CFM56

CFM56是由CFM國際製造的高涵道比渦輪風扇發動機，其家族成員的推力介於18,000至34,000磅之間，四種主要型號共製造了超過20,000臺，使用於波音737、空中客車A320、空中客車A340-200/300、KC-135、DC-8等飛機上，為目前世界上使用最為普遍的渦輪風扇發動機之一。CFM56的製造商CFM國際由美國通用電氣航空和法國斯奈克瑪公司各自出資50%組成。雙方在CFM56生產中分別進行零件生產，其中通用電氣航空生產高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪，斯奈克瑪公司生產低壓壓氣機、風扇、低壓渦輪、齒輪箱和尾噴管。雙方均可進行組裝，其中通用電氣航空組裝線位於漢彌爾頓，斯奈克瑪公司組裝線位於默倫。最終組裝完成的發動機透過CFM國際進行推廣和銷售。第一臺CFM56在1974年製造完成並首次運轉。然而此後，在其早期服務期間意外頻傳，渦輪葉片直接或間接導致了若干事故，包括英倫航空92號班機空難，同時幾種型號的CFM56在暴雨和冰雹天氣中均出現故障。這些問題啟動了良率計畫，在對發動機設計進行各種修改後漸漸得以解決。截至2010年1月，CFM56已經累計飛行了4.7億小時。歷史.背景.1960年代晚期，人們開始尋找下一代商業噴氣客機發動機的解決方案，研發一種推力在10噸級別的高涵道比渦輪風扇發動機被提上日程。在軍用發動機製造領域具有豐富經驗的斯奈克瑪公司首先開始尋求進入這一市場。他們和普惠公司、羅爾斯·羅伊斯控股有限公司以及通用電氣航空等公司進行了接觸，但是直到1971年巴黎國際航空航天展上，通用電氣的格哈德·諾依曼和斯奈克瑪公司的雷瑙德·勒內才作為高層進行了會面，初步決定開展合作。雙方的合作是由當時多方面的條件促成的。其時，普惠公司在商業噴氣客機發動機市場上佔據主導地位，因此在考慮將其JT8D發動機升級至這一級別，而不願進行合作。勞斯萊斯公司正在處理自身內部的財政問題，從而無法開展新的計劃。而通用電氣曾和斯奈克瑪公司在用於空中客車A300的通用電氣CF6發動機專案上進行過合作，同時斯奈克瑪公司的計劃為他們發展這一級別發動機帶來了資金，因此雙方才會一拍即合。技術出口.最初，通用電氣方面僅考慮使用CF6發動機的技術，而不是更先進的F101發動機，因為後者被用於B-1槍騎兵戰略轟炸機，受到技術出口限制。然而，美國空軍宣佈了先進中型短距起降運輸機計劃後，通用電氣很快發現他們處於兩難之中：或者與斯奈克瑪公司合作開發，但是隻能使用受限制的技術；或者使用更先進的技術，但是隻能獨立開發。這促成了通用電氣在1972年的最終決定：作為主要貢獻者，為其F101發動機的核心技術申請技術出口許可。技術出口許可的申請並不順利。美國政府的軍需品管理辦公室認為這一技術出口會對國家安全不利，同時這一技術是和美國國防部聯合開發的，使用了美國納稅人的稅款，而開發的技術會減少美國的工作機會。因此，這一申請被拒絕。最終的官方決定是在由美國國家安全顧問亨利·基辛格在1972年9月19日簽發的國家安全決策備忘錄中作出的。儘管國家安全問題被用作拒絕申請的主要理由，有報道認為高層政治同樣起到了很大作用。時任法國總統喬治·蓬皮杜於1971年直接向時任美國總統理查德·尼克松請求通過出口申請，亨利·基辛格也在1972年和總統的會議中討論這一議題。通用電氣主張只有透過合作才能換取部分市場和對應的工作機會，而如果法國方面獨立開發，美國有可能失去整個市場。這一主張沒有得到尼克松政府的支援，原因可能和尼克松政府害怕失去美國在航空航天領域的領先地位有關。也有推測認為拒絕申請的原因可能和法國試圖說服瑞士購買法國幻象3型戰鬥機而不是美國製造的A-7海盜二式攻擊機有關。瑞士最終選擇了F-5自由鬥士戰鬥機。在通用電氣和法國雙方的持續推動下，美國總統尼克松和法國總統蓬皮杜在1973年冰島雷克雅未克美-法峰會上討論並達成了技術出口協議。