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

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與設(shè)計(jì)特點(diǎn)1. 發(fā)展綜述LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)以前稱LEAP-X發(fā)動(dòng)機(jī)，是GE公司與SNECMA公司（法國(guó)賽峰集團(tuán)下屬公司）合資組成的CFM國(guó)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2004年，CFMI公司決定發(fā)展CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的后繼發(fā)動(dòng)機(jī)，為此，在2005年，啟動(dòng)了一項(xiàng)“LEAP（Leading Edge Aviation Propulsion）56先進(jìn)研究與技術(shù)”計(jì)劃，要求新研制的發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)低50%以及維修費(fèi)用與CFM56相當(dāng)。該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的技術(shù)包括：鋁、鈦和復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，先進(jìn)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(jī)，雙環(huán)預(yù)混旋流器TAPS低排放燃燒室，三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)的渦輪，革新的發(fā)電裝置設(shè)計(jì)等發(fā)動(dòng)機(jī)基本設(shè)計(jì)技術(shù)，低使用成本的外部硬件，先進(jìn)輕質(zhì)齒輪箱，下一代控制裝置等發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)技術(shù)。 2008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(jí)風(fēng)扇、3級(jí)增壓壓氣機(jī)、10級(jí)高壓壓氣機(jī)、第二代TAPS貧油燃燒室、2級(jí)高壓渦輪與7級(jí)低壓渦輪組成，涵道比為10，總壓比為50，這兩個(gè)循環(huán)參數(shù)幾乎是CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的一倍多。羅.羅公司用于B787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，是當(dāng)今總壓比次高的發(fā)動(dòng)機(jī)。 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力為89kN-146.3kN。2.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)新的技術(shù)： 先進(jìn)三維編織樹(shù)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(jiǎn)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(jiān)固，隨后注入樹(shù)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(qiáng)，抗振動(dòng)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(niǎo)擊能力，CFMI在葉片投鳥(niǎo)試驗(yàn)中，大鳥(niǎo)的重量按GE90投大鳥(niǎo)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(lái)考核LEAP抗鳥(niǎo)擊的能力，說(shuō)明CFMI對(duì)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(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CFM56-7B 24片葉片總重高達(dá)118kg。 風(fēng)扇葉片釆用了當(dāng)前普遍采用的寬弦彎掠式結(jié)構(gòu)，這也是經(jīng)過(guò)斯奈克瑪公司采用最新的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法得出的優(yōu)化結(jié)果。越靠近葉尖部分，葉片的彎掠程度越大，大大降低了風(fēng)扇葉片的流動(dòng)損失，同時(shí)葉片間距減少了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(duì)馬赫數(shù)；寬弦葉片的流通能力強(qiáng)，風(fēng)扇流量也會(huì)增大，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力。從結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(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(lái)源于SNECMA 公司20世紀(jì)90年代進(jìn)行的“高效、靜音復(fù)合材料風(fēng)扇葉片”(MASCOT) 研究項(xiàng)目提供的技術(shù)儲(chǔ)備，當(dāng)時(shí)研究了大直徑復(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，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(niǎo)撞擊能力強(qiáng)，制造成本卻相對(duì)較低。 風(fēng)扇機(jī)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(dòng)機(jī)。由于在風(fēng)扇部件中采用了復(fù)合材料的葉片與機(jī)匣創(chuàng)新技術(shù)，使裝LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)每架可減重約450 kg。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)匣外表面。 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 高性能的核心機(jī)。