LEAP发动机的研制与设计特点

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1、 LEAP发动机的研制与设计特点1. 发展综述LEAP发动机以前称LEAP-X发动机，是GE公司与SNECMA公司（法国赛峰集团下属公司）合资组成的CFM国际公司（CFMI）作为CFM56系列发动机的后继发动机，为下一代先进的双发单通道旅客机研制的、能满足21世纪“绿色航空”要求的先进发动机。 早在2004年，CFMI公司决定发展CFM56系列发动机的后继发动机，为此，在2005年，启动了一项“LEAP（Leading Edge Aviation Propulsion）56先进研究与技术”计划，要求新研制的发动机与CFM56-7B相比，燃油效率提高15%、噪声水平降低75%、NOX排放值比CA

2、EP/6标准低50%以及维修费用与CFM56相当。该项目开发和验证的技术包括：铝、钛和复合材料风扇机匣等轻质结构，先进的复合材料风扇叶片，高效率与高增压比的高压压气机，双环预混旋流器TAPS低排放燃烧室，三维气动设计的涡轮，革新的发电装置设计等发动机基本设计技术，低使用成本的外部硬件，先进轻质齿轮箱，下一代控制装置等发动机系统部件设计技术。 2008年7月正式启动了LEAP发动机的研制工作。LEAP发动机由1级风扇、3级增压压气机、10级高压压气机、第二代TAPS贫油燃烧室、2级高压涡轮与7级低压涡轮组成，涵道比为10，总压比为50，这两个循环参数几乎是CFM56系列发动机的一倍多。罗.罗公司

3、用于B787的遄达1000总压比为52.1，是当今总压比最高的发动机，LEAP的总压比仅比遄达1000的低一点，高于GEnx的45，是当今总压比次高的发动机。 发动机的推力为89kN-146.3kN。2.设计技术特点LEAP发动机中釆用了大量创新的技术： 先进三维编织树脂模传递成型（3-D WRTM）的风扇叶片。这种风扇叶片是三维碳纤维编织物，碳纤维并不是简单层叠在一起，而是采用三维技术编织形成网状结构，使其更加坚固，随后注入树脂并在高压容器内固化。不仅重量轻，耐久性好，抗外物打伤能力强，抗振动性好，而且能够成型复杂型面的叶片。为了考核RTM风扇叶片抗鸟击能力，CFMI在叶片投鸟试验中，大鸟的

4、重量按GE90投大鸟试验时的重量即1.1kg，GE90是当今推力最大的发机，用GE90的标准来考核LEAP抗鸟击的能力，说明CFMI对RTM风扇叶片有足够的信心。 风扇叶片采用了宽弦全三维气动设计，使效率高，叶片数目少，仅18片（CFM56-5中为36片，CFM56-7B中为24片）。风扇叶片直径为1.8m，整个风扇重76kg，而直径为1.5m的CFM56-7B 24片叶片总重高达118kg。 风扇叶片釆用了当前普遍采用的宽弦弯掠式结构，这也是经过斯奈克玛公司采用最新的三维气动设计方法得出的优化结果。越靠近叶尖部分，叶片的弯掠程度越大，大大降低了风扇叶片的流动损失，同时叶片间距减少了25 。从

5、气动性能上看，宽弦叶片可以增大风扇稠度，降低叶片的负荷，从而使工作切线速度得以降低，也就降低了风扇进口相对马赫数；宽弦叶片的流通能力强，风扇流量也会增大，可提高发动机推力。从结构强度上看，宽弦叶片具有抗外物损伤能力，减少叶片数和减轻重量等优点。 LEAP性能优良复合材料制作的风扇叶片技术进步来源于SNECMA 公司20世纪90年代进行的“高效、静音复合材料风扇叶片”(MASCOT) 研究项目提供的技术储备，当时研究了大直径复合材料风扇叶片的空气动力学、声学、力学原理，以提高发动机性能，降低燃油消耗，减少噪声和污染排放等。结果表明，应用该技术制作的叶片不仅重量轻，而且结构牢固，抗大体积鸟撞击能力

6、强，制造成本却相对较低。 风扇机匣采用了复合材料制造，这是继GEnx后笫2种釆用复合材料的GE发动机。由于在风扇部件中采用了复合材料的叶片与机匣创新技术，使装LEAP发动机的飞机每架可减重约450 kg。图1为在航展上展出的LEAP发动机，很清晣地可以看到复合材料的风扇机匣外表面。 图1 航展上展出的LEAP发动机可以看到复合材料的风扇机匣 高性能的核心机。LEAP的核心机是通过CFMI的eCore（e表示高效率低污染）计划发展而来，eCore是集GE90、GP7200与GEnx等发动机的使用经验再加上CFMI的TECH56计划的先进技术发展而来的，它设计成到目前为止是最先进的、效率最好与寿命

