CFM 56系列發(fā)動(dòng)機(jī)部件技術(shù)綜述

付仁合，王偉

（中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300）

1 引言

20世紀(jì)60～70年代，航空器上普遍采用油耗高、噪聲大的小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)；70～90 kN推力級(jí)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)有較大的市場(chǎng)，但十分稀少。為此，美國(guó)GE公司與法國(guó)SNECMA公司共同組建了CFMI公司，在配裝B-1轟炸機(jī)的F101發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)基礎(chǔ)上，于1982～1997年發(fā)展了推力為89～157 kN的-2、-3、-5A、-5C與-7等CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)。

CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)每一型號(hào)的誕生以及改進(jìn)，都體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)航空領(lǐng)域?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)面臨問(wèn)題的嶄新認(rèn)識(shí)。為了清晰地展現(xiàn)其部件性能改進(jìn)的過(guò)程，本文對(duì)風(fēng)扇葉片、防冰、吞水、燃燒室以及長(zhǎng)涵道混合流噴管技術(shù)進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹。

2 風(fēng)扇葉片

從渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展到渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇葉片的技術(shù)進(jìn)步非常顯著。對(duì)于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，隨著風(fēng)扇葉片效率以及抗外物擊傷能力和抗振能力的提高，風(fēng)扇葉片經(jīng)歷了由葉帶尖冠到帶葉身加凸臺(tái)，再到寬弦，以及到目前比較先進(jìn)的掠形風(fēng)扇葉片和吹吸葉片等形式的變化，這也是CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的發(fā)展歷程。

2.1 葉尖帶冠

作為CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的第1種發(fā)動(dòng)機(jī)CFM56-2，其帶冠風(fēng)扇葉片依靠每個(gè)平行四邊形的葉冠相互抵緊來(lái)提高抗振和抗外物擊傷能力，同時(shí)葉冠的存在可以減少葉尖漏氣損失，提高風(fēng)扇效率。但是增加葉冠相當(dāng)于在葉片直徑最大處增加了質(zhì)量，因高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力對(duì)葉片，特別是對(duì)葉根強(qiáng)度帶來(lái)嚴(yán)重影響。為此，只能通過(guò)增加葉片數(shù)量，減少葉冠面積來(lái)削弱上述影響。因此，CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的數(shù)量（46片）是該系列發(fā)動(dòng)機(jī)中最多的。

2.2 葉身加凸臺(tái)

研究表明，大展弦比帶冠葉片的抗外物擊傷能力不如在距葉尖1/3處帶凸肩葉片的強(qiáng)。因此，CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的其后各型號(hào)（如-3、-5）發(fā)動(dòng)機(jī)不再采用帶冠設(shè)計(jì)，而采用葉身加凸臺(tái)設(shè)計(jì)。這種減振的凸臺(tái)端面分別與相鄰葉片的凸臺(tái)端面相抵形成1個(gè)整環(huán)，這樣葉片變?yōu)閮啥思泳o，提高了剛性和自振頻率。即使在運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生葉片振動(dòng)，凸肩端面的干摩擦也可吸收振動(dòng)能量，從而達(dá)到減振目的。

這種凸肩的設(shè)計(jì)由于有效地解決了大展弦比葉片的振動(dòng)問(wèn)題，并提高了抗外物擊傷能力，因此也應(yīng)用于JT9D、CF6、PW2037、PW4000、RB211-22B、RB211-524等渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上。但是，這種設(shè)計(jì)的加工制造工藝復(fù)雜，葉片附加質(zhì)量增加，并對(duì)風(fēng)扇性能影響較大，具體表現(xiàn)在：凸臺(tái)的存在使流通面積減少，對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣流的擾動(dòng)增大，壓力損失增大，從而使風(fēng)扇的效率降低，喘振裕度減小，發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗增加。因此，這種凸肩設(shè)計(jì)也逐漸被淘汰。

