LEAP发动机设计特点

航空新闻中心

将LEAP与GEnx作比较,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,为了使总压比达到50,LEAP只能使高压压气机的增压比要比 GEnx的大。


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(平均级压比高达1.57),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5排可调静叶,如图2所示,与GEnx的相同。

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。

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鸟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,由增压比为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,由增压比为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。

应用情况

LEAP己被三种双发单通道旅客机选中。

2009年12月,中国商用飞机公司选中LEAP为C919的动力,这是LEAP的第1个用户。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LEAP1B,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的第一个系列发动机,A、B、C则分别表示发动机用于某家飞机,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15%,NOX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,随后将进行飞行试验,计划于2016年取得适航证。

LEAP 1A与LEAP 1B总体结构设计特点

总图,各部件的特点前面已作了论述,本节中主要论述两型发动机总体结构设计的一些特点。

LEAP 1A是三型LEAP中推力最大的,其风扇直径为1.98m,风扇与3级增压压气机由7级低压涡轮驱动,LEAP1A是继PW4090与 GEnx后第3型采用7级低压涡轮的发动机。

高压转子采用常用的1 0 1支承方式,高压压气机前的滚珠轴承支承于风扇承力框架上,风扇出口导向叶片作为承力框架中将中心的轴承机匣与外机匣连接起来的承力件;高压涡轮后的滚珠轴承支承于高、低压涡轮间承力框架的轴承座中。低压转子采用了0 2 1三支点支承方式,但紧靠风扇盘后的是大直径滚棒轴承(在以往的发动机中,大多数为滚珠轴承),滚珠轴承位于风扇轴后端,由于风扇轴为一前粗后细的锥型轴,轴后端处直径较小,如滚珠轴承直接装在此处,轴承内径较小,承受轴向负荷的能力很小,为此,在此处安装了独特的外伸轴套,滚珠轴承装在此轴套外径处。

这种支承方式是世纪之交发展的,LEAP是继 GE9115B、PW6000与 GEnx发动机之后第4型采用这种支承方式的。

LEAP-1B是三型LEAP中推力最小的发动机,风扇直径为1.76m,比LEAP 1A 小11%(0.22m),因此低压涡轮少了2级成为5级,其高压转子支承方式同于LEAP 1A的,而低压转子支承方式采用了罕见的0 3 0方式,其中,风扇转子支承方式同于 LEAP 1A的,而5级低压涡轮转子则是悬臂地支承于高、低压涡轮间的承力框架中。

在众多的发动机中,多级低压涡轮转子悬臂支承的发动机还是较少的,例如2级低压涡轮转子悬臂支承的发动机仅有EJ200、RB199与 D27三型,3级低轮转子悬臂支承的发动机仅有苏联库兹列佐夫设计局的NK 62与NK93,至于5级低压涡轮转子悬臂支承的发动机仅有苏联库兹列佐夫设计局设计的NK44,LEAP 1B是世界上第2种5级低压涡轮转子采用悬臂支承的发动机。

5级压涡轮转子悬臂支承,能使整台发动机仅有2个承力框架,当然会使润滑油腔减少1个,相应的管路及封严件都少许多,不仅使零件数少,且能降低发动机重量,但这种设计,会使低压转子的转子动力学带来较大问题。