提高了两位数百分比。
虽然变速箱本身就是一个复杂的设备,它的加入会带来额外的设计、维护和检查要求,但三轴发动机也增加了复杂性,因为三个独立的旋转组件及其相关的轴承需要更加多的密封件和控制逻辑系统。如果劳斯莱斯没有为三轴涡扇发动机的概念申请专利,或许会有更多三轴发动机设计投入使用。
尽管变速箱结构较为复杂,普惠GTF发动机却是目前最安静的发动机之一,而PW1900G发动机则被用来制造世界上最安静的喷气式飞机——巴西航空工业公司E2。由于发动机体积非常庞大,飞机采用了鸥翼设计以容纳它们。对此,巴西航空工业公司工程、技术和企业战略高级副总裁路易斯·卡洛斯·阿方索解释道:
“它们效率高是因为,有了这么大的风扇,发动机就能在较低速度下将空气向后推动。低速时空气质量更大,因此与静止空气的摩擦力更小。而这种摩擦力正是噪音的来源。”
两家公司服务于商用喷气式客机市场的不同细致划分领域,罗尔斯·罗伊斯专门生产宽体飞机发动机,而普惠公司则同时生产窄体和宽体飞机发动机。尽管罗尔斯·罗伊斯专注于为远程双通道喷气式飞机研发高推力涡扇发动机,但两家制造商生产的最强大的发动机都是普惠公司的PW4098,该发动机曾用于波音747、767、MD-11和空客A300等机型。
据航空航天工程Facebook群组的帖子显示, PW4098发动机所属的PW4000系列发动机也是世界上第二大推力的商用喷气式客机发动机,最大推力可达99,040磅。唯一比它推力更大的涡扇发动机是通用电气GE90,其推力为115,000磅,用于波音777-300ER、777-200LR和777F客机。
几年后,世界上最强大的商用飞机发动机将是通用电气GE9X,它将配备在即将推出的波音777X飞机上。虽然该发动机的设计推力约为134,000磅,但其起飞推力认证等级将为110,000磅。
劳斯莱斯和普惠是全球最大的商用喷气发动机制造商之一,但该领域的竞争并不激烈,而且这两家制造商都不是顶级规模的。根据Statista的数据,行业领头羊是通用电气。通用电气与法国发动机制造商赛峰集团合作成立了合资企业CFM国际公司。
若将CFM产品纳入考量,通用电气(GE)在全球飞机发动机市场占据领头羊,市场占有率高达55%,其中CFM产品占39%,GE自身产品占16%。普惠公司位居第二,市场占有率为26%,罗尔斯·罗伊斯公司排名第三,市场占有率为18%。这种市场格局反映了窄体飞机在客运航空市场的受欢迎程度。
如上图所示,过去五年市场占有率分布略有变化。根据Aero Time援引的Statista最新数据,普惠公司已遥遥领先,与CFM争夺最大的市场占有率。市场占有率分布进一步向窄体飞机倾斜,这反映出枢纽间航线以及擅长创造此类航线价值的宽体飞机的需求会降低。取而代之的是,使用更高效、更小、更轻的窄体飞机的点对点航线真正蒸蒸日上起来。
两家制造商都在研发一些引人瞩目的产品,这一些产品有望因不同的原因在业内掀起波澜。劳斯莱斯即将推出的UltraFan发动机已进入最终生产阶段。这款发动机采用齿轮传动,配备三转子,并提供窄体和宽体两种配置,使劳斯莱斯能够在 窄体发动机市场与普惠公司的GTF系列展开竞争。
这款发动机也将令排放监督管理的机构满意,因为它从投入到正常的使用中的第一天起就能使用100%可持续航空燃料(SAF)。两家制造商也在研究混合动力和氢动力推进方案。据AIN报道,普惠公司正在RTX技术集团旗下研发混合动力技术验证机,计划于明年初在加拿大开始飞行测试。该集团美国区先进推进与材料技术副总裁弗兰克·普雷利解释道:
“我们指的是利用每台发动机上的电动机来实现5%的推力。这将使我们也可以通过从一台或两台电动机或发电机中获取能量来改变循环,从而赋予我们很有趣的能力,使我们不必完全依赖气动或热力循环。例如,电力能够适用于滑行,还能够适用于管理发动机的喘振裕度,因为我们大家可以使用两台电动机/发电机分别改变高压气机和低压气机的转速。”
普惠公司的演示样机将姊妹公司柯林斯开发的1兆瓦电动机与1兆瓦发动机相结合,在任务执行过程中实现了30%的能源效率提升。同时,该公司还宣布正在开发一种移动充电装置,以支持该项目使用的1500伏电池。随着这些技术即将上市,商用航空发动机行业必将迎来一场变革!
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