LEAP發(fā)動機(jī)的十年一躍

田曄

作為全球最暢銷的民用航空發(fā)動機(jī)，CFM56締造了一個時代的傳奇。運(yùn)營30多年來，CFM56的全球交付量已超過25000臺，平均每3秒就有一架裝配CFM56的飛機(jī)起飛。承載著榮耀與期待，CFM公司“十年磨一劍”，推出了效率更高、油耗更低、更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保的LEAP系列發(fā)動機(jī)，旨在接下來的30年里搶占單通道客機(jī)市場領(lǐng)先地位、延續(xù)CFM56的輝煌。作為CFM苦心打造的利器，LEAP系列發(fā)動機(jī)的市場前景十分看好。目前，LEAP-1B和LEAP-1C分別是波音737MAX和中國商飛C919的唯一動力裝置，其同系列的LEAP-1A也將占領(lǐng)空客A320neo一半市場。

5月19日，隨著裝配LEAP-1A發(fā)動機(jī)的A320neo完成首飛，CFM的戰(zhàn)鼓已然敲響，新的單通道客機(jī)動力之爭即將揭開序幕。CFM國際公司總裁兼CEO讓·保羅·埃邦加透露，按照計(jì)劃，LEAP系列發(fā)動機(jī)將于2016年正式投入商業(yè)運(yùn)營。這款凝聚了千余項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的產(chǎn)品，將如何在激烈的單通道客機(jī)市場競爭中處于不敗之地、又將如何引領(lǐng)和改變航空科技的發(fā)展之路，從它的革新技術(shù)與市場布局中，我們可略窺一二。

以靜制動，“傳統(tǒng)”的革新派

2005年，CFM啟動LEAP項(xiàng)目，研究可用于新型發(fā)動機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，以替換逐漸過時的CFM56。相較于競爭對手普惠利用齒輪技術(shù)對渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大刀闊斧的改革，LEAP系列發(fā)動機(jī)的革新顯得相對傳統(tǒng)。同樣是為了增大涵道比和減輕重量，CFM公司選擇應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料、優(yōu)化壓氣機(jī)與渦輪葉片氣動外形以及改進(jìn)流場結(jié)構(gòu)來提高推進(jìn)效率。為了保證LEAP發(fā)動機(jī)的競爭優(yōu)勢，CFM將更多目光集中于對發(fā)動機(jī)熱效率的改進(jìn)上，首次將陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）應(yīng)用于商用航空發(fā)動機(jī)，有效提高渦輪前溫度，減少發(fā)動機(jī)引氣帶來的動力損失。

CMC是以陶瓷為基體、以碳化硅纖維進(jìn)行增韌補(bǔ)強(qiáng)的新型復(fù)合材料，具有低密度、高硬度、耐高溫的特點(diǎn)。在LEAP系列發(fā)動機(jī)上，一級高壓渦輪進(jìn)口罩環(huán)采用CMC材料制成。發(fā)動機(jī)燃燒室流出的高壓高溫氣體直接沖擊著高壓渦輪，渦輪前溫度已經(jīng)超過合金熔點(diǎn)，該處的發(fā)動機(jī)部件工作環(huán)境十分惡劣。傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口熱端部件采用鎳基合金制成，需要利用一部分原本可直接產(chǎn)生推力的高壓空氣對其進(jìn)行冷卻以降低混合氣體溫度，造成了能量轉(zhuǎn)化的浪費(fèi)。CMC材料相比鎳基合金密度減小2/3、可承受溫度高出110～220℃，使用新型復(fù)合材料將大大減少冷卻氣流，從而提高熱效率。

LEAP系列發(fā)動機(jī)還創(chuàng)新性地采用以三維編織樹脂模傳遞成型技術(shù)（3-DW RTM）制造的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。讓·保羅介紹，將碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行三維編織并采用增強(qiáng)固化工藝制作而成的風(fēng)扇葉片韌性更強(qiáng)、整體損傷容限更高且重量更輕?！靶碌膹?fù)合材料風(fēng)扇葉片重量減輕了1/4，耐久性更加優(yōu)越?！迸浜现瑯硬捎脧?fù)合材料制作的風(fēng)扇機(jī)匣，LEAP系列發(fā)動機(jī)涵道比達(dá)到11，是現(xiàn)役CFM56系列發(fā)動機(jī)的兩倍；全三維氣動設(shè)計(jì)的寬弦風(fēng)扇葉片數(shù)從24片減少到18片，不僅實(shí)現(xiàn)大幅減重，氣動性能也出現(xiàn)了大幅優(yōu)化。

在LEAP系列發(fā)動機(jī)上集成的創(chuàng)新技術(shù)達(dá)到1000余項(xiàng)。除了對復(fù)合材料的大量應(yīng)用，LEAP發(fā)動機(jī)還采用先進(jìn)的第2代雙環(huán)預(yù)混旋流器燃燒室、高壓壓氣機(jī)壓比達(dá)到22、發(fā)動機(jī)和短艙首次設(shè)計(jì)成一體化推進(jìn)系統(tǒng)等新技術(shù)。通過一系列技術(shù)創(chuàng)新，LEAP發(fā)動機(jī)將在CFM56-7B的基礎(chǔ)上降低15%的油耗和15%的二氧化碳排放，噪聲比現(xiàn)行的第Ⅳ階段標(biāo)準(zhǔn)低15分貝。此外，氮氧化物的排放也比國際民航組織的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)降低50%～60%。在維護(hù)成本不變的情況下，LEAP系列發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和耐久性都得到了很好的提升。