峰會報告宣告這一協議要求發動機的核心部件在美國境內生產，以保護涉及F101的敏感技術。雙方組建的合資公司還同意支付給美國8,000萬美元特許權使用費作為F101發動機開發費用的補償。2007年解密的文件顯示，這一出口協議的達成和法國政府承諾不尋求對美國出口到歐洲的飛機徵收關稅有關。CFM國際.技術出口協議達成後，通用電氣和斯奈克瑪公司正式開展合作。CFM國際由雙方各自出資50%，正式成立於1974年。其主要任務包括監管雙方的合作，推廣和銷售10噸級發動機CFM56並負責提供客戶服務。CFM國際具有日常管理的許可權，但是重要事項仍需要由合作雙方的管理層討論決定。CFM國際的董事會的10個董事名額由通用電氣和斯奈克瑪公司平均分配。雙方各有一人擔任CFM國際副總裁，而總裁則是抽籤決定，在位於辛辛那提的通用電氣附近的CFM國際總部辦公。在雙方的合作中，通用電氣方面負責高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪，斯奈克瑪公司方面負責風扇、低壓壓氣機和低壓渦輪。斯奈克瑪公司還負責和機身的整合，主要是發動機艙的設計。齒輪箱部分最初由斯奈克瑪公司負責，但是其後被轉移到通用電氣方面，以便更高效的與其他零件進行組裝。早期開發.CFM56的開發開始於CFM國際正式成立之前。由於合作和前述技術出口等限制，其開發流程十分獨特。例如，合作雙方均設有裝配線，而在在法國裝配的一部分發動機最初受到嚴格的技術出口限制。具體來說，通用電氣生產的發動機核心部件在美國進行裝配，然後被運送到法國斯奈克瑪公司的工廠並鎖入一個特定的房間，而即使是斯奈克瑪公司的總裁也不能進入這一房間，只能由通用電氣的僱員將斯奈克瑪公司提供的指定部件裝配至核心部件上，然後交予斯奈克瑪公司完成最終裝配。第一臺完成的CFM56於1974年6月在通用電氣首次執行。第二臺發動機被運送到法國並於1974年12月13日第一次在法國執行。這兩臺發動機作為CFM56系列的原始型號被命名為CFM56-2。1977年2月，一架麥道YC-15飛機將四個發動機之一替換為CFM56，進行了CFM56的第一次飛行試驗。此後，第二臺CFM56被搭載於一架位於斯奈克瑪公司飛行試驗中心的法國南方飛機公司SE210上。這臺發動機使用了混合式尾噴管而非分離式尾噴管，並第一次加入了推力管理系統來對發動機進行微調。啟始客戶.經過數年測試，CFM國際開始尋找先進中型短距起降運輸機計劃以外的潛在客戶，包括道格拉斯DC-8，波音707及其衍生機種KC-135的發動機替換方案。最初，波音對CFM56不感興趣，但很快波音認識到這可能是即將推行的噪音規定的一種解決方案。1977年，波音宣佈將會對選配CFM56發動機的波音707進行飛行測試，並於次年正式將CFM56作為波音707-320的備選發動機，並將選配CFM56的波音707-320重新命名為波音707-700。然而，由於很少有航空公司對選配CFM56發動機的波音707感興趣，波音於1980年中止了這一沒有任何訂單的計劃。儘管如此，成為波音707的備選發動機仍然對此後CFM56贏得KC-135發動機替換方案起到了作用。CFM56的推廣首先在軍用領域取得了突破。1977年，美國空軍對KC-135的發動機替換方案開始公開招標。這一合同涉及到超過600架飛機的發動機替換，對CFM56計劃有極重大的意義。因此，國際政治再次發揮了作用。為了提升CFM56相對普惠TF33及其改進型普惠JT8D的競爭力，法國政府在1978年宣佈將以CFM56替換11架法國的KC-135的發動機，而這也成為CFM56的第一筆訂單之一。1980年，美國空軍正式宣佈CFM56在競標中勝出，取得了KC-135的發動機替換合同。CFM56的前任，普惠J57發動機，被美國空軍評價為當時還在飛行的發動機中“噪音最強的、汙染最大的、油耗最高的”一種。