GE公司研制全新的Catalyst渦槳發(fā)動機

2018年3月7日，GE公司將研制中的先進渦槳（ATP）發(fā)動機正式命名為“催化劑”（Catalyst），旨在表明全新的渦槳發(fā)動機正在成為促進渦槳飛機發(fā)生變革的催化劑。這種新型發(fā)動機不僅具有更大的巡航功率、更高的燃油效率，還將全面改善飛行員的駕駛體驗，有望開創(chuàng)渦槳飛機設計和使用的新時代。

在2008年收購了捷克的沃爾特飛機發(fā)動機（Walter Aircraft Engines）公司后，GE公司組建了GE公務和通用航空業(yè)務部門，推出了基于M601渦槳發(fā)動機的H80衍生型發(fā)動機，但其長期愿景是在歐洲啟動先進渦槳發(fā)動機（ATP）研制計劃，為公務和通用航空市場提供一種全新的高性能渦槳發(fā)動機。

研制發(fā)展背景

從2012年開始，GE公司的渦槳發(fā)動機研制團隊認為，渦槳發(fā)動機市場期待擁有新技術和新價值的發(fā)動機。隨后，研制團隊開始走訪飛機制造商和運營商，全面論證和評估一款全新的通用飛機對于渦槳發(fā)動機的設計要求。在收集了來自世界各地的客戶反饋后，研制團隊初步確定了未來市場對ATP發(fā)動機的性能需求。

根據設計要求，研制團隊首先提出了ATP發(fā)動機的技術規(guī)范和總體構型，在此基礎上先后優(yōu)化設計了4種方案，并啟動了初始設計工作。同時，研制團隊參照GE公司在商用發(fā)動機上的研發(fā)流程，確定了切實可行的交付標準。作為全新渦槳發(fā)動機系列的一部分，ATP發(fā)動機包括735～1176kW的系列發(fā)動機，并將其第一個型號臨時稱作GE93。

在此期間，美國公務機制造商德事隆(Textron)集團發(fā)出了為其全新設計的迪納利公務機尋求動力的需求建議書。為此，GE公司進一步優(yōu)化了設計方案，參與項目競爭。2015年11月16日，德事隆集團在美國公務航空協會（NBAA）年會上正式宣布選擇GE公司的ATP設計方案，作為新一代迪納利公務機的動力裝置。同日，GE公司宣布正式啟動661～1250kW的ATP發(fā)動機研制計劃。

2017年年初，GE公司與捷克政府達成協議，在布拉格建立一個渦槳發(fā)動機研制、測試和生產的總部，在滿負荷生產后將雇用500名員工。

2017年12月22日，第一臺ATP發(fā)動機在位于布拉格的GE航空捷克工廠進行了首次點火試車。2018年3月7日，GE公司將ATP發(fā)動機正式命名為“催化劑”（Catalyst），意在表明這項計劃將成為推動渦槳飛機研制與發(fā)展的“催化劑”。GE航空集團副總裁兼公務和通用航空業(yè)務總經理布萊德·莫提耶在布拉格研發(fā)中心強調，這種全新研制的渦槳發(fā)動機不僅是為了提供更快或更省油的方法，而是讓飛行員感覺到更像是在操縱一架噴氣式飛機。

主要設計特點

Catalyst發(fā)動機是公務和通用航空市場30多年來第一種全新設計的渦槳發(fā)動機，充分借助了GE公司在大型商用發(fā)動機上經過驗證的技術和數十億小時的發(fā)動機使用經驗，并擁有98項專利技術。基于CT7渦軸發(fā)動機堅固耐用的模塊化結構，Catalyst發(fā)動機以更低的運營成本實現更好的性能。

Catalyst發(fā)動機是一種逆流式發(fā)動機，空氣從發(fā)動機后部進入發(fā)動機，向前流入，依次進入壓氣機、燃燒室和渦輪，從噴管排出燃氣。同時，低壓渦輪輸出功率，驅動五槳葉復合材料恒速螺旋槳系統。

在同級別渦槳發(fā)動機中，Catalyst發(fā)動機是第一種采用兩級可變靜子葉片和冷卻高壓渦輪葉片的渦槳發(fā)動機，號稱擁有業(yè)內最高的總增壓比，燃油消耗率降低20%，巡航功率增加10%。從使用維護來看，它的平均大修間隔時間（MTBO）延長了33%，達到4000～6000h。從外形尺寸來看，Catalyst發(fā)動機的長度不大于1.83m，直徑為483mm，凈質量為270 kg。

壓氣機源于GE公司的T700/CT7渦軸發(fā)動機，采用了與GE9X發(fā)動機相同的三維空氣動力學設計，有4個軸向級和一個離心級，采用全鈦合金制造，具有質量輕的結構特點。隨著設計優(yōu)化，其壓氣機由最初的一級可調靜子葉片改為兩級可調靜子葉片，可以更好地調整壓氣機工作狀態(tài)，增大級增壓比。與同級別渦槳發(fā)動機相比，Catalyst發(fā)動機的總增壓比幾乎增加了1倍，達到了16∶1，這將有助于飛機在完成同一任務時消耗更少的燃料，獲得更多的動力，飛行更遠的距離。

燃燒室采用了類似于HF120發(fā)動機的單環(huán)形回流式燃燒室。制造過程中，GE公司廣泛采用了增材制造技術，可以針對回流式燃燒室的結構優(yōu)化設計，將燃燒室長度最小化，有效地改善了裝配方式，減輕了發(fā)動機的質量。

