LEAP發(fā)動機的研制與設(shè)計特點.doc

LEAP發(fā)動機的研制與設(shè)計特點1. 發(fā)展綜述LEAP發(fā)動機以前稱LEAP-X發(fā)動機，是GE公司與SNECMA公司（法國賽峰集團下屬公司）合資組成的CFM國際公司（CFMI）作為CFM56系列發(fā)動機的后繼發(fā)動機，為下一代先進的雙發(fā)單通道旅客機研制的、能滿足21世紀“綠色航空”要求的先進發(fā)動機。 早在2004年，CFMI公司決定發(fā)展CFM56系列發(fā)動機的后繼發(fā)動機，為此，在2005年，啟動了一項“LEAP（Leading Edge Aviation Propulsion）56先進研究與技術(shù)”計劃，要求新研制的發(fā)動機與CFM56-7B相比，燃油效率提高15%、噪聲水平降低75%、NOX排放值比CAEP/6標準低50%以及維修費用與CFM56相當。該項目開發(fā)和驗證的技術(shù)包括：鋁、鈦和復(fù)合材料風(fēng)扇機匣等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，先進的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，高效率與高增壓比的高壓壓氣機，雙環(huán)預(yù)混旋流器TAPS低排放燃燒室，三維氣動設(shè)計的渦輪，革新的發(fā)電裝置設(shè)計等發(fā)動機基本設(shè)計技術(shù)，低使用成本的外部硬件，先進輕質(zhì)齒輪箱，下一代控制裝置等發(fā)動機系統(tǒng)部件設(shè)計技術(shù)。 2008年7月正式啟動了LEAP發(fā)動機的研制工作。LEAP發(fā)動機由1級風(fēng)扇、3級增壓壓氣機、10級高壓壓氣機、第二代TAPS貧油燃燒室、2級高壓渦輪與7級低壓渦輪組成，涵道比為10，總壓比為50，這兩個循環(huán)參數(shù)幾乎是CFM56系列發(fā)動機的一倍多。羅.羅公司用于B787的遄達1000總壓比為52.1，是當今總壓比最高的發(fā)動機，LEAP的總壓比僅比遄達1000的低一點，高于GEnx的45，是當今總壓比次高的發(fā)動機。 發(fā)動機的推力為89kN-146.3kN。2.設(shè)計技術(shù)特點LEAP發(fā)動機中釆用了大量創(chuàng)新的技術(shù)： 先進三維編織樹脂模傳遞成型（3-D WRTM）的風(fēng)扇葉片。這種風(fēng)扇葉片是三維碳纖維編織物，碳纖維并不是簡單層疊在一起，而是采用三維技術(shù)編織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其更加堅固，隨后注入樹脂并在高壓容器內(nèi)固化。不僅重量輕，耐久性好，抗外物打傷能力強，抗振動性好，而且能夠成型復(fù)雜型面的葉片。為了考核RTM風(fēng)扇葉片抗鳥擊能力，CFMI在葉片投鳥試驗中，大鳥的重量按GE90投大鳥試驗時的重量即1.1kg，GE90是當今推力最大的發(fā)機，用GE90的標準來考核LEAP抗鳥擊的能力，說明CFMI對RTM風(fēng)扇葉片有足夠的信心。 風(fēng)扇葉片采用了寬弦全三維氣動設(shè)計，使效率高，葉片數(shù)目少，僅18片（CFM56-5中為36片，CFM56-7B中為24片）。風(fēng)扇葉片直徑為1.8m，整個風(fēng)扇重76kg，而直徑為1.5m的CFM56-7B 24片葉片總重高達118kg。 風(fēng)扇葉片釆用了當前普遍采用的寬弦彎掠式結(jié)構(gòu)，這也是經(jīng)過斯奈克瑪公司采用最新的三維氣動設(shè)計方法得出的優(yōu)化結(jié)果。越靠近葉尖部分，葉片的彎掠程度越大，大大降低了風(fēng)扇葉片的流動損失，同時葉片間距減少了25 。從氣動性能上看，寬弦葉片可以增大風(fēng)扇稠度，降低葉片的負荷，從而使工作切線速度得以降低，也就降低了風(fēng)扇進口相對馬赫數(shù)；寬弦葉片的流通能力強，風(fēng)扇流量也會增大，可提高發(fā)動機推力。