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C919启动发动机LEAP-X1C技术特点及其市场前景浅析
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newmaker 来源：航空制造技术/ x5 n) W3 V0 M" {- B
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据2010年新加波航展最新消息：中国首款国产大飞机C919今年开始接受预订，目标是在年底前获得100架新机订单，并在未来20年内售出超过2000架，预期买家大部分来自中国内地，这可令中国航空业减少对波音和空客的依赖。首款国产大飞机的标配为168个座位，计划于2014年首飞，2016年适航取证。 ) a9 P0 t) {6 R* |8 Q' b
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中国的大飞机项目首批会生产5 架飞机进行试飞，其中1架将装配中航工业商用飞机发动机公司（中航商发）的发动机进行试飞，届时中国大飞机有望拥有一颗“中国心”。 由于发动机技术的难研发性，实现民用飞机发动机的国产化，打破国际上GE、罗·罗和普惠3家的技术垄断，其重要性并不亚于国产大飞机项目。
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C919启动发动机LEAP-X1C简介
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2009年12月23日美国通用电气（GE）公司宣布，其与法国赛峰集团的平股合资公司CFM国际公司被选定为中国正在研制的民航大飞机C919提供飞机发动机。CFM国际公司将通过为C919单通道飞机推出首款采用下一代技术的飞机发动机，该发动机就是CFM公司正在研发的新型LEAP-X1C发动机，为世界第1种第3代民用航空发动机，是C919的唯一国外启动发动机。
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CFM计划在2012年进行验证型发动机试车，并争取在2016年取证，其时恰逢C919客机定型投产。目前，LEAP-X发动机的核心机和风扇已经完成气动性能试验，开始进行整机测试。
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" o- |7 z1 J0 y8 v' H. e7 ~" P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将提供飞机发动机部分，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）。 }4 X2 O9 U, E" u0 B0 |+ M/ p
5 a. o r [' W0 U- C3 k中国自主研发用于C919的商用发动机简介
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7 Z- H4 w0 v6 h' R+ b由中国自主研发的用于C919的商用发动机分为2款：SF-A和SF-B。SF-A发动机由隶属于中国航空工业集团公司的中航商发设计、研制，是一款推力范围为117600～127400N的大涵道比涡扇发动机，可满足大型客机的动力需求。根据规划中初定的时间表，预计SF-A发动机将于2016年取证。其模型已于2009年11月3日在上海2009中国国际工业博览会上进行了展出。
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SF-B将是一款全新型的第3代商用航空发动机，预计SF-B发动机将于2020年取证。
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; N$ A7 S, }; I0 O! C2 i- zLEAP-X发动机技术特点
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LEAP-X发动机是CFM国际公司研发的新一代发动机。与主流发动机CFM56系列相比，LEAP-X 燃油消耗可减少16%，二氧化碳排放量可减少16%，氮氧化物排放量不足其60%，且更为安静。 4 ]. e) X4 S M6 ~9 Z: g7 `7 y9 w
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LEAP-X发动机采用SNECMA公司研制的先进碳纤维复合材料风扇叶片以及GE公司研制的先进陶瓷基复合材料涡轮部件。 6 M( ^- y) U; k% `/ E* [
/ e$ v1 {' S2 s' b- x风扇叶片也是发动机整体技术水平的重要标志之一。为了改善进气效率（加大进气流量、降低进气噪声等），新一代涡扇发动机的风扇叶片采用宽弦、3D气动设计，且数量大幅度减少，采用复合材料制造。LEAP-X是CFM公司正在研制的新一代涡扇发动机，风扇叶片数量只有18片，直径为1.8m，总重为76kg，而且空气动力性能大幅优化。
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LEAP-X核心机拥有8级压气机、1个单级高压涡轮和先进的第2代双环预混旋流器燃烧室（TAPSII）。这是美国GE公司被称为“eCore”的发动机核心机研发项目的首次应用。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。
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目前LEAP-X核心机单级高压涡轮的设计压比是16。2011年中期将开始测试压比为22或23的2级高压涡轮，初始设计将在2010年的年底结束。CFM公司还需要对从2种不同类型的核心机中获取的大量数据进行分析，从而最终确定是采用单级涡轮还是2级涡轮。 7 n) B" f' R [: f4 z
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按CFM公司的传统，LEAP-X发动机仍由SNECMA公司负责开发与GE研制的核心机相配套的低压部分，包括进气道、风扇、低压压气机、低压涡轮、附件机匣和调节系统等。
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2009年6月，在GE公司位于俄亥俄州Peebles的室外试验台，对LEAP-X发动机的风扇和压气机进行了首次测试( 安装在现有的CFM56-5C发动机上)。在被运到Peebles之前，风扇和压气机已在SNECMA位于法国Villaroche的基地完成了气动及性能试验。目前已成功完成了广泛的侧风试验，正在进行声学试验以测量在多种不同运行条件下的噪声水平。LEAP-X的压气机的压比有了大幅度增加。
