LEAP发动机的研制与设计特点

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%、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50①，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-146.3kN。

2.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
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。

⑥7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。

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A320neo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%，NO X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
① CFM International LEAP-X From Wikipedia
② LEAP CFM International September 2011
③LEAP-X 发动机的创新牲技术李杰《航空科学技术》2011年笫4期。