LEAP_X發(fā)動機的創(chuàng)新性技術(shù)

1、AW.綜述 OverviewLEAP-廢動機的創(chuàng)新性技術(shù)Technology Innovations of LEAP - X李杰/西安航空動力股份有限公司摘 要:LEAP-X發(fā)動機是CFM1際公司研發(fā)的新一代發(fā)動機，采用了許多先進技術(shù)。本文就 LEAP-X發(fā)動機的先 進技術(shù)創(chuàng)新做一概括性分析，供相關(guān)人士參考。關(guān)鍵詞：TECH56計劃；LEAP56計劃；TAPS II燃燒室；LEAP- X發(fā)動機；創(chuàng)新技術(shù)Keywords: TECH56 ； LEAP 56 ； TAPS II combustor ； LEAP-X engine ； technology innovations2011/4 航空科

2、學(xué)技術(shù)AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY 1012 f hina Academic Jaur01li rights rese0引言作為CFM國際公司正在研發(fā)的 新一代發(fā)動機，LEAP - X發(fā)動機采用 了許多創(chuàng)新性先進技術(shù)和先進材料。LEAP - X與最新的CFM56發(fā)動機相 比，力爭將發(fā)動機單體的燃油消耗減少 16%，其中7.0 %將通過優(yōu)化涵道比實 現(xiàn)，7.0%將通過革新壓氣機、燃燒室及 計算流體動力學(xué)（CFD ）等核心技術(shù)實 現(xiàn)，而剩余的1.5%將通過改進發(fā)動機系 統(tǒng)實現(xiàn)。在涵道比方面，LEAP - X發(fā)動 機的涵道比將從目前 CFM56的5.5左

3、右 提咼至9以上。LEAP- X發(fā)動機的研發(fā)得益于 CFM國際公司為保持其在世界商用發(fā) 動機市場上的領(lǐng)先地位而進行的大飛 機發(fā)動機技術(shù)研究計劃：TECH56計劃 和LEAP計劃。1 TECH56計戈U和LEAP計戈U1.1 TECH56 計戈U19982003年，CFM國際公司實 施了 TECH56計劃，其目標是：與1999 年水平的CFM56發(fā)動機相比，擁有成 本（Own er Cost ）降低15%25%，燃油 消耗率降低4%7%，維護成本降低 15%20%，氮氧化物（NOx）排放降低到 低于國際民航組織規(guī)定水平的50%，噪聲 相對于FAR36第3階段的水平降低20dB。通過該計劃，CFM

4、國際公司開發(fā)和 驗證了金屬材料空心彎掠風(fēng)扇葉片、新的 高載荷高壓壓氣機、低排放的雙環(huán)腔貧油 預(yù)混燃燒室、高載荷高壓渦輪、對轉(zhuǎn)低壓 渦輪和對轉(zhuǎn)差動軸承、鋸齒形噴管、全功 能數(shù)字式發(fā)動機控制器、低噪聲噴氣技術(shù) 和風(fēng)扇隔離器技術(shù)等。這些技術(shù)滿足甚至 超過了 TECH56十劃的預(yù)期目標。1.2 LEAP56 計劃在TECH56計劃之后，CFM國際公 司確定了 CFM56發(fā)動機的未來發(fā)展方 向，即總運行成本逐步降低、結(jié)構(gòu)設(shè)計更 加牢固、噪聲明顯降低、排放大大降低、 循環(huán)參數(shù)實現(xiàn)最優(yōu)、控制更加高效。系統(tǒng) 集成性明顯改善等。為此，CFM國際公 司啟動了 LEAP計劃，為未來30年或更遠 的發(fā)動機開發(fā)和驗證更

5、先進的技術(shù)。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 且低油耗的高壓壓氣機，雙環(huán)預(yù)混旋流 器低排放燃燒室，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)?；炯夹g(shù)的部件 驗證試驗于2007年開始，23年后進行 了系統(tǒng)驗證試驗。這些技術(shù)將于2013年 前在 CFM56發(fā)動機上投入使用。2研制進展LEAP - X發(fā)動機是CFM國際公司 LEAP56計劃研究成果的實際應(yīng)用。2009年明，GE公司在位于美國俄亥 俄州Peeble的戶外試驗臺，對

6、LEAP- X發(fā) 動機的風(fēng)扇和壓氣機進行首次測試（安 裝在現(xiàn)有的CFM56 - 5C發(fā)動機上）。在 被運到Peebles之前，風(fēng)扇和壓氣機已在 斯奈克瑪公司位于法國 Villaroche的基 地完成了氣動及性能試驗。隨后還進行 了廣泛的側(cè)風(fēng)試驗和聲學(xué)試驗以測量 在多種不同運行條件下的噪聲水平。2011年1月，CFM國際公司宣布完 成了發(fā)動機葉片飛岀包容性試驗。試驗 時使一片或數(shù)片葉片斷裂，驗證發(fā)動機 風(fēng)扇機匣的包容性，之后繼續(xù)運轉(zhuǎn)一段 時間，模擬安全著陸的過程。2011年5月，CFM國際公司開始 eCore2核心機的試驗。eCore2核心機采 用10級高壓壓氣機和2級高壓渦輪，同 時采用貧油、

