LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

6進(jìn)展綜述

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與設(shè)計(jì)特點(diǎn)LEAPLEAP-XGESNECMA〔法國賽峰集團(tuán)下屬公司〕CFM國際公司〔CFMI〕作為CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的后繼發(fā)動(dòng)機(jī)，為下一代先進(jìn)的雙發(fā)單通道旅客機(jī)研制的、能滿足21世紀(jì)“綠色航空”要求的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。早在2023年，CFMI公司打算進(jìn)展CFM562023年，啟動(dòng)了一項(xiàng)“LEAP〔LeadingEdgeAviationPropulsion〕56先進(jìn)爭論與技術(shù)”打算，要求研制的發(fā)動(dòng)機(jī)與CFM56-7B15%75%NOX排放值比CAEP/6標(biāo)準(zhǔn)低50%以及修理費(fèi)用與CFM56相當(dāng)。該工程開發(fā)和驗(yàn)證的技術(shù)包括：鋁、鈦和復(fù)合材預(yù)混旋流器TAPS技術(shù)。2023年7月正式啟動(dòng)了LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作。LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)由1級風(fēng)扇、3級增壓壓氣機(jī)、10級高壓壓氣機(jī)、其次代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10，5CFM5B78的遄達(dá)1000總壓比為52.1，是當(dāng)今總壓比最高的發(fā)動(dòng)機(jī)，LEAP的總壓比僅比遄達(dá)1000的低一點(diǎn)，高于GEnx的45，89kN-146.3kN。設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)中釆用了大量創(chuàng)的技術(shù)：①先進(jìn)三維編織樹脂模傳遞成型〔3-DWRTM〕的風(fēng)扇葉片。這種風(fēng)扇葉片是三維碳纖維編織物，碳纖維并不是簡潔層疊在一起，而是承受三維技術(shù)編織形成網(wǎng)狀構(gòu)造，使其更加結(jié)實(shí)，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，抗外物打傷力氣強(qiáng)，抗振動(dòng)性好，而且能夠成型簡潔型面的葉片。為了考核RTM風(fēng)扇葉片抗鳥擊力氣，CFMI在葉片投鳥試驗(yàn)中，大鳥的重量按GE90投大鳥試驗(yàn)時(shí)的重量即1.1kg，GE90是當(dāng)今推力最大的發(fā)機(jī)，用GE90的標(biāo)準(zhǔn)來考核LEAP抗鳥擊的力氣，說明CFMI對RTM風(fēng)扇葉片有足夠的信念。②風(fēng)扇葉片承受了寬弦全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，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(gè)風(fēng)扇重76kg，而直徑為1.5m的CFM56-7B24片葉片總重高達(dá)118kg。風(fēng)扇葉片釆用了當(dāng)前普遍承受的寬弦彎掠式構(gòu)造，這也是經(jīng)過斯奈克瑪公司承受最的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法得出的優(yōu)化結(jié)果。越靠近葉尖局部，葉片的彎掠程度越大，25％。從氣動(dòng)性能上看，寬弦葉片可以增大風(fēng)扇稠度，降低葉片的負(fù)荷，從而使工作切線速度得以降低，也就降低了風(fēng)扇進(jìn)口相對馬赫數(shù)；寬弦葉片的流通力氣強(qiáng)，風(fēng)扇流量也會(huì)增大，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力。從構(gòu)造強(qiáng)度上看，寬弦葉片具有抗外物損傷力氣，削減葉片數(shù)和減輕重量等優(yōu)點(diǎn)。LEAP性能優(yōu)良復(fù)合材料制作的風(fēng)扇葉片技術(shù)進(jìn)步來源于SNECMA公司20世紀(jì)90年月進(jìn)展的“高效、靜音復(fù)合材料風(fēng)扇葉片”(MASCOT)爭論工程供給的技術(shù)貯存，當(dāng)時(shí)爭論了大直徑復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的空氣動(dòng)力學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)原理，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低燃油消耗，削減噪聲和污染排放等。結(jié)果說明，應(yīng)用該技術(shù)制作的葉片不僅重量輕，而且構(gòu)造結(jié)實(shí)，抗大體積鳥撞擊力氣強(qiáng)，制造本錢卻相對較低。GEnx后笫2種釆用復(fù)合材料的GE在風(fēng)扇部件中承受了復(fù)合材料的葉片與機(jī)匣創(chuàng)技術(shù)，使裝LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)每架可減重約450kg。圖1為在航展上展出的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)，很清晣地可以看到復(fù)合材料的風(fēng)扇機(jī)匣外外表。圖1航展上展出的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)可以看到復(fù)合材料的風(fēng)扇機(jī)匣④高性能的核心機(jī)。