從結(jié)構(gòu)強度上看，寬弦葉片具有抗外物損傷能力，減少葉片數(shù)和減輕重量等優(yōu)點。 LEAP性能優(yōu)良復(fù)合材料制作的風(fēng)扇葉片技術(shù)進步來源于SNECMA 公司20世紀90年代進行的“高效、靜音復(fù)合材料風(fēng)扇葉片”(MASCOT) 研究項目提供的技術(shù)儲備，當時研究了大直徑復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的空氣動力學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)原理，以提高發(fā)動機性能，降低燃油消耗，減少噪聲和污染排放等。結(jié)果表明，應(yīng)用該技術(shù)制作的葉片不僅重量輕，而且結(jié)構(gòu)牢固，抗大體積鳥撞擊能力強，制造成本卻相對較低。 風(fēng)扇機匣采用了復(fù)合材料制造，這是繼GEnx后笫2種釆用復(fù)合材料的GE發(fā)動機。由于在風(fēng)扇部件中采用了復(fù)合材料的葉片與機匣創(chuàng)新技術(shù)，使裝LEAP發(fā)動機的飛機每架可減重約450 kg。圖1為在航展上展出的LEAP發(fā)動機，很清晣地可以看到復(fù)合材料的風(fēng)扇機匣外表面。 圖1 航展上展出的LEAP發(fā)動機可以看到復(fù)合材料的風(fēng)扇機匣 高性能的核心機。LEAP的核心機是通過CFMI的eCore（e表示高效率低污染）計劃發(fā)展而來，eCore是集GE90、GP7200與GEnx等發(fā)動機的使用經(jīng)驗再加上CFMI的TECH56計劃的先進技術(shù)發(fā)展而來的，它設(shè)計成到目前為止是最先進的、效率最好與壽命最長的核心機。LEAP的核心機的特點有：由2級高壓渦輪驅(qū)動的10級特高增壓比的高壓壓氣機；第二代TAPS、貧油燃燒與低污染的燃燒室；高壓渦輪中，葉片釆用第三代三維氣動設(shè)計的葉型，具有先進的氣體動力學(xué)特性，采用了高性能的材料與先進冷卻技術(shù)。 先進的第2代雙環(huán)預(yù)混旋流器燃燒室（TAPS II） GE公司發(fā)展的TAPS燃燒室首先用于GEnx發(fā)動機，使GEnx能滿足嚴格的排污標準，現(xiàn)在又用于LEAP，且作了進一步優(yōu)化設(shè)計，成為第2代雙環(huán)預(yù)混旋流器燃燒室(TAPS II)，將使LEAP氮氧化物（NOX）排放量比CAEP/6的標準低50%。在結(jié)構(gòu)特點上，TAPS燃燒室主燃級燃油噴嘴是氣動霧化式， 主混合器空氣旋流器的高壓空氣氣流與主燃級燃油的射流垂直相交，使主燃級燃油的霧化更充分，混合度更高，可在燃燒室內(nèi)形成穩(wěn)定的主燃級燃燒回流區(qū)，以便實現(xiàn)貧油燃燒，從而達到低污染排放的目的。預(yù)燃級燃燒回流區(qū)和主燃級燃燒回流區(qū)可形成一定的交疊，從而形成預(yù)燃/主燃旋流交疊區(qū)。這樣TAPS燃燒室可以僅用一套噴嘴系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)動機不同工況燃燒的要求，可實現(xiàn)發(fā)動機全工況的貧油燃燒。因此， TAPS燃燒室的燃油燃燒效率更高，火焰溫度更低，燃燒室出口溫度場也更均勻，污染物排放更低。 7級低壓渦輪釆用了新一代三維氣動設(shè)計，工作葉片采用了先進的耐高溫、重量輕的鈦鋁金屬間化合物材料。低壓渦輪導(dǎo)向器葉片的材料為陶瓷基復(fù)合材料（CMC），這種CMC材料由碳化硅纖維和陶瓷基體組成，再溶入樹脂并加以涂層強化，密度只有鎳合金的三分之一。GE 公司在F136 的第三級低壓渦輪導(dǎo)向器上首次使用了CMC ，并于2010年F136發(fā)動機開始飛行試驗后將其應(yīng)用于LEAP發(fā)動機。