2.3 寬弦葉片

20世紀(jì)70年代，英國(guó)RR公司成功地研發(fā)了第1代風(fēng)扇鈦合金空心寬弦葉片，葉片由長(zhǎng)而薄變?yōu)閷挾瘢诮档桶l(fā)動(dòng)機(jī)油耗的同時(shí)，也提高了葉片的抗外物擊傷和減振的能力。在寬弦葉片研究中，CFMI公司也不斷地研制和改進(jìn)風(fēng)扇和鈦合金寬弦葉片的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)性能，并在CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。

當(dāng)然，寬弦葉片的質(zhì)量和零部件也存在強(qiáng)度不高的問(wèn)題，普遍采用下面2種方式解決。

（1）適當(dāng)加強(qiáng)輪盤(pán)等零部件的強(qiáng)度，以承受風(fēng)扇葉片載荷。這主要針對(duì)一些小推力發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片不太長(zhǎng)，質(zhì)量增加不大的情況，如CFM56-7、PW6000和Tay等發(fā)動(dòng)機(jī)。

（2）采用了空心、帶芯的空心結(jié)構(gòu)或者采用復(fù)合材料等減輕葉片質(zhì)量。這主要針對(duì)大推力發(fā)動(dòng)機(jī)而言。目前有以下4種結(jié)構(gòu)形式：鈦合金蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的寬弦風(fēng)扇葉片，如圖1中的A所示，RB211-535E4和V2500發(fā)動(dòng)機(jī)采用；桁架形式的中央薄板夾層的寬弦風(fēng)扇葉片，如圖1中的B所示，遄達(dá)700、800發(fā)動(dòng)機(jī)采用；擴(kuò)散連接的2片面板內(nèi)側(cè)銑處縱向空穴的寬弦風(fēng)扇葉片，如圖1中的C所示，PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)采用；復(fù)合材料的寬弦風(fēng)扇葉片，GE90發(fā)動(dòng)機(jī)采用。

2.4 掠形風(fēng)扇葉片

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著高強(qiáng)度低密度新型材料的出現(xiàn)，以及計(jì)算流體力學(xué)的進(jìn)展，GE和SNECMA等公司在進(jìn)一步研究后掠葉片的同時(shí)廣泛研究前掠葉片以及復(fù)合掠形轉(zhuǎn)子葉片，并且在TECH56計(jì)劃中將后掠寬弦風(fēng)扇葉片裝在1臺(tái)改裝的CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。與裝寬弦風(fēng)扇葉片的CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)相比，采用后掠寬弦風(fēng)扇葉片后，可使空氣流量增大2%以上，發(fā)動(dòng)機(jī)推力增大5%～6%、油耗降低1%，效率相當(dāng)。

掠形風(fēng)扇葉片（前掠葉片和后掠葉片）能夠降低跨聲速風(fēng)扇葉片葉尖法向相對(duì)馬赫數(shù)，從而減少激波損失，提高效率。研究表明，在喘振裕度和抗畸變能力方面，前掠葉片較后掠葉片更優(yōu)；但是當(dāng)存在激振力時(shí)，前掠葉片的振動(dòng)增強(qiáng)，而后掠葉片的振動(dòng)減弱，因而在強(qiáng)度和抗振問(wèn)題上前掠葉片不如后掠葉片。

目前，這種3D設(shè)計(jì)的掠形風(fēng)扇葉片已應(yīng)用在GE公司的GE90-115B、GENX等民用發(fā)動(dòng)機(jī)和F414、F136等軍用發(fā)動(dòng)機(jī)上，在減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高了風(fēng)扇的氣動(dòng)性能和穩(wěn)定性，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

2.5 吹吸葉片和分流小葉片

20世紀(jì)90年代中后期，美國(guó)GE公司和麻省理工學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究吹吸葉片。風(fēng)扇和壓氣機(jī)吹吸葉片是指在葉片吸力面開(kāi)孔，吹吸葉背的低能氣體，防止或推遲葉片和端壁附面層分離，以增大葉片的彎度，進(jìn)而提高葉片單級(jí)負(fù)荷。這種吹吸葉片技術(shù)還不完全成熟，因而GE公司只是在其F414增推型發(fā)動(dòng)機(jī)的2級(jí)高增壓比風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片上部分采用。

