CFM的下一代清洁动力 ——LEAP-X发动机
发布日期：2017-04-15
最近，由国内63名院士和专家组成的评审委员会一致同意通过国产大型客机C919首飞技术评审，这标志着C919向着首飞目标又迈出了坚实的一步。而为国产大飞机C919提供动力的就是CFM公司LEAP系列中的LEAP-1C发动机，该系列另外两个型号分别是LEAP-1A和LEAP-1B。
CFM公司的发展启示
CFM国际，即CFM International，是世界上主要的飞机发动机供应商之一，该公司是由美国航空发动机制造商通用电气航空（GE Aviation）和其法国合作伙伴斯奈克玛（Snecma）为了研发和制造CFM56系列喷气发动机而各自出资50%组建的合资公司。公司在美国注册商标为“CFMI Inc”，由通用电气公司负责管理；在法国的为“CFMIS.A.”由斯奈克玛公司负责管理。
CFM公司名称与该公司的主要产品CFM56系列喷气发动机，就得名于两家母公司的民航客机用发动机。GE公司所开发的用于军用的发动机，序列为“Fxxx”，民用发动机则为“CFxx”；斯奈克玛公司的发动机项目序号为“Mxx”，与通用公司合作的项目为M56。将两者合在一起，即为CFM56。CFM56系列喷气发动机被广泛应用于波音737和空客A320等区域航线飞机，在民用发动机领域占有巨大的市场份额。GE公司负责系统一体化和核心机（高压压气机、燃烧室和高压涡轮）的研制，斯奈克玛公司负责低压部分（包括风扇、低压压气机和低压涡轮）和附件机匣的开发设计。
LEAP系列发动机是CFM公司在新世纪提出的发展方向，CFM公司已经在巨量的测试和使用中积累了大量经验，其改进可谓水到渠成——LEAP发动机整合了由CFM公司在2005年启动的CFM56项目中研发的新发动机技术，并于2008年7月13日，在第46届范堡罗航展开幕前一天，宣布启动新一代动力装置LEAP-X发动机，作为波音737和A320系列飞机的配置。2008年11月4日，LEAP-X发动机在第7届中国国际航空航天博览会上首次公开亮相。CFM希望此新型发动机将能成功取代CFM56-5B与CFM56-7B之地位。2013年9月，CFM国际公司开始了首台全尺寸LEAP发动机的测试，启动了一项范围广泛的地面和飞行测试认证项目，包括在未来3年中对60台发动机进行测试。该项目于2015年结束并进行认证，2016年在空客A320neo飞机上投入商业运营，neo意为“new engine option（新发动机选项），意味着A320neo客机发动机的改进将十分巨大。
LEAP-X发动机的创新性技术
LEAP-X发动机采用了许多行业内领先的创新性技术，包括超高压比核心机、采用三维编织树脂模传递成型技术制造的复合材料风扇叶片、独特的杂物剔除系统、复合材料风扇机匣、第三代三维气动设计压气机和涡轮叶片设计技术；使用3D打印燃料喷嘴的第二代双环预混旋流器（TAPSⅡ）燃烧室技术、使用陶瓷基复合材料的高压涡轮复合机匣、可变面积外涵喷管、使用轻重量铝化钛叶片的低压涡轮和其他先进材料等。发动机和短舱作为一体化推进系统来设计，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。
LEAP-X发动机的风扇为先进碳纤维复合材料风扇叶片，可以有效降低噪声并提高推进效率。LEAP-X的风扇叶片数量为18片，直径为1.8米，总重为76千克。LEAP-1A和1C发动机的风扇尺寸为78英寸，涵道比为11（一般来说涵道比越大效率越高），LEAP-1B发动机的风扇尺寸为69.5英寸，涵道比为9。三者都是采用复合材料风扇叶片。LEAP-X发动机的推力级别为89~134kN；LEAP-X核心机拥有8级压气机、单级高压涡轮和先进的第二代双环预混旋流器燃烧室。它的结构更简单紧凑，重量更轻，压气机和涡轮承载能力更强、效率更高，发动机的调节和控制系统更先进。为了大幅度减重，LEAP-X发动机的风扇叶片边缘采用钛合金，叶片本身为采用三维编织树脂模传递成型技术制造的复合材料风扇叶片。这项采用碳纤维及特殊的制造工艺的革新型技术制造出了免维护、耐久性极高的风扇叶片。试验结果表明，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。
LEAP-1C发动机采用法国斯奈克玛公司研制的碳纤维复合材料风扇叶片以及美国通用电气公司研制的陶瓷基复合材料涡轮部件。LEAP-1C发动机拥有18片风扇叶片，其数量比CFM56-5C减少一半，是CFM56-7B的四分之三。中国商飞为C919选择了由GE和法国赛峰提供的整套的一体化推进系统（IPS）。其中，CFM将提供LEAP-1C发动机，奈赛公司（Nexcelle）将提供发动机短舱和反推力装置（奈赛公司是GE下属的MRAS公司和法国赛峰集团Aircelle公司建立的一家平股合资公司）。
LEAP己被三种未来最主要的干线客机选中：2009年12月，中国商飞选中LEAP作为C919的动力，这是LEAP的第一个用户。CFM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。CFM将用于A320neo的发动机命名为LEAP-1A，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737MAX的动力。CFM公司将用于737MAX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%，氮氧化合物排放量低60%，噪声水平低10～15dB，而可靠性至少维持CFM56的水平。
发动机的绿色之路
普惠公司创建于1925年，是美国目前最大的两家航空发动机制造公司之一，也是世界燃气涡轮“三驾马车”之一。从活塞式航空发动机起家，与美国航空工业一起成长，军用领域一直保持强大竞争力，提供了目前美国隐身战斗机的全部动力，而民用领域虽然一度衰落，但由于先进的齿轮传动技术的提出，市场份额和野心也在不断扩张，近年来对CFM公司形成不小的冲击，比如空客公司的A320neo有普惠公司生产的“静洁动力”PW1100G齿轮传动发动机（GTF）和CFM国际公司生产的LEAP-X发动机两款发动机供客户选择。截至2016年10月31日，在空客交付客户的32架A320neo中，共有21架选择了普惠PW1100G齿轮传动发动机（GTF），另外其他飞机制造商新生产的飞机，如日本MRJ支线客机、巴航E2、伊尔库特MS-21、庞巴迪CS300等也都选择了普惠GTF发动机。主要原因是GTF发动机油耗比同级别发动机低约15%，并且更加安静。由于有着GTF发动机的冲击，CFM公司推出技术相对保守的LEAP系列，也有捍卫自己民用航发绝对霸主地位的意图。无论这场“发动机大战”的结果如何，都会对美国发动机产业产生极大的促进。
进入新世纪后，绿色理念深入人心，随着航空业的推广，航空公司也越来越注重客机的经济性和乘坐体验。高性能、低风险和先进经验技术的应用，更好地满足了客户的经济需求和环保要求。而中国商飞在可预见的未来使用成熟却不失先进的LEAP系列发动机，也是较为稳妥的选择。