由于這種材料在耐高溫（試驗顯示這種材料能夠承受1204的高溫）的同時還能減輕重量（其重量僅為傳統(tǒng)材料的1/2甚至更輕），且無需冷卻，同時易于加工，因此，不僅可提高發(fā)動機效率，而且使發(fā)動機重量減輕較多（估計約80kg）。 可變面積風(fēng)扇外涵噴管（VAFN )。現(xiàn)有高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機的外涵排氣噴管面積都是不可變的，這使發(fā)動機在起飛和進場時氣流出口速度過大，導(dǎo)致發(fā)動機噪聲較高；在巡航狀態(tài)下氣流出口速度較低，風(fēng)扇載荷加大，推力下降且油耗上升。VAFN 是通過改變噴管的出口面積來控制出口氣流的排氣速度，使發(fā)動機在不同的工況與風(fēng)速和大氣環(huán)境下始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)，同時有效降低噪聲。2005年，波音公司在B777一300ER的鋸齒型外涵噴管的每個鋸齒處，安裝了3個由形狀記憶合金( SMA）材料制成的聯(lián)鎖片并通過一個控制器改變噴管的出口面積，在不同的出口流量下保持噴口面積的連續(xù)改變。結(jié)果證實，發(fā)動機在起飛和進場時的噪聲大大降低。因此，CFMI也將在LEAP發(fā)動機上采用這種可變面積風(fēng)扇外涵噴管。 發(fā)動機和短艙設(shè)計成一體化推進系統(tǒng)，將使飛機擁有先進的進氣道、聲學(xué)處理和電動反推力裝置，可以充分發(fā)揮其氣動性能、重量和聲學(xué)優(yōu)勢。發(fā)動機短艙與反推力裝置由GE公司下屬的中河飛機公司（MRAS）與法國賽峰集團的埃爾賽勒（Aircelle）兩公司合資的奈賽公司(Nexcelle)提供，也即發(fā)動機的研制單位CFMI與短艙、反推力裝置的研制單位Nexcelle是兄弟單位，因此，兩公司合作開展的一體化推進系統(tǒng)應(yīng)該具有較先進的水平。3.特高增壓比的高壓壓氣機將LEAP與GEnx作一比較，由循環(huán)參數(shù)中的涵道比看，兩者相同，均為10，而總壓比中，GEnx為45，LEAP為50；由級數(shù)看，GEnx為1級風(fēng)扇、4級增壓壓氣機、10級高壓壓氣機、2級高壓渦輪與7級低壓渦輪，而LEAP基本與其相當，只是增壓壓氣機少1級。也即LEAP的增壓壓氣機少一級，而總壓比比GEnx的還高，為了達到50的總壓比，LEAP只能使高壓壓氣機的增壓比要比GEnx的大。GEnx 10級高壓壓氣機的增壓比為23, 平均級壓比為1.368，己是在業(yè)內(nèi)屬于很高的水平，LEAP的平均級壓比比GEnx的還要高，因此CFMI稱LEAP的高壓壓氣機為“特高增壓比的高壓壓氣機”（ultra high pressure ratio HPC），這是一個難度很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，但是CFMI這么設(shè)計，還是有一定的根據(jù)。早在1998-2003年，CFMI公司在開展TECH56計劃時，設(shè)計了增壓比為15的全新6 級高載荷高壓壓氣機，在2000年3月及2001年的兩次試驗中，整個推力范圍內(nèi)均未發(fā)生失速；2001年3月改進的高壓壓氣機實驗結(jié)果良好，采用了前掠翼轉(zhuǎn)子，其中1 級和2級工作葉片為整體葉盤設(shè)計、弓形后掠翼葉片。工作葉片葉尖采用特殊的加強設(shè)計，機匣采用新的表面處理，3排可調(diào)進口導(dǎo)向器葉片。LEAP的高壓壓氣機充分借鑒了CFMI公司在TECH56 計劃中獲得的研究成果。相比CFM56發(fā)動機（高壓壓氣機增壓比為11），LEAP發(fā)動機的高壓壓氣機長度沒有增加，但增壓比卻大大提高。LEAP核心機將采用雙級高壓渦輪，10級增壓比特高的高壓壓氣機。