LEAP的核心機(jī)是通過(guò)CFMI的eCore（e表示高效率低污染）計(jì)劃發(fā)展而來(lái)，eCore是集GE90、GP7200與GEnx等發(fā)動(dòng)機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)再加上CFMI的TECH56計(jì)劃的先進(jìn)技術(shù)發(fā)展而來(lái)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(zhǎng)的核心機(jī)。LEAP的核心機(jī)的特點(diǎn)有：由2級(jí)高壓渦輪驅(qū)動(dòng)的10級(jí)特高增壓比的高壓壓氣機(jī)；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(dòng)設(shè)計(jì)的葉型，具有先進(jìn)的氣體動(dòng)力學(xué)特性，采用了高性能的材料與先進(jìn)冷卻技術(shù)。 先進(jìn)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(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(TAPS II)，將使LEAP氮氧化物（NOX）排放量比CAEP/6的標(biāo)準(zhǔn)低50%。在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上，TAPS燃燒室主燃級(jí)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(jí)燃油的射流垂直相交，使主燃級(jí)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(jí)燃燒回流區(qū)，以便實(shí)現(xiàn)貧油燃燒，從而達(dá)到低污染排放的目的。預(yù)燃級(jí)燃燒回流區(qū)和主燃級(jí)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(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(chǎng)也更均勻，污染物排放更低。 7級(jí)低壓渦輪釆用了新一代三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，工作葉片采用了先進(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(shù)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(jí)低壓渦輪導(dǎo)向器上首次使用了CMC ，并于2010年F136發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始飛行試驗(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?jī)H為傳統(tǒng)材料的1/2甚至更輕），且無(wú)需冷卻，同時(shí)易于加工，因此，不僅可提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，而且使發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕較多（估計(jì)約80kg）。 可變面積風(fēng)扇外涵噴管（VAFN )?，F(xiàn)有高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵排氣噴管面積都是不可變的，這使發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛和進(jìn)場(chǎng)時(shí)氣流出口速度過(guò)大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)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(guò)改變噴管的出口面積來(lái)控制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。2005年，波音公司在B777一300ER的鋸齒型外涵噴管的每個(gè)鋸齒處，安裝了3個(gè)由形狀記憶合金( SMA）材料制成的聯(lián)鎖片并通過(guò)一個(gè)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在起飛和進(jìn)場(chǎng)時(shí)的噪聲大大降低。因此，CFMI也將在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)上采用這種可變面積風(fēng)扇外涵噴管。 發(fā)動(dòng)機(jī)和短艙設(shè)計(jì)成一體化推進(jìn)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(shì)。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(guó)賽峰集團(tuán)的埃爾賽勒（Aircelle）兩公司合資的奈賽公司(Nexcelle)提供，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是兄弟單位，因此，兩公司合作開(kāi)展的一體化推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)該具有較先進(jìn)的水平。3.特高增壓比的高壓壓氣機(jī)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(jí)數(shù)看，GEnx為1級(jí)風(fēng)扇、4級(jí)增壓壓氣機(jī)、10級(jí)高壓壓氣機(jī)、2級(jí)高壓渦輪與7級(jí)低壓渦輪，而LEAP基本與其相當(dāng)，只是增壓壓氣機(jī)少1級(jí)。也即LEAP的增壓壓氣機(jī)少一級(jí)，而總壓比比GEnx的還高，為了達(dá)到50的總壓比，LEAP只能使高壓壓氣機(jī)的增壓比要比GEnx的大。GEnx 10級(jí)高壓壓氣機(jī)的增壓比為23, 平均級(jí)壓比為1.368，己是在業(yè)內(nèi)屬于很高的水平，LEAP的平均級(jí)壓比比GEnx的還要高，因此CFMI稱LEAP的高壓壓氣機(jī)為“特高增壓比的高壓壓氣機(jī)”（ultra high pressure ratio HPC），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)，還是有一定的根據(jù)。早在1998-2003年，CFMI公司在開(kāi)展TECH56計(jì)劃時(shí)，設(shè)計(jì)了增壓比為15的全新6 級(jí)高載荷高壓壓氣機(jī)，在2000年3月及2001年的兩次試驗(yàn)中，整個(gè)推力范圍內(nèi)均未發(fā)生失速；2001年3月改進(jìn)的高壓壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好，采用了前掠翼轉(zhuǎn)子，其中1 級(jí)和2級(jí)工作葉片為整體葉盤(pán)設(shè)計(jì)、弓形后掠翼葉片。