LEAP的核心機(jī)是通過CFMI的eCore〔e表示高效率低污染〕打算進(jìn)展而來，eCore是集GE90、GP7200與GEnx等發(fā)動(dòng)機(jī)的使用閱歷再加上CFMI的TECH56打算的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)展而來的，它設(shè)計(jì)成到目前為止是最先進(jìn)的、效率最好與壽命最長的核心機(jī)。LEAP的核心機(jī)的特點(diǎn)有：由2級高壓渦輪驅(qū)動(dòng)的10級特高增壓比的高壓壓氣機(jī)；其次代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(dòng)設(shè)計(jì)的葉型，具有先進(jìn)的氣體動(dòng)力學(xué)特性，承受了高性能的材料與先進(jìn)冷卻技術(shù)。⑤先進(jìn)的第2代雙環(huán)預(yù)混旋流器燃燒室〔TAPSII〕GE公司進(jìn)展的TAPS燃燒室首先用于GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)，使GEnx能滿足嚴(yán)格的排污標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在又用于LEAP，且作了進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，成為第2代雙環(huán)預(yù)混旋流器燃燒室(TAPSII)，將使LEAP氮氧化物〔NO

〕排放量X比CAEP/6的標(biāo)準(zhǔn)低50%。在構(gòu)造特點(diǎn)上，TAPS燃燒室主燃級燃油噴嘴是氣動(dòng)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(shí)現(xiàn)貧油燃燒，從而到達(dá)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)可形成確定的交疊，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(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況燃燒的要求，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)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。⑥7級低壓渦輪釆用了一代三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，工作葉片承受了先進(jìn)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(qiáng)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2023年F136發(fā)動(dòng)機(jī)開頭飛行試驗(yàn)后將其應(yīng)用于LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)。由于這種材料在耐高溫〔試驗(yàn)顯示這種材料能夠承受1204℃的高溫〕的同時(shí)還能減輕重量〔其重量僅1/甚至更輕機(jī)效率，而且使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕較多〔?！睼AFN)都是不行變的，這使發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛和進(jìn)場時(shí)氣流出口速度過大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲較VAFN是通過轉(zhuǎn)變噴管的出口面積來把握出口氣流的排氣速度，使發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)有效降低噪聲。2023年，波音公司在B777一300ER3個(gè)由外形記憶合金(SMA〕材料制成的聯(lián)鎖片并通過一個(gè)把握器轉(zhuǎn)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)轉(zhuǎn)變。結(jié)果證明，發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛和進(jìn)場時(shí)的噪聲大大降低。因此，CFMI也將在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)上承受這種可變面積風(fēng)扇外涵噴管。⑧發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙設(shè)計(jì)成一體化推動(dòng)系統(tǒng)，將使飛機(jī)擁有先進(jìn)的進(jìn)氣道、聲學(xué)處理和電動(dòng)反推力裝置，可以充分發(fā)揮其氣動(dòng)性能、重量和聲學(xué)優(yōu)勢。發(fā)動(dòng)機(jī)短艙與反推力裝置由GE公司下屬的中河飛機(jī)公司〔MRAS〕與法國賽峰集團(tuán)的埃爾賽勒〔Aircelle〕兩公司合資的奈賽公司(Nexcelle)供給，也即發(fā)動(dòng)機(jī)的研制單位CFMI與短艙、反推力裝置的研制單位Nexcelle具有較先進(jìn)的水平。特高增壓比的高壓壓氣機(jī)LEAPGEnx作一比較，由循環(huán)參數(shù)中的涵道比看，兩者一樣，均為10，而總壓比中，GEnx45，LEAP50；由級數(shù)看，GEnx1級風(fēng)扇、4級增壓壓氣機(jī)、10級高壓壓氣機(jī)、27級低壓渦輪，而LEAP根本與其相當(dāng)，只是增壓壓氣機(jī)少1級。也即LEAP的增壓壓氣機(jī)少一級，而總壓比比GEnx50的總壓比，LEAP只能使高壓壓氣機(jī)的增壓比要比GEnx的大。