分流小葉片是指在葉排后增加1小排葉片，控制葉排后緣的氣流分離，增大氣流偏轉(zhuǎn)角，提高葉片作功能力，大大提高軸流壓氣機(jī)葉排的增壓比和減少由氣流引起的振動(dòng)，是1項(xiàng)很有發(fā)展?jié)摿Φ慕Y(jié)構(gòu)新技術(shù)。

綜觀GE和CFM公司發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的研發(fā)可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇和壓氣機(jī)的發(fā)展過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是一直追求高性能、輕質(zhì)量和高穩(wěn)定性的過(guò)程。在現(xiàn)階段，較為成熟的寬弦葉片和掠形葉片技術(shù)已經(jīng)成為提高風(fēng)扇和壓氣機(jī)效率與級(jí)負(fù)荷的關(guān)鍵技術(shù)；而一些新技術(shù)（如吹吸葉片和分流小葉片等）可能成為未來(lái)提高風(fēng)扇和壓氣機(jī)效率的關(guān)鍵技術(shù)。

3 防冰和吞水

在惡劣氣候條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)必須面對(duì)結(jié)冰和雨水吸入等問(wèn)題。防冰最常用的措施是對(duì)易結(jié)冰的零部件表面（如進(jìn)氣截面變化較大的進(jìn)氣錐）使用熱空氣、電或者熱滑油進(jìn)行加溫；解決吞水問(wèn)題，即是如何將進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的雨水降到最少，或者將進(jìn)入內(nèi)涵雨水進(jìn)一步甩到外涵。在CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中，在這些方面作出了有益探索。

3.1 防冰設(shè)計(jì)

在CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中，對(duì)比研究了錐形和橢圓形進(jìn)氣錐的防冰性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用錐形進(jìn)氣錐能大大減少錐面上冰的形成和積累，甚至可以不采取任何防冰和除冰措施。于是CFM56-2發(fā)動(dòng)機(jī)采用錐形進(jìn)氣錐，并在CFM56-3、-5發(fā)動(dòng)機(jī)上采用。但是在CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中，在幾次大雨中出現(xiàn)過(guò)空中停車(chē)故障，檢查發(fā)現(xiàn)，這種全錐形進(jìn)氣錐不易將內(nèi)涵氣流中的沙石、雨水等外物甩到外涵道。因此將進(jìn)氣錐做成前、后2段，將前錐改成橢圓形。這種前橢后錐的結(jié)構(gòu)也被GE90發(fā)動(dòng)機(jī)所采用。

3.2 吞水設(shè)計(jì)改進(jìn)

在CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)取證時(shí)滿(mǎn)足適航規(guī)章中的吞水試驗(yàn)要求，但在1987年5月到1989年9月的2年多時(shí)間里，在特大暴雨/霧的惡劣氣候條件下著陸過(guò)程中，該型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生4次因雨水吞入核心機(jī)而喪失推力的事件。為此，CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)采取了以下改進(jìn)措施，如圖2所示。

（1）加大風(fēng)扇葉片和分流環(huán)（風(fēng)扇內(nèi)外涵處的環(huán)形分流結(jié)構(gòu)）的間距。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇葉片后面的小水滴基本上都排到外涵道，但較大的水滴在分流環(huán)處向外涵排出不完全。于是換裝長(zhǎng)度較短的分流環(huán)的進(jìn)口整流罩，以增大風(fēng)扇葉片后緣和分流環(huán)的間距。該方法已被CFM56-7、V2500、GE90-115B和RB211-535E4等發(fā)動(dòng)機(jī)采用。

