旋流混合器(中国商飞C919飞翔的秘密 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,启动了一项先进研究与技术(LeadingEdgeAviationPropulsion,LEAP)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%、NOX排放值比 CAEP/6标准低50%以及维修费用与CFM56 7B相当。

该项目开发和验证的技术包括: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,新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11,总压比为40,这两个循环参数几乎是 CFM56系列发动机的一倍多。发动机的推力为89~146.3kN。

2 设计技术特点

LEAP发动机中采用了大量创新的技术:

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)。LEAP1A的风扇叶片直径为1.983m,整个风扇重76kg,而直径为1.5m 的CFM567B24片叶片总重高达118kg。

风扇叶片采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后第2种采用复合材料风扇机匣的 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发动机的飞机每架约可减重约450kg。如图1所示,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,叶片采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(TAPSII)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(TAPSII),将使LEAP氮氧化物(NOX)排放量比 CA-EP/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高,火焰温度低,燃烧室出口温度场也均匀,污染物排放低。

⑥7级低压涡轮(LEAP 1B为5级)采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—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(Aircele)两公司合资的奈赛公司(Nexcele)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Nexcele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。