LEAP发动机的研制与设计特点

6进展综述

LEAP发动机的研制与设计特点LEAPLEAP-XGESNECMA〔法国赛峰集团下属公司〕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2023年，CFMI公司打算进展CFM562023年，启动了一项“LEAP〔LeadingEdgeAviationPropulsion〕56先进争论与技术”打算，要求研制的发动机与CFM56-7B15%75%NOX排放值比CAEP/6标准低50%以及修理费用与CFM56相当。该工程开发和验证的技术包括：铝、钛和复合材预混旋流器TAPS技术。2023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、其次代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10，5CFM5B78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45，89kN-146.3kN。设计技术特点LEAP发动机中釆用了大量创的技术：①先进三维编织树脂模传递成型〔3-DWRTM〕的风扇叶片。这种风扇叶片是三维碳纤维编织物，碳纤维并不是简洁层叠在一起，而是承受三维技术编织形成网状构造，使其更加结实，随后注入树脂并在高压容器内固化。不仅重量轻，耐久性好，抗外物打伤力气强，抗振动性好，而且能够成型简洁型面的叶片。为了考核RTM风扇叶片抗鸟击力气，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抗鸟击的力气，说明CFMI对RTM风扇叶片有足够的信念。②风扇叶片承受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CFM56-7B24片叶片总重高达118kg。风扇叶片釆用了当前普遍承受的宽弦弯掠式构造，这也是经过斯奈克玛公司承受最的三维气动设计方法得出的优化结果。越靠近叶尖局部，叶片的弯掠程度越大，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；宽弦叶片的流通力气强，风扇流量也会增大，可提高发动机推力。从构造强度上看，宽弦叶片具有抗外物损伤力气，削减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年月进展的“高效、静音复合材料风扇叶片”(MASCOT)争论工程供给的技术贮存，当时争论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，削减噪声和污染排放等。结果说明，应用该技术制作的叶片不仅重量轻，而且构造结实，抗大体积鸟撞击力气强，制造本钱却相对较低。GEnx后笫2种釆用复合材料的GE在风扇部件中承受了复合材料的叶片与机匣创技术，使装LEAP发动机的飞机每架可减重约450kg。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外表。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〕打算进展而来，eCore是集GE90、GP7200与GEnx等发动机的使用阅历再加上CFMI的TECH56打算的先进技术进展而来的，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；其次代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，承受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〔TAPSII〕GE公司进展的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(TAPSII)，将使LEAP氮氧化物〔NO

〕排放量X比CAEP/6的标准低50%。在构造特点上，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，从而到达低污染排放的目的。预燃级燃烧回流区和主燃级燃烧回流区可形成确定的交叠，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。⑥7级低压涡轮釆用了一代三维气动设计，工作叶片承受了先进的耐高温、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2023年F136发动机开头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1/甚至更轻机效率，而且使发动机重量减轻较多〔。〔VAFN)都是不行变的，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VAFN是通过转变喷管的出口面积来把握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。2023年，波音公司在B777一300ER3个由外形记忆合金(SMA〕材料制成的联锁片并通过一个把握器转变喷管的出口面积，在不同的出口流量下保持喷口面积的连续转变。结果证明，发动机在起飞和进场时的噪声大大降低。因此，CFMI也将在LEAP发动机上承受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动系统，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)供给，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具有较先进的水平。特高增压比的高压压气机LEAPGEnx作一比较，由循环参数中的涵道比看，两者一样，均为10，而总压比中，GEnx45，LEAP50；由级数看，GEnx1级风扇、4级增压压气机、10级高压压气机、27级低压涡轮，而LEAP根本与其相当，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GEnx50的总压比，LEAP只能使高压压气机的增压比要比GEnx的大。GEnx10级高压压气机的增压比为23,1.368，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〔ultrahighpressureratioHPC〕，这是一个难度很大的技术挑战，但是CFMI这么设计，还是有确定的依据。早在1998-2023CFMI公司在开展TECH5615的全6级20233202320233月改进的高压压气机试验结果良好，承受了前掠翼转子，其中12级工作叶面处理，3排可调进口导向器叶片。LEAPCFMI公司在TECH56打算中获得的争论成果。相比CFM56发动机〔高压压气机增压比为1LEAPLEAP核心机将承受双级高压涡轮，10承受第三代三维气动设计技术，发动机的喘振裕度提高15%,10％。1-4GE20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，高压压气机上承受了五排可调静叶〔图2〕，与GEnx的一样。图2 LEAP高压压气机机匣可见5排可调静叶试验为了验证LEAP承受的创技术的可行性，从2023年起开展了一系列试验。风扇2023CFM56-5C改装的发动机上进展了风扇试验，LEAP的2023年，依据研制打算，进展LEAP的风扇叶片完全到达设计的要求。2023〔机匣与叶片〕完成了包涵试验与耐久性试验，说明风扇叶片与机匣所承受的创技术是可行的。eCore1 LEAP发动机研制打算中的第1个核心机eCore1，由压比为16的8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2023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TAPS2023年完成了eCore1笫2阶段试验，试验工程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2023年9月，eCore1已进展了150余小时试验。eCore2eCore122的10TAPS燃烧室和双级高效的高压涡轮组成2023年年中开头试车，已取得令人鼓舞的结果。低压涡轮部件试验台试验已于2023年完成双转子动力特性台架试验将在2023年进展。按CFMI的研制打算，将用8台发动机进展累计18000循环试验，GE公司的GE90发动机，取适航证前共用13台发动机进展了15000循环，两相比较，LEAP的试验发动机数少，说明由于LEAP吸取了GE90、GP7200、GEnx及CFM56系列发动机研制与使用的阅历与教训，以及承受经过大量试验得到验证的创技术，因而根底较好，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预备试车的状况图3吊装在露天试车台的LEAP发动机应用状况LEAP己被三种双发单通道旅客机选中。2023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打算2023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。2023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A320neo的发动机命名为LEAP-1B，推力为109-146.3kN。2023年8月，波音公司选中LEAP作为其一代客机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