（2）提高核心機(jī)排雨能力。

a.加裝放氣活門(mén)。1985年5月，在CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)增壓壓氣機(jī)后加裝12個(gè)放氣活門(mén)，以便在慢車(chē)狀態(tài)下打開(kāi)，將進(jìn)入內(nèi)涵的外物甩到外涵。后來(lái)又在活門(mén)上采用了一系列凹槽滑動(dòng)擋板和整流罩，以便進(jìn)一步將未被甩出的水滴通過(guò)改進(jìn)后的可調(diào)放氣活門(mén)排到核心機(jī)外。GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)增壓壓氣機(jī)的出口拐彎處也設(shè)置了類(lèi)似放氣活門(mén)。

b.為可調(diào)放氣活門(mén)增加1套反沖止動(dòng)機(jī)構(gòu)(Kicker系統(tǒng))，在發(fā)動(dòng)機(jī)處于過(guò)渡狀態(tài)時(shí)用于修正可調(diào)放氣活門(mén)的位置軌跡。放氣角度從10°開(kāi)始，反沖止動(dòng)機(jī)構(gòu)改變主發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置(MEC)的反饋信號(hào)，使主發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置指令放氣活門(mén)處于40°的全開(kāi)狀態(tài)。

（3）改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的操作。

a.提高空中慢車(chē)轉(zhuǎn)速。著陸時(shí)，在惡劣天氣下，將發(fā)動(dòng)機(jī)N1慢車(chē)轉(zhuǎn)速?gòu)?2%提高到45%，在增大雨水等外物的甩向外涵離心力的同時(shí)，也增大混合氣燃燒的貧油極限，改善燃燒室穩(wěn)定燃燒的范圍。

b．緩慢改變發(fā)動(dòng)機(jī)推力。在惡劣條件下，急劇的油門(mén)操縱將使燃燒室余氣系數(shù)突然變化，很可能超出穩(wěn)定燃燒范圍，造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

（4）進(jìn)氣錐改為前橢后錐的形式。應(yīng)用于CFM56-5B、-5C、-7飛機(jī)上。采用以上改進(jìn)措施后，不僅使CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)的吞水能力有了很大提高，而且為新型發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)研發(fā)提供了豐富經(jīng)驗(yàn)。

4 燃燒室

4.1 分級(jí)燃燒方案

航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的排放主要是在燃燒室中進(jìn)行。根據(jù)污染物生成機(jī)理，必須分別降低低功率狀態(tài)的CO和UHC排放量，以及高功率狀態(tài)的NOx排放量，但是二者往往是相互矛盾的。降低CO和UHC排放量，就要合理改進(jìn)燃油霧化，充分燃燒燃料，延長(zhǎng)燃?xì)庠谥魅紖^(qū)的停留時(shí)間；降低NOx排放量，要求燃燒在貧油狀態(tài)下進(jìn)行，盡可能減少其在主燃區(qū)的停留時(shí)間。

對(duì)于這種高、低2種功率狀態(tài)下的不同污染物，在單環(huán)燃燒室的基礎(chǔ)上，航空界在20世紀(jì)70年代提出了2級(jí)燃燒或變幾何燃燒方案，即分級(jí)燃燒方案。

（1）雙環(huán)腔燃燒室。就是將火焰筒頭部做成同心的雙環(huán)腔，在每環(huán)腔中設(shè)置獨(dú)立的噴嘴。在低工況下僅由外環(huán)腔（副油路）供油；在其它工況下2環(huán)腔同時(shí)供油。這種設(shè)計(jì)，在低功率條件下，保持了較高的油氣比，延長(zhǎng)燃?xì)庠谥魅紖^(qū)的停留時(shí)間，降低了CO和UHC排放量；在高功率條件下，油氣比較低，燃?xì)庠谥魅紖^(qū)的停留時(shí)間也短，降低了NOx排放量。試驗(yàn)證明，與采用常規(guī)單環(huán)腔相比，采用雙環(huán)腔燃燒室的CFM56-5B發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放量降低40%左右。類(lèi)似的結(jié)構(gòu)也被GE90發(fā)動(dòng)機(jī)所采用。