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; |5 z& G( J; s8 ~LEAP-X是为未来10年进入服役的下一代中短程客机而研制的一款新的发动机，其核心目的是采用先进的复合材料和合金制造技术，减轻发动机重量从而降低油耗。首台全尺寸验证机预计2012 年开始试车。事实上，CFM公司发动机的各方面性能一直处于行业领先地位，与其背后的“科技含金量” 是密不可分的，这就是GE公司和SNECMA公司双方各自在高科技研究领域的巨大投入。 1 I0 g: X1 }' \8 c& s
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SNECMA公司在20世纪90年代与法国国家航空航天科技研究院(ONERA) 和法国国家科技研究中心(CNRS) 合作，研究先进集成燃烧系统，目标是对环境进行最大限度的保护，减少发动机在工作过程中的氮氧化合物、碳黑等污染物排放，降低噪声，减少燃油消耗；研究机械工程先进计算方法，为未来发动机设计开发作准备，内容包括固体力学、振动学、结构动力学、复合材料建模、接触摩擦损伤等，以便精确预测结构在常温或高温环境下的使用寿命。
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. ^# ^% M1 }8 `" D除了SNECMA研发的碳纤维风扇，GE还对陶瓷基复合材料技术进行了25年多的研发。这种超轻的材料适合在高压涡轮内极其高温状态下工作。/ I$ e9 I: U7 G6 A" \. W
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LEAP-X将采用一个比CFM56发动机大16%的风扇，直径为1.8m，现有的民航主流CFM56系列发动机展会上SF-A的模型风扇直径为1.55m。为了大幅度地减重，LEAP-X发动机的风扇叶片边缘将采用钛合金，叶片本身将采用利用3-D组合碳纤维转化浇铸方法生成的复合材料，这是一个巨大的技术进步。LEAP-X发动机的18个1.8m叶片总重为76kg，而CFM56系列发动机的24个1.5m叶片总重118kg。这一技术进步来源于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。 8 G& s; ?! S% U0 ]; y( I5 v
: g+ b$ f9 U5 t中航商发与CFM在LEAP-X1C发动机上的合作 q3 H: h1 u7 r' R5 R. X
! y0 I3 c$ L8 a( A2009年12月21日，中航商发与CFM国际公司签订了谅解备忘录，计划在国内合资建立用于LEAPX1C飞机发动机总装和试车的生产线。根据谅解备忘录，中航商发与CFM国际公司将在国内共同装配生产LEAP-X1C发动机，具体合作内容包括建立世界水平的装配线和试验设施，以及为实现该目标所需的技术和质量管理体系。 ) S" l3 s M8 R: i
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由于LEAP-X发动机是CFM国际公司研发的新一代发动机，与主流发动机CFM56系列相比，LEAP-X采用了许多先进技术和先进材料。LEAP-X与现有最新的CFM56喷气发动机相比，力争将发动机单体的燃耗削减16%，其中7%将通过优化涵道比实现，7% 将通过革新压缩机、燃烧器及CFD（计算流体动力学）等核心技术实现，而剩余的1.5% 将通过改进发动机系统实现。在涵道比方面，则力争从目前CFM56的5.5左右提高至9以上，这也是一个惊人的数字。 * m' |0 ^, D j' A1 B; _- U' b4 q
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中航商发与CFM国际公司在国内合资建立LEAP-X1C飞机发动机总装和试车的生产线的目的之一是希望通过市场来换技术。但从中航工业与GE公司在ARJ21支线客机发动机上的合作来看，通过市场来换技术的难度很大，特别是发动机的核心技术，是不可能通过市场来换取的。 3 H# ?7 ?1 x6 Y( c9 |- U: n
* [2 d: [1 Z Z& s$ \未来20年C919飞机所需发动机预测 9 v. U" E: R. A* q/ c% T
# B p( H8 |2 J: y. W根据预测，在未来20年内C919飞机售出量将超过2000架，预期买家大部分来自中国。由于C919飞机为双发单通道飞机，这意味着在未来20年内用于C919装机的发动机至少在4000台份以上。考虑到航空公司机队备用发动机和备件的需求，则对发动机的整体需求会超过5000台份。 8 D' y! D% X; Z; M
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LEAP-X1C与SF-A和SF-B在C919市场上的份额预测 + J& l) _: [" t8 K3 m! Q
. A5 F, w% f2 e9 ^% g8 s目前已经确定，LEAP-X1C是C919的唯一国外启动发动机，计划在2012年进行验证型发动机试车，并争取在2016年取证。C919的国内启动发动机为SF-A，根据规划中初定的时间表，预计SF-A发动机将于2016年取证。由此可看出，2型发动机的取证时间是相同的，都是为了赶上C919客机的定型投产时间表。但由于LEAP-X1C是新一代发动机，其减排性和燃油消耗都优于现有成熟的CFM56发动机。而SF-A是中国首款自主研发的用于大型商用飞机的发动机，其性能指标据推测将与成熟的CFM56发动机类似。因此，SF-A与LEAP-X1C相比在技术上无任何优势可言，在C919飞机发动机装机竞争上也将处于下风。为此，中航商发将研发一款全新型的第3代商用航空发动机SF-B，预计SF-B发动机将于2020年取证。SF-B与LEAPX1C相比在技术上将是旗鼓相当的，但由于SF-B发动机的研发进度远落后于LEAP-X1C，在C919飞机发动机装机的竞争上也将缺乏优势。 ' ]7 J5 I4 ^3 v
: S8 M" {9 [7 X" Y6 {+ q. l5 O; N但是，作为中国首款自主研发的大型商用飞机发动机SF-A和全新型的第3代商用航空发动机SF-B，与国外通常的做法类似，将获得中国政府的相应支持。考虑到未来20年内C919 飞机的预期买家大部分来自中国，SF-A和SF-B都将会获得其应有的市场份额。乐观估计，未
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- _0 p+ n& D9 i# V! o来20年SF-A和SF-B有可能获得C919飞机30%～50%的发动机装机市场份额。相应地，LEAP-X1C将占到C919飞机50%～70%的发动机装机市场份额。
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2 \: v4 J& v" X' @' q$ O/ T) T结束语 - [' O) N# D. j
8 \7 F- ]2 q) m由上分析可知，未来20年C919飞机群整体需要5000台份发动机，LEAP-X1C有可能将占到2500～3500台份；而SF-A和SF-B将占到1500～2500台份。这样的市场预值对于LEAP-X1C与SF-A和SF-B来讲都是相当可观的。(end) |
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发表于 2010-8-12 10:12:24