由于采用第三代三維氣動設(shè)計技術(shù)，發(fā)動機的喘振裕度提高15 % , 壓氣機葉片數(shù)量減少10。此外，高壓壓氣機1-4 級采用整體葉盤設(shè)計，還有可能采用GE 公司研究近20 年的輕型鈦鋁合金材料，核心機的重量將大大減輕。由航展上展出的LEAP發(fā)動機看，高壓壓氣機上采用了五排可調(diào)靜葉（圖2），與GEnx的相同。 圖2 LEAP高壓壓氣機機匣 可見5排可調(diào)靜葉4. 試驗為了驗證LEAP采用的創(chuàng)新技術(shù)的可行性，從2009年起開展了一系列試驗。風(fēng)扇 2009年，將全尺的風(fēng)扇葉片裝在由CFM56-5C改裝的發(fā)動機上進行了風(fēng)扇試驗，LEAP的風(fēng)扇成功地通過了氣動力學(xué)、性能、側(cè)風(fēng)與聲學(xué)的全部試驗。2010年，按照研制計劃，進行了風(fēng)扇葉片的抗烏擊試驗與葉片甩離試驗，這些試驗的結(jié)果表明，LEAP的風(fēng)扇葉片完全達到設(shè)計的要求。2011年，一臺全復(fù)合材料的風(fēng)扇部件（機匣與葉片）完成了包容試驗與耐久性試驗，表明風(fēng)扇葉片與機匣所采用的創(chuàng)新技術(shù)是可行的。eCore1 LEAP發(fā)動機研制計劃中的第1個核心機eCore1，由壓比為16的8級高壓壓氣機，第二代雙環(huán)腔預(yù)混旋流（TAPS ）燃燒室和單級高效的高壓渦輪組成，于2009年年中在位于美國俄亥俄州皮布爾斯的GE公司高空臺中完成了笫1階段的試驗，試驗內(nèi)容包括氣體動力學(xué)特性、性能、顫振響應(yīng)、適應(yīng)性、TAPS燃燒室以及整機動力學(xué)特性等。2010年完成了eCore1笫2階段試驗，試驗項目包括氣體動力學(xué)特性、葉片的氣彈偶合特性、總的適應(yīng)性等，截至2011年9月，eCore1已進行了150余小時試驗。eCore2 即生產(chǎn)型核心機，是根據(jù)eCore1試驗結(jié)果進行修改后的、將用于生產(chǎn)型發(fā)動機的核心機，由壓比為22的10級高壓壓氣機、第二代TAPS燃燒室和雙級高效的高壓渦輪組成，從2011年年中開始試車，已取得令人鼓舞的結(jié)果。低壓渦輪部件試驗臺試驗 已于2011年完成雙轉(zhuǎn)子動力特性臺架試驗 將在2013年進行。 按CFMI的研制計劃，將用8臺發(fā)動機進行累計18000循環(huán)試驗，GE公司的GE90發(fā)動機，取適航證前共用13臺發(fā)動機進行了15000循環(huán)，兩相比較，LEAP的試驗發(fā)動機數(shù)少，說明由于LEAP吸收了GE90、GP7200、GEnx及CFM56系列發(fā)動機研制與使用的經(jīng)驗與教訓(xùn)，以及采用經(jīng)過大量試驗得到驗證的創(chuàng)新技術(shù)，因而基礎(chǔ)較好，可用少量發(fā)動機即可完成研制任務(wù)。 圖3為LEAP發(fā)動機在露天試車臺上準備試車的情況 圖3 吊裝在露天試車臺的LEAP發(fā)動機 5. 應(yīng)用情況LEAP己被三種雙發(fā)單通道旅客機選中。2009年12月，我國商用飛機公司選中LEAP為C919的動力，這是LEAP的第1個用戶，C919計劃2016年取得適航證。CFMI將用于C919的發(fā)動機命名為LEAP-1C，推力為124.5-133.5kN。 2010年12月空中客車公司選中LEAP為其A320neo的一種候選發(fā)動機，另一候選發(fā)動機為PW1000G。CFMI將用于A320neo的發(fā)動機命名為LEAP-1B，推力為109-146.3kN。 2011年8月，波音公司選中LEAP作為其新一代客機B737MAX的動力。CFMI將用于B737MAX的發(fā)動機命名為LEAP-1B，推力為89-124.5kN。 LEAP名稱中，1表示是LEAP的笫一個系列發(fā)動機，A、B、