不過，CFM對于新技術(shù)的應(yīng)用顯得相對“保守”。得益于母公司GE與斯奈克瑪公司領(lǐng)先的科技探索，許多復(fù)合材料技術(shù)的研究起步較早，研究結(jié)果相對完善和成熟，但并未投入商業(yè)應(yīng)用。以CMC為例，從20世紀(jì)80年代中期開始，NASA就著手研究CMC技術(shù)，GE早在2003年已經(jīng)將CMC材料用在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上，過去12年來，CMC材料在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上服役超過了48000小時。GE對CMC技術(shù)的應(yīng)用充滿信心，明確表示要將CMC應(yīng)用到下一代GE9X發(fā)動機(jī)熱端部件上，并在F414軍用發(fā)動機(jī)上進(jìn)行了CMC材料渦輪轉(zhuǎn)子葉片的關(guān)鍵性試驗(yàn)。然而出于對風(fēng)險(xiǎn)控制以及對CMC制造技術(shù)與成本的考量，現(xiàn)階段CMC還只應(yīng)用于LEAP的固定部件上。讓·保羅表示，隨著研究的進(jìn)一步深入和技術(shù)成熟度的發(fā)展，CMC材料將拓展到更多動部件的應(yīng)用中。

如今，LEAP系列發(fā)動機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了總計(jì)超過3660個小時的取證測試和5460個測試循環(huán)，測試結(jié)果展現(xiàn)了LEAP系列發(fā)動機(jī)出色的技術(shù)性能。

瞄準(zhǔn)中國市場，能否“后發(fā)先至”？

截至目前，LEAP系列發(fā)動機(jī)已累計(jì)獲得8900臺確認(rèn)訂單，將為全球73%的已選型新型單通道客機(jī)提供動力。CFM公司將于2016年開始交付LEAP發(fā)動機(jī)以逐步取代CFM56，并于2020年達(dá)到年交付量1800臺，真正實(shí)現(xiàn)從CFM56到LEAP的跨越。

在全球單通道客機(jī)市場中，CFM格外青睞中國市場。自1985年裝配有CFM56發(fā)動機(jī)的波音737客機(jī)首次服役中國以來，目前大中華地區(qū)已逐漸成為CFM最大、最重要的客戶地區(qū)之一，50多家本地航空公司的約1950架飛機(jī)選擇CFM56和LEAP發(fā)動機(jī)為其提供動力，在役和訂單數(shù)量超過3900臺。讓·保羅表示，根據(jù)預(yù)測，未來20年全球市場需要30000多架民航飛機(jī)，其中單通道飛機(jī)占未來機(jī)隊(duì)的70%，而中國市場單通道客機(jī)需求量為4200架，占全球市場的20%。按CFM占據(jù)中國60%的市場份額計(jì)算，每年中國將有120架飛機(jī)選用CFM發(fā)動機(jī)。

CFM大中華區(qū)總裁向偉明在接受本刊記者采訪時表示，CFM對中國市場的信心源于長久的貿(mào)易與工業(yè)合作。CFM在中國擁有多家合資公司、培訓(xùn)中心與大修基地，中國也是CFM和其母公司的重要供應(yīng)商基地，并與中航工業(yè)等航空制造企業(yè)建立了長期廣泛的工業(yè)合作伙伴關(guān)系。CFM與中國商飛的合作助力“后起之秀”C919客機(jī)在國際民用航空市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢，同時也為CFM帶來900臺LEAP-1C發(fā)動機(jī)的訂單，從而實(shí)現(xiàn)雙贏。

此外，CFM十分看好中國低成本航空公司的發(fā)展?jié)摿Α２ㄒ?37客機(jī)是最受歡迎的單通道客機(jī)之一，而采用LEAP-1B為動力的737MAX則將以更經(jīng)濟(jì)可靠的優(yōu)勢吸引低成本航空公司的關(guān)注。中國市場的737MAX訂單有不少來自低成本航空，低成本航空機(jī)型相對單一的特點(diǎn)為737MAX與LEAP-1B發(fā)動機(jī)帶來了無限可能。

雖然現(xiàn)階段LEAP系列發(fā)動機(jī)訂單數(shù)處于領(lǐng)先地位，但它依然面臨著激烈的市場競爭。A320neo飛機(jī)并非只鐘情于LEAP，而是將發(fā)動機(jī)確定訂單的45%拋給普惠PW1000G，在A320neo超過2000的飛機(jī)訂單中，仍有1/3的發(fā)動機(jī)未選型。普惠公司宣稱，PW1000G比現(xiàn)役同級別發(fā)動機(jī)降低油耗15%，并早已“捷足先登”，分別于2013年9月裝配龐巴迪CS100、2014年9月裝配空客A320neo完成了首飛。而LEAP系列的其余兩個型號仍未交付首飛。8個月的時間差，也許會影響LEAP系列發(fā)動機(jī)的市場占有率，不過可以確定的是，航空發(fā)動機(jī)市場之爭不僅僅是創(chuàng)新技術(shù)與制造實(shí)力的對壘，更是市場戰(zhàn)略的較量，未來雙方的競爭將給行業(yè)帶來更多優(yōu)秀的產(chǎn)品。