（2）渦流燃燒與混合方案，即軸向串聯(lián)方案。該形式的燃燒室分為預(yù)燃級(jí)和主燃級(jí)，二者串聯(lián)組成。在高功率狀態(tài)下，預(yù)燃級(jí)的熱燃?xì)鈬娙胫魅技?jí)，加熱蒸發(fā)主燃級(jí)的燃油，同時(shí)在主燃級(jí)頭部的渦流器形成強(qiáng)烈的渦流，混合油氣，使燃?xì)庠谪氂蜖顟B(tài)下燃燒。由于主燃級(jí)長(zhǎng)度較短，故燃?xì)獾耐Ａ魰r(shí)間較短。在低功率條件下，由喉部下游的渦流器進(jìn)入的空氣使預(yù)燃級(jí)中燃?xì)膺M(jìn)一步氧化，從而使CO排放量相對(duì)較低。這種軸向串聯(lián)方案也被JT9D-7發(fā)動(dòng)機(jī)所采用。

采用這種分級(jí)燃燒方案后，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，降低了污染物排放。

4.2 雙環(huán)腔預(yù)混旋流器燃燒室

GE公司又提出的雙環(huán)腔預(yù)混旋流器燃燒室，如圖3所示。該燃燒室于2001年在CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)成功，并應(yīng)用于GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)上。該燃燒室設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)。

（1）引入預(yù)混的理念。即在雙環(huán)腔預(yù)混旋流器燃燒室中，燃油和空氣是通過(guò)渦旋式噴嘴和環(huán)形嵌套式燃油噴嘴內(nèi)進(jìn)行預(yù)先混合的。

（2）新型燃燒組織方案如圖4所示。起動(dòng)級(jí)和主級(jí)的旋流器產(chǎn)生2個(gè)共軸的環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流，在起動(dòng)和低狀態(tài)下，只向起動(dòng)級(jí)供油；在高狀態(tài)下，同時(shí)向起動(dòng)級(jí)和主級(jí)供油。這樣，該方案能夠建立理想的預(yù)混環(huán)境，取得低且均勻的出口溫度，達(dá)到較高的燃燒效率，進(jìn)而不僅降低NOx的排放，也明顯延長(zhǎng)了下游部件的壽命。

（3）燃油噴嘴采用微觀分層技術(shù)，使火焰更均勻，降低了燃燒溫度，提高了燃燒效率。

（4）由于采用貧油燃燒使燃燒溫度降低，火焰筒上無(wú)需2股氣流進(jìn)氣孔。

5 長(zhǎng)涵道混合流尾噴管

在高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，內(nèi)、外涵氣流大多分別平行地噴出，但是配裝于A340遠(yuǎn)程4發(fā)民用客機(jī)的CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)中推力和風(fēng)扇最大的CFM56-5C發(fā)動(dòng)機(jī)，則采用了內(nèi)、外涵氣流經(jīng)梅花瓣式摻混器混合后再由噴管?chē)姵龅拈L(zhǎng)涵道混合流（LDMF）設(shè)計(jì)。采用LDMF噴管后，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加不大，在進(jìn)氣道、風(fēng)扇外罩、反推裝置和噴管等處采用了碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。

相比之下，LDMF噴管具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）風(fēng)扇效率和推進(jìn)效率提高。內(nèi)涵氣流由于與外涵摻混，速度降低，推進(jìn)效率提高。

（2）耗油率降低。由于風(fēng)扇效率和推進(jìn)效率提高，使發(fā)動(dòng)機(jī)在巡航和爬升時(shí)的油耗降低。

（3）噪聲降低。由于混合后排氣速度降低，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲降低，還可增大反推力。

發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加制約了這種混合流發(fā)動(dòng)機(jī)在短程客機(jī)上的應(yīng)用。目前采用這種LDMF噴管的發(fā)動(dòng)機(jī)還有V2500、RB211-535E4和RB211-524H等。

6 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件性能的優(yōu)化對(duì)整體發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高的巨大作用已被航空界所公認(rèn)，GE公司在CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)上一直致力于其風(fēng)扇葉片、防冰、吞水、燃燒室以及長(zhǎng)涵道混合流噴管等方面的改進(jìn)，從而不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和安全性。

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