7、低污染TAPS燃燒室。第三 臺核心機試驗計劃于2012年開始。航空科學(xué)基金 Aero nautical Scie nee Fund綜述 Overview2011年第一季度完成先進三維編 織樹脂模傳遞成型（3 - DWRTM ）風(fēng)扇 以及復(fù)合材料機匣的5000循環(huán)的耐久 性試驗。同時，采用MASCOT風(fēng)扇的驗 證機在2010年和2011年將會再累計近 400小時試驗時間。按計劃，LEAP - X1A發(fā)動機將于 2012年進行驗證型發(fā)動機試車，并爭取 在2016年取證，隨A320neo投入商業(yè)運 營。LEAP - X發(fā)動機具體的性能參數(shù) 還未公布，可能的原因是目前只完成了 核心機和風(fēng)扇的氣動機性能

8、試驗，而整 機試驗剛開始。LEAP - X發(fā)動機的研發(fā) 與以往商用發(fā)動機的研發(fā)有所不同，沒有先期公布發(fā)動機設(shè)計的性能參數(shù)，給 岀的是燃油消耗和污染物排放目標。3創(chuàng)新性技術(shù)LEAP- X發(fā)動機采用了許多行業(yè)內(nèi) 領(lǐng)先的創(chuàng)新性技術(shù)，包括超高壓比核心 機、三維編織樹脂模傳遞成型復(fù)合材料風(fēng) 扇葉片、復(fù)合材料風(fēng)扇機匣、第三代三維 氣動設(shè)計壓氣機和渦輪葉片設(shè)計技術(shù)、第 二代雙環(huán)預(yù)混旋流器（TAPS II）燃燒室技 術(shù)、可變面積外涵噴管和先進材料等。發(fā) 動機和短艙將作為一體化推進系統(tǒng)來設(shè) 計，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。圖1是LEAP- X發(fā)動機 部

9、分創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)示意圖。按CFM國際公司的傳統(tǒng)，LEAP- X 發(fā)動機仍由斯奈克瑪公司負責(zé)開發(fā)包 括進氣道、風(fēng)扇、低壓壓氣機、低壓渦 輪、附件機匣和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等低壓部分， GE公司負責(zé)核心機研制。1）超高壓比核心機LEAP - X的核心機為超高壓比核 心機，其壓比是目前CFM56發(fā)動機的兩 倍，擁有8級壓氣機、1個單級高壓渦輪 和先進的第二代雙環(huán)預(yù)混旋流器燃燒 室，是“ eCore”核心機研發(fā)項目的首次 應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)更簡單緊湊、重量更輕， 壓氣機和渦輪承載能力更強、效率更高；發(fā)動機的調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)更先進。2）可變面積風(fēng)扇外涵噴管LEAP - X發(fā)動機采用了可變面積 風(fēng)扇外涵噴管。通過調(diào)節(jié)發(fā)動機

10、外涵道 的面積，控制外涵氣流速度，在不同飛 行狀態(tài)下都可使發(fā)動機始終處于最佳 工作狀態(tài)，同時還可以有效降低噪聲。3）先進碳纖維復(fù)合材料風(fēng)扇葉片LEAP - X的涵道比約為1011,是 目前CFM56發(fā)動機的兩倍，可以有效降 低噪聲并提高推進效率。風(fēng)扇葉片也是 發(fā)動機整體技術(shù)水平的重要標志之一。 為了改善進氣效率（加大進氣流量、降 低進氣噪聲等），新一代渦扇發(fā)動機的 風(fēng)扇葉片采用寬弦、三維氣動設(shè)計，且 數(shù)量大幅度減少。LEAP - X的風(fēng)扇葉片數(shù)量只有18 片，直徑為1.8米，總重為76千克。而且 空氣動力性能大幅優(yōu)化。為了有效減 重,LEAP - X發(fā)動機的風(fēng)扇葉片邊緣將 采用鈦合金，葉片本身

11、為采用三維編織 樹脂模傳遞成型技術(shù)制造的復(fù)合材料 風(fēng)扇葉片（圖2）。LEAP - X發(fā)動機的風(fēng)扇葉片總重 為76千克，而CFM56系列發(fā)動機的24 個1.5米葉片總重118千克。試驗結(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，抗鳥撞能力強，制造 成本卻相對較低。4）TAPS II燃燒室先進的第二代雙環(huán)預(yù)混旋流器燃燒 室（TAPS II ）是隨著GE公司低排放燃燒 室技術(shù)的發(fā)展而演進岀來的。LEAP - X 的TAPS II燃燒室的氮氧化物（NOx）排放高于85%的涵道比高于50%的核心機壓縮比第3代三維氣動設(shè)計低壓渦輪三維編織RTM復(fù)合材料 風(fēng)扇葉片TAPS 燃燒室面積可調(diào)風(fēng)扇