7、最长的核心机。LEAP的核心机的特点有：由2级高压涡轮驱动的10级特高增压比的高压压气机；第二代TAPS、贫油燃烧与低污染的燃烧室；高压涡轮中，叶片釆用第三代三维气动设计的叶型，具有先进的气体动力学特性，采用了高性能的材料与先进冷却技术。 先进的第2代双环预混旋流器燃烧室（TAPS II） GE公司发展的TAPS燃烧室首先用于GEnx发动机，使GEnx能满足严格的排污标准，现在又用于LEAP，且作了进一步优化设计，成为第2代双环预混旋流器燃烧室(TAPS II)，将使LEAP氮氧化物（NOX）排放量比CAEP/6的标准低50%。在结构特点上，TAPS燃烧室主燃级燃油喷嘴是气动雾化式， 主混合器

8、空气旋流器的高压空气气流与主燃级燃油的射流垂直相交，使主燃级燃油的雾化更充分，混合度更高，可在燃烧室内形成稳定的主燃级燃烧回流区，以便实现贫油燃烧，从而达到低污染排放的目的。预燃级燃烧回流区和主燃级燃烧回流区可形成一定的交叠，从而形成预燃/主燃旋流交叠区。这样TAPS燃烧室可以仅用一套喷嘴系统实现发动机不同工况燃烧的要求，可实现发动机全工况的贫油燃烧。因此， TAPS燃烧室的燃油燃烧效率更高，火焰温度更低，燃烧室出口温度场也更均匀，污染物排放更低。 7级低压涡轮釆用了新一代三维气动设计，工作叶片采用了先进的耐高温、重量轻的钛铝金属间化合物材料。低压涡轮导向器叶片的材料为陶瓷基复合材料（CMC）

9、，这种CMC材料由碳化硅纤维和陶瓷基体组成，再溶入树脂并加以涂层强化，密度只有镍合金的三分之一。GE 公司在F136 的第三级低压涡轮导向器上首次使用了CMC ，并于2010年F136发动机开始飞行试验后将其应用于LEAP发动机。由于这种材料在耐高温（试验显示这种材料能够承受1204的高温）的同时还能减轻重量（其重量仅为传统材料的1/2甚至更轻），且无需冷却，同时易于加工，因此，不仅可提高发动机效率，而且使发动机重量减轻较多（估计约80kg）。 可变面积风扇外涵喷管（VAFN )。现有高涵道比涡轮风扇发动机的外涵排气喷管面积都是不可变的，这使发动机在起飞和进场时气流出口速度过大，导致发动机噪声

10、较高；在巡航状态下气流出口速度较低，风扇载荷加大，推力下降且油耗上升。VAFN 是通过改变喷管的出口面积来控制出口气流的排气速度，使发动机在不同的工况与风速和大气环境下始终处于最优工作状态，同时有效降低噪声。2005年，波音公司在B777一300ER的锯齿型外涵喷管的每个锯齿处，安装了3个由形状记忆合金( SMA）材料制成的联锁片并通过一个控制器改变喷管的出口面积，在不同的出口流量下保持喷口面积的连续改变。结果证实，发动机在起飞和进场时的噪声大大降低。因此，CFMI也将在LEAP发动机上采用这种可变面积风扇外涵喷管。 发动机和短舱设计成一体化推进系统，将使飞机拥有先进的进气道、声学处理和电动反

11、推力装置，可以充分发挥其气动性能、重量和声学优势。发动机短舱与反推力装置由GE公司下属的中河飞机公司（MRAS）与法国赛峰集团的埃尔赛勒（Aircelle）两公司合资的奈赛公司(Nexcelle)提供，也即发动机的研制单位CFMI与短舱、反推力装置的研制单位Nexcelle是兄弟单位，因此，两公司合作开展的一体化推进系统应该具有较先进的水平。3.特高增压比的高压压气机将LEAP与GEnx作一比较，由循环参数中的涵道比看，两者相同，均为10，而总压比中，GEnx为45，LEAP为50；由级数看，GEnx为1级风扇、4级增压压气机、10级高压压气机、2级高压涡轮与7级低压涡轮，而LEAP基本与其相

12、当，只是增压压气机少1级。也即LEAP的增压压气机少一级，而总压比比GEnx的还高，为了达到50的总压比，LEAP只能使高压压气机的增压比要比GEnx的大。GEnx 10级高压压气机的增压比为23, 平均级压比为1.368，己是在业内属于很高的水平，LEAP的平均级压比比GEnx的还要高，因此CFMI称LEAP的高压压气机为“特高增压比的高压压气机”（ultra high pressure ratio HPC），这是一个难度很大的技术挑战，但是CFMI这么设计，还是有一定的根据。早在1998-2003年，CFMI公司在开展TECH56计划时，设计了增压比为15的全新6 级高载荷高压压气机，在2