渦輪采用了兩級高壓渦輪和三級低壓渦輪。低壓渦輪采用對轉方式?；贑T7系列發(fā)動機的使用經驗，Catalyst發(fā)動機的兩級單晶高壓渦輪將成為同級別渦槳發(fā)動機中第一個采用冷卻渦輪的高溫部件，允許渦輪前溫度超出149℃，從而獲得更大的推力，提高燃油效率。

按照設計，迪納利渦槳飛機采用Catalyst發(fā)動機驅動五槳葉復合材料恒速螺旋槳系統，航程超過2778km，航速超過518km/h，擁有一流的低運營成本。

同時，Catalyst發(fā)動機中還設置了多種傳感器，可以收集各種數據，不再需要頻繁檢查高溫部件，延長了MTBO，甚至可以基于發(fā)動機運行的地區(qū)和工作方式，為發(fā)動機創(chuàng)建個性化的維修計劃。

集成控制系統

針對公務和通用航空市場的需求，GE公司在Catalyst發(fā)動機上的第二個突破性創(chuàng)新是首次采用了全權限數字式電子和螺旋槳集成控制（FADEPC）系統，將成為傳統渦槳飛機機械液壓多桿控制系統的替代產品，從而使飛行員能夠像駕駛噴氣式飛機一樣操縱渦槳公務機，大大改善了飛行駕駛的體驗。為此，莫提耶表示：“僅僅是簡化駕駛艙這一項技術就會成為改變未來飛機設計理念的催化劑。”

GE公司利用其在發(fā)動機集成和控制方面的專業(yè)經驗研發(fā)了單桿控制系統，使FADEPC成為飛行員通過油門桿來控制發(fā)動機的關鍵，可以顯著減少工作量。

作為控制發(fā)動機和螺旋槳槳距的一體化控制系統，FADEPC可以根據飛機工作情況來改變發(fā)動機運行狀態(tài)，最大限度地提高發(fā)動機性能，杜絕發(fā)動機超限。如果飛機上有防冰系統或環(huán)境控制系統，相應的扭矩和螺旋槳轉速將會發(fā)生變化。FADEPC、兩級可調靜子葉片和三級對轉低壓渦輪可以在非設計狀態(tài)下及時調整發(fā)動機的工作狀態(tài)，保持性能參數處于最佳，由此使巡航功率提高10%。

FADEPC從本質上使得飛行員能夠專注在更高端的任務操作上，可以使飛行像推拉桿一樣簡單。這樣，飛行員將有更多的時間駕駛飛機，眺望窗外，體驗飛行的樂趣，而不是一直把注意力放在監(jiān)控和調整發(fā)動機上。

更為重要的是，FADEPC獲得的數據還成為GE公司針對Catalyst發(fā)動機實施數字發(fā)動機計劃的重要推動因素。在發(fā)動機離開生產線后，各種測試傳感器用于收集發(fā)動機的性能數據以及主要特性和關鍵容限。這些信息將構成創(chuàng)建數字孿生發(fā)動機的基礎，在發(fā)動機投入使用后，通過數字發(fā)動機控制器收集的運行數據，可以評估實際工作中的性能和維修需求。

運用先進技術

GE公司在Catalyst發(fā)動機的研制過程中廣泛采用了增材制造技術，簡化了制造過程，以實現更先進的零件設計，并減少了零件數量。隨著復雜性的降低，加快了生產速度，減少了燃油消耗和質量，并通過更少的接縫和更嚴格的公差來提高耐久性。

其中，855個常規(guī)制造零件已減少到12個3D打印零件，包括框架、燃燒室襯套、滑油箱、排氣管、軸承座、流路中的固定部件和熱交換器，將發(fā)動機質量減輕了5%，并將燃油消耗率降低了1%。另外，整體式滑油箱取代了45個傳統零件，只需4天就可以打印出來，而最初需要14天。

Catalyst發(fā)動機號稱是世界上第一臺“數字原生”（Digital Native）航空發(fā)動機。設計師使用先進的3D建模，并在此基礎上為發(fā)動機配備了完備的傳感器，通過收集各種數據，可以隨時掌握發(fā)動機零部件的性能特征。

目前，捷克技術大學和GE公司正在使用第一臺Catalyst發(fā)動機發(fā)展新型渦槳發(fā)動機的預防性健康監(jiān)測系統，通過數字化技術創(chuàng)建更高標準的個性化服務和保障，有望徹底改變發(fā)動機的使用和維護方式。具體而言，該系統可以在每次飛行過程中收集性能數據，并判斷當下的飛行環(huán)境、飛行期間發(fā)動機及其附件以及控制系統的健康狀態(tài)。

截至2018年6月初，第二臺Catalyst發(fā)動機（編號005）已完成前幾個小時的試車，隨后于夏天運送到加拿大進行高空臺測試，進入取證測試階段。按照計劃，GE公司將在2018年年底把3臺Catalyst發(fā)動機送往堪薩斯州的威奇托，為2019年年初的迪納利原型機的首飛做好準備。

目前，GE公司已經將Catalyst發(fā)動機列入其不斷增長的渦槳發(fā)動機業(yè)務。從發(fā)展來看，該型發(fā)動機還可以作為其他一些應用的基礎平臺。針對不同用途，它可以經過改進，用作直升機的渦軸發(fā)動機，也可用作商用飛機的輔助動力裝置（APU），甚至有望成為未來混合動力電動推進系統的核心。