12、噴口圖2三維編織樹脂模傳遞成型復(fù)合材料風(fēng) 扇葉片圖1 LEAP-X發(fā)動機部分關(guān)鍵創(chuàng)新性技術(shù)示意圖2011/4航空科學(xué)技術(shù) 13AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGYhttp: /Ak i.iiei: 994-2012 <?hina Academic Jflumal Klcctrfjnic 'ublisbira I loue. All riahts res綜述 Overview1414圖3新一代高壓渦輪葉片圖4陶瓷基復(fù)合材料低壓渦輪導(dǎo)向器葉片量將比CAEP6的標準低50%。在結(jié)構(gòu)特點上，TAPS燃燒室燃油 噴嘴的主燃級燃油噴射采用的是氣動 霧化式

13、；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相垂直， 目的是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)。這種混合形式的燃 燒模式在現(xiàn)代商用航空發(fā)動機燃燒室 中采用較多，特別是用于具有多燃級燃 燒的主燃級燃燒中，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。由于燃油預(yù)先與空氣混合后噴入 燃燒區(qū)進行燃燒，燃燒區(qū)也處于貧油狀 態(tài)。從燃燒室的燃燒區(qū)分布來看，TAPS 燃燒室的燃燒分區(qū)更合理，可實現(xiàn)

14、發(fā)動 機全工況的貧油燃燒。就燃油燃燒效率 而言，TAPS燃燒室的燃油燃燒效率更 高，火焰溫度更低，燃燒室岀口溫度場 也更均勻，污染物排放更低。因此，TAPS 燃燒室是更為先進、結(jié)構(gòu)更為簡潔的燃 燒室，并大大降低了氮氧化物排放。5）新一代低剛性高載荷高壓渦輪LEAP- X發(fā)動機的高壓渦輪采用了 低剛性高載荷設(shè)計，目前LEAP - X核心 機單級高壓渦輪的設(shè)計壓比是 16 o渦輪 葉片（圖3）材料為先進的渦輪葉型材料 （ATAMS ）還應(yīng)用了經(jīng)過驗證的渦輪導(dǎo) 向器新結(jié)構(gòu)，新的氣動設(shè)計技術(shù)和減震葉 片，使得LEAP- X發(fā)動機的高壓渦輪的效 率和耐久性大幅提高，而重量明顯降低。6）新一代三維氣動設(shè)計

15、低壓渦輪LEAP - X發(fā)動機的低壓渦輪采用 了新一代三維氣動設(shè)計。低壓渦輪轉(zhuǎn) 子葉片使用了先進的耐高溫、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 ），其質(zhì)量僅為傳統(tǒng)材料的1/2甚 至更輕，但可以耐1200 C以上的高溫， 且無需冷卻，易于加工（圖4）o7）集成推進系統(tǒng)LEAP - X發(fā)動機和短艙可作為一 體化推進系統(tǒng)來設(shè)計，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。8）其他創(chuàng)新性技術(shù)LEAP- X發(fā)動機上采用的其他關(guān)鍵創(chuàng)新性技術(shù)還有：復(fù)合材料風(fēng)扇機匣；更 輕的風(fēng)扇包容機匣、先進的冷卻技術(shù)、新

16、的耐高溫材料、先進的控制診斷技術(shù)以及全新的性能保持特性技術(shù)等。4結(jié)束語今年6月，CFM國際公司將三維編 織樹脂模傳遞成型技術(shù)制造的復(fù)合材 料風(fēng)扇葉片確定為LEAP-X發(fā)動機的第1001項技術(shù)創(chuàng)新，這說明LEAP- X發(fā)動 機上應(yīng)用的創(chuàng)新性技術(shù)將不少于1000項。為了贏得市場和在競爭中占據(jù)優(yōu)勢， 將這么多創(chuàng)新技術(shù)集中用于一款正在研 制的新型商用發(fā)動機是前所未有的。 這 充分說明了技術(shù)創(chuàng)新在新型號發(fā)動機研 發(fā)中的重要性，也顯示岀研發(fā)第三代商 用航空發(fā)動機的門檻大為提高。由于結(jié)合了先進的空氣動力學(xué)設(shè) 計，使用了更輕耐久性更強的材料和更 前沿的環(huán)保技術(shù)使得 LEAP - X成為發(fā) 動機技術(shù)上的一次重大

17、突破。大飛機發(fā)動機項目是我國航空發(fā)動 機行業(yè)難得的發(fā)展機遇，參考、借鑒和學(xué) 習(xí)國外的先進技術(shù)是非常必要的。 本文 就LEAP- X發(fā)動機的先進技術(shù)創(chuàng)新做一概括性分析，以供相關(guān)人士參考參考文獻1 Bachelet E. Advaneed tech no logy engines for the n ext generation of aircraft ,another leap forward for LEAP tech no logyC , ISTAT 27th Annual Conference,15 March 20102 Be ngue L M. Toward ACARE 2020: inno vative engine architectures to achive the environment goalsC.27th In ter nati onal co