13、000年3月及2001年的两次试验中，整个推力范围内均未发生失速；2001年3月改进的高压压气机实验结果良好，采用了前掠翼转子，其中1 级和2级工作叶片为整体叶盘设计、弓形后掠翼叶片。工作叶片叶尖采用特殊的加强设计，机匣采用新的表面处理，3排可调进口导向器叶片。LEAP的高压压气机充分借鉴了CFMI公司在TECH56 计划中获得的研究成果。相比CFM56发动机（高压压气机增压比为11），LEAP发动机的高压压气机长度没有增加，但增压比却大大提高。LEAP核心机将采用双级高压涡轮，10级增压比特高的高压压气机。由于采用第三代三维气动设计技术，发动机的喘振裕度提高15 % , 压气机叶片数量减少1

14、0。此外，高压压气机1-4 级采用整体叶盘设计，还有可能采用GE 公司研究近20 年的轻型钛铝合金材料，核心机的重量将大大减轻。由航展上展出的LEAP发动机看，高压压气机上采用了五排可调静叶（图2），与GEnx的相同。 图2 LEAP高压压气机机匣 可见5排可调静叶4. 试验为了验证LEAP采用的创新技术的可行性，从2009年起开展了一系列试验。风扇 2009年，将全尺的风扇叶片装在由CFM56-5C改装的发动机上进行了风扇试验，LEAP的风扇成功地通过了气动力学、性能、侧风与声学的全部试验。2010年，按照研制计划，进行了风扇叶片的抗乌击试验与叶片甩离试验，这些试验的结果表明，LEAP的风扇

15、叶片完全达到设计的要求。2011年，一台全复合材料的风扇部件（机匣与叶片）完成了包容试验与耐久性试验，表明风扇叶片与机匣所采用的创新技术是可行的。eCore1 LEAP发动机研制计划中的第1个核心机eCore1，由压比为16的8级高压压气机，第二代双环腔预混旋流（TAPS ）燃烧室和单级高效的高压涡轮组成，于2009年年中在位于美国俄亥俄州皮布尔斯的GE公司高空台中完成了笫1阶段的试验，试验内容包括气体动力学特性、性能、颤振响应、适应性、TAPS燃烧室以及整机动力学特性等。2010年完成了eCore1笫2阶段试验，试验项目包括气体动力学特性、叶片的气弹偶合特性、总的适应性等，截至2011年9月

16、，eCore1已进行了150余小时试验。eCore2 即生产型核心机，是根据eCore1试验结果进行修改后的、将用于生产型发动机的核心机，由压比为22的10级高压压气机、第二代TAPS燃烧室和双级高效的高压涡轮组成，从2011年年中开始试车，已取得令人鼓舞的结果。低压涡轮部件试验台试验 已于2011年完成双转子动力特性台架试验 将在2013年进行。 按CFMI的研制计划，将用8台发动机进行累计18000循环试验，GE公司的GE90发动机，取适航证前共用13台发动机进行了15000循环，两相比较，LEAP的试验发动机数少，说明由于LEAP吸收了GE90、GP7200、GEnx及CFM56系列发动

17、机研制与使用的经验与教训，以及采用经过大量试验得到验证的创新技术，因而基础较好，可用少量发动机即可完成研制任务。 图3为LEAP发动机在露天试车台上准备试车的情况 图3 吊装在露天试车台的LEAP发动机 5. 应用情况LEAP己被三种双发单通道旅客机选中。2009年12月，我国商用飞机公司选中LEAP为C919的动力，这是LEAP的第1个用户，C919计划2016年取得适航证。CFMI将用于C919的发动机命名为LEAP-1C，推力为124.5-133.5kN。 2010年12月空中客车公司选中LEAP为其A320neo的一种候选发动机，另一候选发动机为PW1000G。CFMI将用于A320n

18、eo的发动机命名为LEAP-1B，推力为109-146.3kN。 2011年8月，波音公司选中LEAP作为其新一代客机B737MAX的动力。CFMI将用于B737MAX的发动机命名为LEAP-1B，推力为89-124.5kN。 LEAP名称中，1表示是LEAP的笫一个系列发动机，A、B、C则分别表示发动机用于何家飞机，即A用于空客飞机，B用于波音飞机，C用于中国商飞的飞机。 与CFM56-7B相比，LEAP的燃油效率提高16%，NOX排放量低60%，噪声水平低10-15dB，而可靠性维持CFM56的水平。LEAP全尺寸整机试验将于2013初进行，隨后将进行飞行试验，计划于2016年取得适航证。 参考资料 CFM International LEAP-X From Wikipedia LEAP CFM International September 2011 LEAP-X 发动机的创新牲技术 李杰 航空科学技术2011年笫4期