使用CFM56發動機的KC-135被重新命名為KC-135R，其起飛距離縮短了3,500英尺，油耗降低了25%，噪音降低了24分貝，同時也降低了生命週期成本。由此，美國海軍也於1982年決定使用CFM56改裝其由波音707衍生的E-6水星對潛通訊中繼機。此外，沙特皇家空軍於1984年使用CFM56改裝了其使用波音707機身發展的E-3哨兵預警機，這一改裝後來成為了英國和法國訂購的E-3的標準配置。在民用領域，CFM56透過DC-8的改裝得到了第一筆訂單。1970年代末，航空公司在考慮升級其老化的道格拉斯DC-8。在1978年法國KC-135改裝的訂單之後，美國聯合航空於1979年4月決定使用CFM56-2升級30架DC-8-61飛機。這一決定促成了CFM56的第一筆商業訂單，也避免了CFM56的開發計劃被凍結：通用電氣和斯奈克瑪原計劃的凍結時間是兩週以後，而避免凍結的條件是訂單的落實。達美航空和飛虎航空隨後也訂購了CFM56發動機，為其後的銷售奠定了基礎。1980年代早期，波音選擇了CFM56-3作為當時最新的波音737-300飛機唯一可選配的發動機。儘管波音737-300最初僅有來自兩家航空公司的20架訂單，其後二十餘年的銷售歷史證明了CFM56發動機的適應性。截至2011年12月，共有接近6,000架波音737裝配了CFM56發動機。後續改進.Tech56和技術外掛.1998年，CFM國際為了適應波音和空中客車對新一代窄體客機發動機的需求，啟動了“Tech56”計劃。這一計劃包括了大量新技術，並且可用於現有發動機。然而，波音和空中客車並沒有開發全新的飛機以取代737和A320的意願，因此CFM國際決定將這一計劃中的部分技術以“技術外掛”的形式配置於CFM56，從而改進燃油效率、維護成本和排放標準。技術外掛計劃始於2004年，其配置包括重新設計的高壓壓氣機葉片、改進的燃燒室和渦輪部件。賽峰集團於2007年投入使用，同時也可作為現有發動機的可選升級元件。CFM56-7B“Evolution”.2009年，CFM國際宣佈了對CFM56發動機的最新升級CFM56-7B“Evolution”，也作CFM56-7BE。這一升級和波音737的最新型號同時宣佈，進一步改進了渦輪的空氣動力特性和發動機的冷卻效能，並減少了零件總數。CFM國際預期這一升級能減少4%維護成本和1%油耗，而2010年5月完成的地面和飛行測試顯示油耗減少了1.6%。經過450小時的測試，CFM56-7BE在2010年7月30日取得了美國聯邦航空局和歐洲航空安全域性的適航認證。儘管CFM56-7BE是為波音737特別設計的，CFM國際也提議為空中客車使用的CFM56-5B發動機進行類似的升級。有訊息稱2011年底開始新交付的空中客車A320系列飛機將配備經過這一升級的CFM56發動機，但是截至2012年1月，並沒有確切的訊息證實。設計.CFM56各型號的大體設計相同，細節略有差異，依型號不同能產生18,000至34,000磅的推力。作為一種高涵道比渦輪風扇發動機，CFM56具有這一類發動機的典型特徵，即大部分透過風扇加速的空氣不經過燃燒室而被直接排出產生推力。這一部分空氣的體積與經過燃燒室被排出的空氣的體積之比被稱為涵道比。CFM56各型號的涵道比介於5:1至6:1之間。CFM56是一種雙軸發動機，雙軸各自負責高壓渦輪系統和低壓渦輪系統的傳動。風扇和低壓壓氣機.CFM56系列使用單級風扇，大多數衍生型號使用三級低壓壓氣機，-5B和-5C系列使用四級低壓壓氣機。低壓壓氣機透過低壓軸由低壓渦輪驅動，又稱為增壓級，負責在氣流到達高壓壓氣機之前的初步壓縮。CFM56的原始型號CFM56-2系列使用了44個帶冠葉片，而其後的衍生型號減少了葉片數目，例如-7系列僅使用了22個寬弦葉片。CFM國際聲稱CFM56首先使用了在不拆卸發動機的條件下可更換的風扇葉片，這一特性對鳥擊等只需要更換數個葉片的情況特別有用。