2013年10月11日08:25
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日本飛機發動機主力廠商IHI公司正在推進新一代新型飛機發動機的開發。通過採用碳纖維復合材料及陶瓷復合材料等新材料，提高發動機的燃效。
最近數年，新型飛機相繼登場，例如2011年投入航運的波音787，以及預定2015年試飛的日本首款國產客機MRJ等。日本飛機開發協會調查的結果顯示，2011年全球飛機數量為18239架，到2031年估計會增加到36668架。IHI航空宇宙事業本部技術開發中心發動機技術部長今成邦之稱：“航空運輸市場正以5％的年率高速增長。”
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| 飛機發動機的燃料消耗率在近50年裡削減了約一半。預定2015年投入營運的空客320neo採用嵌入齒輪的齒輪傳動渦扇發動機。 |
開發新一代飛機的最大焦點就是改善燃效。因燃料費居高不下，改善燃效便成為首要課題。如果能夠改善燃效，就可削減溫室氣體排放量，並減小對環境造成的負荷。
改善飛機的燃效大體有3個方法。分別是提高發動機性能、提高機身空氣動力性能及減輕機身重量。
其中，IHI長期以來一直在從事提高發動機性能的研究。該公司從1980年代開始涉足飛機發動機開發，其參與的發動機國際共同開發項目有，1980年代的中型機空客320，1990年代的大型機波音777，2000年代的中大型機波音787。該公司2012年的銷售額為1.05萬億日元，其中航空宇宙業務佔3000億日元。這30年也可以說是改善發動機燃效的30年。
“涵道比”是衡量發動機性能的指標之一。近年來，民用飛機的發動機通常採用“渦扇發動機”方式。這種發動機由風扇、壓縮機、燃燒室、高壓渦輪及低壓渦輪構成。其工作原理是，旋轉風扇吸入空氣后，將之壓縮至40個大氣壓左右，在燃燒室將該壓縮空氣與燃料一同燃燒，生成高溫高壓的燃燒氣體，隨后使燃燒氣體通過渦輪，從排氣口向后方噴射，利用其反作用，獲得飛機的推力。
利用風扇吸入的空氣中，直接擠壓到后方的空氣與用於燃燒的空氣的流量比稱為“涵道比”，涵道比越大，發動機的推進效率越高，發動機的燃效就越好。
空客320的涵道比為5，而波音787提高到了10。向日本航空公司交付的波音787使用了美國通用電氣公司生產的發動機“GEnx”，IHI參與了該發動機的開發，負責開發低壓渦輪的旋轉部分等。今成部長介紹道：“為了提高發動機性能，需加大風扇和低壓渦輪，為了實現輕量化，需要制作出既輕又薄的渦輪旋轉部件。本公司擁有滿足這些要求所需的設計及制造技術經驗，因此受到重視，得以加入了開發團隊。”
開發新型齒輪傳動渦扇發動機
目前IHI正在推進開發新型發動機“PW1100G-JM”，該發動機將用於預定2015年投入營運的空客320neo。由美國普惠公司、德國MTU航空發動機公司及IHI加盟的日本飛機發動機協會三方共同開發。
PW1100G-JM首次採用了“齒輪傳動渦扇發動機”（GTF）這一新方式，力爭實現高達12的涵道比。以往的渦扇發動機涵道比最高約為10。如果超過這一數值，就要加大風扇，增加渦輪級數，因此成本和重量也會增加，很難實現實用化。
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碳纖維復合材料制成的風扇外殼、碳纖維復合材料制成的風扇整流葉片的照片，旋轉的葉片稱為工作葉片，不旋轉的葉片稱為整流葉片。 IHI為定於2015年投入營運的空客320neo的齒輪傳動渦扇發動機，供應碳纖維復合材料制成的風扇外殼及風扇整流葉片，以實現輕量化。另外，通過在新一代發動機的低壓渦輪上採用陶瓷復合材料（CMC），提高了其耐熱性，進一步實現了輕量化。 |
齒輪傳動渦扇發動機通過嵌入齒輪（變速箱），可在緩慢旋轉風扇的同時，快速旋轉渦輪。由此，就可在改善發動機燃效的同時，避免渦輪增大以及成本增加。今成部長充滿期待地說：“齒輪傳動渦扇發動機的涵道比最大可達到20左右，今后也有望應用於新一代發動機。”
IHI在風扇外殼和風扇葉片上採用了碳纖維復合材料（CFRP），實現了輕量化。在中型機的發動機上採用碳纖維復合材料在全球尚屬首次。
IHI1980年代曾在空客320的發動機的幾個部件中採用過碳纖維復合材料，積累了一定的技術實力。今成部長滿懷喜悅地說：“這項技術在20年后結出了碩果。”從空客320到空客320neo，發動機的燃效改善了15％。
IHI正在進一步推進技術開發，要在新一代發動機的渦輪高溫部位使用陶瓷復合材料（CMC）這種新材料。就是利用陶瓷復合材料制造低壓渦輪葉片。今成部長表示，由於陶瓷復合材料的耐熱性高達1300℃，而且重量較輕，因此“發動機的燃效可進一步提高10％。我們力爭最早於2020年實現實用化”。可能用於空客320neo的后續機型，及最早會在2019年投放市場的波音777后續機型中。
通過採用這些新材料等，飛機的燃耗在近50年裡削減了約一半。
2020年還將利用生物燃料
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| IHI與神戶大學榎本平教授等共同開發了生物燃料原料藻，並力爭實現實用化。照片為培養原料藻的情形。 |
為了滿足市場增長及燃料使用量增大的需求，IHI目前還在開發飛機專用生物燃料。與神戶大學榎本平教授領導的研發小組及Neo Morgan研究所合作，共同設立了合資公司，目前正在採用榎本教授進行了品種改良的“榎本藻”，開發生物燃料。據稱這是單位面積燃料產能最大的藻類。力爭2020年實現商用化，2030年普及。現已利用水槽完成試產，將開始在數百平方米的水池中生產。（作者：藤田香，日經能源環境網 供稿）