GEnx10級高壓壓氣機(jī)的增壓比為23,1.368，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〔ultrahighpressureratioHPC〕，這是一個(gè)難度很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，但是CFMI這么設(shè)計(jì)，還是有確定的依據(jù)。早在1998-2023CFMI公司在開展TECH5615的全6級20233202320233月改進(jìn)的高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果良好，承受了前掠翼轉(zhuǎn)子，其中12級工作葉面處理，3排可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)向器葉片。LEAPCFMI公司在TECH56打算中獲得的爭論成果。相比CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)〔高壓壓氣機(jī)增壓比為1LEAPLEAP核心機(jī)將承受雙級高壓渦輪，10承受第三代三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度提高15%,10％。1-4GE20年的輕型鈦鋁合金材料，核心機(jī)的重量將大大減輕。由航展上展出的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)看，高壓壓氣機(jī)上承受了五排可調(diào)靜葉〔圖2〕，與GEnx的一樣。圖2 LEAP高壓壓氣機(jī)機(jī)匣可見5排可調(diào)靜葉試驗(yàn)為了驗(yàn)證LEAP承受的創(chuàng)技術(shù)的可行性，從2023年起開展了一系列試驗(yàn)。風(fēng)扇2023CFM56-5C改裝的發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)展了風(fēng)扇試驗(yàn)，LEAP的2023年，依據(jù)研制打算，進(jìn)展LEAP的風(fēng)扇葉片完全到達(dá)設(shè)計(jì)的要求。2023〔機(jī)匣與葉片〕完成了包涵試驗(yàn)與耐久性試驗(yàn)，說明風(fēng)扇葉片與機(jī)匣所承受的創(chuàng)技術(shù)是可行的。eCore1 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)研制打算中的第1個(gè)核心機(jī)eCore1，由壓比為16的8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2023年年中在位于美國俄亥俄州皮布爾斯的GE公司高空臺(tái)中完成了笫1階段的試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括氣體動(dòng)力學(xué)特TAPS2023年完成了eCore1笫2階段試驗(yàn)，試驗(yàn)工程包括氣體動(dòng)力學(xué)特性、葉片的氣彈偶合特性、總的適應(yīng)性等，截至2023年9月，eCore1已進(jìn)展了150余小時(shí)試驗(yàn)。eCore2eCore122的10TAPS燃燒室和雙級高效的高壓渦輪組成2023年年中開頭試車，已取得令人鼓舞的結(jié)果。低壓渦輪部件試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)已于2023年完成雙轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性臺(tái)架試驗(yàn)將在2023年進(jìn)展。按CFMI的研制打算，將用8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)展累計(jì)18000循環(huán)試驗(yàn)，GE公司的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)，取適航證前共用13臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)展了15000循環(huán)，兩相比較，LEAP的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)少，說明由于LEAP吸取了GE90、GP7200、GEnx及CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)研制與使用的閱歷與教訓(xùn)，以及承受經(jīng)過大量試驗(yàn)得到驗(yàn)證的創(chuàng)技術(shù)，因而根底較好，可用少量發(fā)動(dòng)機(jī)即可完成研制任務(wù)。圖3為LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)在露天試車臺(tái)上預(yù)備試車的狀況圖3吊裝在露天試車臺(tái)的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用狀況LEAP己被三種雙發(fā)單通道旅客機(jī)選中。2023年12月，我國商用飛機(jī)公司選中LEAP為C919的動(dòng)力，這是LEAP的第1個(gè)用戶，C919打算2023年取得適航證。CFMI將用于C919的發(fā)動(dòng)機(jī)命名為LEAP-1C，推力為124.5-133.5kN。2023年12月空中客車公司選中LEAP為其A320neo的一種候選發(fā)動(dòng)機(jī)，另一候選發(fā)動(dòng)機(jī)為PW1000G。CFMI將用于A320neo的發(fā)動(dòng)機(jī)命名為LEAP-1B，推力為109-146.3kN。2023年8月，波音公司選中LEAP作為其一代客機(jī)B737MAX的動(dòng)力。CFMI將用于B737MAX的發(fā)動(dòng)機(jī)命名為LEAP-1B，推力為89-124.5kN。LEAP名稱中，1表示是LEAP的笫一個(gè)系列發(fā)動(dòng)機(jī)，A、B、C則分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)用于何家飛機(jī)，即A用于空客飛機(jī)，B用于波音飛機(jī)，C用于中