CFM56的風扇直徑隨型號不同而改變，並直接影響發動機表現。例如，CFM56-2和CFM56-3低壓軸的轉速相同，而-3系列風扇直徑更小，葉梢速度更慢，使得風扇葉片工作效率更高，最終減少了約3%的單位推力燃油消耗。高壓壓氣機.CFM56的所有型號均使用了九級高壓壓氣機。高壓壓氣機曾是最初技術出口爭議的焦點，從通用電氣的GE1/9發展而來，其較為緊湊的設計成功控制了發動機的重量和軸承、油路系統的複雜度。在CFM56系列發展中，儘管Tech56計劃中的六級設計並沒有得到應用，其2007年技術外掛計劃對高壓壓氣機葉片的空氣動力特性進行了改進，並應於其產品之上。燃燒室.CFM56的大多數早期型號均使用單環形燃燒室。在燃燒室中，燃料被持續混合進氣流之中並被點燃，使得氣流的壓力和溫度升高，產生推力。也有型號使用管形燃燒室或環管形燃燒室。1989年，CFM國際開始引入雙環形燃燒室，這一設計包含一個在高推力時使用的新的燃燒區域，降低了氮氧化物和二氧化碳的排放。這一設計在1995年投入使用，首先應用於技術外掛計劃改進的CFM56-5B和-7B系列。通用電氣在Tech56計劃中還開發了一種名為雙環腔預混渦流器燃燒室的新技術。這一設計保持了雙環形燃燒室分割槽燃燒的優點，同時透過預混流使空氣和燃料達到理想的混合比，從而進一步減少氮氧化物的排放。應用了這一技術的CFM56-7B發動機比使用單環形燃燒室和雙環形燃燒室的發動機效率分別提高了46%和22%。TAPS的分析工具也被用於改進部分-5B和-7B系列發動機上的單環形燃燒室。渦輪.CFM56的所有型號均使用單級高壓渦輪，並由高壓壓氣機流出的空氣冷卻。在部分型號中，高壓渦輪葉片是從高溫合金單晶材料生長出來的，具有高強度和蠕變抗性。CFM56的大多數型號使用四級低壓渦輪，-5C系列使用五級低壓渦輪。這一變化是為了驅動-5C系列更大的風扇。Tech56計劃也對渦輪進行了改進，包括葉片的空氣動力特性最佳化，使所需的葉片數減少20%，從而減輕了發動機自重。部分Tech56計劃中對渦輪的改進被加入技術外掛計劃，其後又在CFM56-7BE計劃中得到升級。尾噴管.儘管CFM國際在最初設計時即測試了混合式和分離式尾噴管，大部分型號的CFM56發動機使用了分離式尾噴管，而只有為空中客車A340設計的高推力型CFM56-5C使用了混合式尾噴管。另外，通用電氣和斯奈克瑪公司還測試了Chevron型尾噴管減小噪音的效果。風洞試驗和飛行試驗發現這一設計能在起飛階段減小1.3分貝的噪音，因此作為可選元件安裝於提供給空中客車A321的發動機。反推裝置.CFM56支援數種反推裝置。用於波音737的CFM56-3/-7系列發動機使用桶形反推裝置，當反推裝置啟動時，套筒向後滑動，將透過涵道的空氣轉向外部，併產生反推力。而用於空中客車型號的CFM56-5系列發動機使用花瓣型反推裝置，當反推裝置啟動時，導流葉片張開，將透過涵道的空氣轉向外部，併產生反推力。型號.CFM56-2系列.CFM56-2系列是CFM56的原始型號，主要以軍用代號F108用於KC-135R同溫層加油機、RC-135預警機、E-6水星對潛通訊中繼機和部分E-3哨兵預警機等飛機，民用型號也用於道格拉斯DC-8。CFM56-2由一臺44個葉片的單級風扇、由四級低壓渦輪驅動的三級低壓壓氣機、由單級高壓渦輪驅動的九級高壓壓氣機和環狀燃燒室組成。CFM56-3系列.CFM56-3系列是CFM56的第一種衍生型號，專門為第二代波音737設計，靜態推力介於18,500至23,500磅，但是保留了原始發動機佈局。新的風扇主要衍生自通用電氣CF6-80發動機而不是CFM56-2。同時，CFM56-3的助推器被重新設計以適應新的風扇。由於波音737在機翼下加裝發動機後發動機離地距離小，CFM56-3系列還為了增加發動機的離地距離進行了若干最佳化，例如減小了風扇直徑。這使得進氣道和發動機艙底部可以設計為扁平的形狀，而這一獨特設計也成為使用CFM56-3發動機的波音737的標誌。