【2017年整理】LEAP发动机的研制与设计特点.doc

1LEAP 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%、NO X排放值比CAEP/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 ① ，这两个循环参数几乎是CFM56系列发动机的一倍多罗.罗公司用于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-146.3kN2.设计技术特点LEAP发动机中釆用了大量创新的技术：① 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② 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2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强，制造成本却相对较低。

③ 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④ 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⑤ 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（NO X）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⑥ 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），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3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） 。

⑦ 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⑧ 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 2000 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10％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 4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 ②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、TAPSⅡ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，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1500。