工作葉片葉尖采用特殊的加強(qiáng)設(shè)計(jì)，機(jī)匣采用新的表面處理，3排可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)向器葉片。LEAP的高壓壓氣機(jī)充分借鑒了CFMI公司在TECH56 計(jì)劃中獲得的研究成果。相比CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)（高壓壓氣機(jī)增壓比為11），LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)長(zhǎng)度沒(méi)有增加，但增壓比卻大大提高。LEAP核心機(jī)將采用雙級(jí)高壓渦輪，10級(jí)增壓比特高的高壓壓氣機(jī)。由于采用第三代三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度提高15 % , 壓氣機(jī)葉片數(shù)量減少10。此外，高壓壓氣機(jī)1-4 級(jí)采用整體葉盤(pán)設(shè)計(jì)，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(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(jī)機(jī)匣 可見(jiàn)5排可調(diào)靜葉4. 試驗(yàn)為了驗(yàn)證LEAP采用的創(chuàng)新技術(shù)的可行性，從2009年起開(kāi)展了一系列試驗(yàn)。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(dòng)機(jī)上進(jìn)行了風(fēng)扇試驗(yàn)，LEAP的風(fēng)扇成功地通過(guò)了氣動(dòng)力學(xué)、性能、側(cè)風(fēng)與聲學(xué)的全部試驗(yàn)。2010年，按照研制計(jì)劃，進(jìn)行了風(fēng)扇葉片的抗烏擊試驗(yàn)與葉片甩離試驗(yàn)，這些試驗(yàn)的結(jié)果表明，LEAP的風(fēng)扇葉片完全達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。2011年，一臺(tái)全復(fù)合材料的風(fēng)扇部件（機(jī)匣與葉片）完成了包容試驗(yàn)與耐久性試驗(yàn)，表明風(fēng)扇葉片與機(jī)匣所采用的創(chuàng)新技術(shù)是可行的。eCore1 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)研制計(jì)劃中的第1個(gè)核心機(jī)eCore1，由壓比為16的8級(jí)高壓壓氣機(jī)，第二代雙環(huán)腔預(yù)混旋流（TAPS ）燃燒室和單級(jí)高效的高壓渦輪組成，于2009年年中在位于美國(guó)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)特性、性能、顫振響應(yīng)、適應(yīng)性、TAPS燃燒室以及整機(jī)動(dòng)力學(xué)特性等。2010年完成了eCore1笫2階段試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括氣體動(dòng)力學(xué)特性、葉片的氣彈偶合特性、總的適應(yīng)性等，截至2011年9月，eCore1已進(jìn)行了150余小時(shí)試驗(yàn)。eCore2 即生產(chǎn)型核心機(jī)，是根據(jù)eCore1試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修改后的、將用于生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)，由壓比為22的10級(jí)高壓壓氣機(jī)、第二代TAPS燃燒室和雙級(jí)高效的高壓渦輪組成，從2011年年中開(kāi)始試車，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2011年完成雙轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性臺(tái)架試驗(yàn) 將在2013年進(jìn)行。 按CFMI的研制計(jì)劃，將用8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行累計(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)行了15000循環(huán)，兩相比較，LEAP的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)少，說(shuō)明由于LEAP吸收了GE90、GP7200、GEnx及CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)研制與使用的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，以及采用經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)得到驗(yàn)證的創(chuàng)新技術(shù)，因而基礎(chǔ)較好，可用少量發(fā)動(dòng)機(jī)即可完成研制任務(wù)。 圖3為L(zhǎng)EAP發(fā)動(dòng)機(jī)在露天試車臺(tái)上準(zhǔn)備試車的情況 圖3 吊裝在露天試車臺(tái)的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī) 5. 應(yīng)用情況LEAP己被三種雙發(fā)單通道旅客機(jī)選中。2009年12月，我國(guó)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計(jì)劃2016年取得適航證。CFMI將用于C919的發(fā)動(dòng)機(jī)命名為L(zhǎng)EAP-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(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L(zhǎng)EAP-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(jī)B737MAX的動(dòng)力。CFMI將用于B737MAX的發(fā)動(dòng)機(jī)命名為L(zhǎng)EAP-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、