CFM56-4系列.作為CFM56-2系列的改進型，CFM56-4系列最初計劃是作為空中客車A320家族設計的發動機，可以產生25,000磅的風扇，新的低壓壓氣機和全權數位發動機控制裝置。然而就在這一計劃於1984年推出之後不久，國際航空發動機公司推出了新的V2500型發動機。CFM國際認為這一計劃不再具有競爭力，因此廢棄了這一計劃並開始CFM56-5系列的研發。CFM56-5系列.CFM56-5系列是專門為空中客車飛機設計的發動機，其推力介於22,000至34,000磅之間。這一系列主要包括三種截然不同的子型號CFM56-5A/B/C。這一系列引入了全權數位發動機控制裝置和新的空氣動力學改進，可用以區別于波音飛機使用的姊妹型號。CFM56-5A系列.CFM56-5A系列是CFM56-5系列的最初版本，為短程至中程的空中客車A320家族設計，衍生自CFM56-2和CFM56-3系列，推力介於22,000至26,500磅之間。得益於在空氣動力學上的改進，例如新的風扇、壓氣機和燃燒室，這一系列發動機相對之前型號能夠減少10-11%的油耗。CFM56-5B系列.為了適應空中客車A321的需求，CFM56-5B系列在-5A系列上進行了改進，推力能夠達到22,000至33,000磅並能取代CFM56-5A。其最顯著的改進是一個能減少氮氧化物等汙染物排放的雙環形燃燒室，新的風扇，更長的風扇外殼和新增的第四級低壓壓氣機。CFM56-5B系列是在空中客車上使用最廣泛的CFM56發動機。CFM56-5C系列.CFM56-5C系列是CFM56家族中推力最大的型號，推力可達31,200至34,000磅。這一系列用於空中客車A340的早期型號A340-200和A340-300上，於1993年投入服務。主要的變化是更大的風扇，第五級低壓渦輪和CFM56-5B型號中的四級低壓壓氣機。CFM56-5C系列不同於所有其他型號的CFM56，使用了混合式尾噴管，工作效率略有提高。CFM56-7系列.CFM56-7系列是用於波音737NG和改進的內部設計。其基本機械構造和-3系列相同，但是空氣動力特性得到提高，例如使用了寬弦風扇葉片並將葉片數目由44減少到24。其他改進包括新材料的使用，例如高壓渦輪上使用的單晶渦輪葉片。使用CFM56-7系列發動機的波音737取得了180分鐘雙發延程飛行許可。這一系列發動機也被用於軍方版本的第三代737，包括波音C-40“快船”運輸機，P-8海神反潛機，波音737預警機等。故障.雖然CFM56十分可靠，其服務期間仍然有數次發動機導致所有機隊停飛或者重新設計部件的嚴重故障。雨雹吸入.CFM56投入服務不久即發生數次在暴雨或冰雹條件下的熄火事件。1988年，中美洲航空110號班機在經過暴雨和冰雹區域時雙發熄火，機組被迫迫降。這一事故導致CFM56的燃燒室中加入了感應器，以便在類似情況下強制持續點火。1998年，在一系列類似的小事故後，CFM國際再次對發動機進行了修改，包括風扇/增壓級分離和用橢圓槳葉分離器取代傳統中心錐體等。2002年，嘉魯達印尼航空421號班機空難由於冰雹吸入，在一條河中迫降時墜毀，致使一名空服員遇難，數十名乘客受傷。調查發現事故原因是飛行員沒有執行重新點火的標準過程，因此沒有對發動機的進一步改進建議。風扇葉片故障.CFM56的風扇葉片故障造成了數次事故。在英倫航空92號班機空難中，其風扇葉片最初故障後飛行員關閉了錯誤的發動機，並導致其後降落時增大推力使得發動機完全失效，最終47人遇難，74人受傷。這次空難之後，丹納爾航空和英倫航空的波音737-400也在類似條件下發生風扇葉片故障，儘管並沒有傷亡出現，但仍導致所有波音737-400機隊被停飛。在這一系列事故之前，同一系列發動機的新的衍生型號並沒有強制要求進行飛行測試，而適航測試無法顯示出在較高高度進行大功率爬升時風扇的振動模式。之後的調查表明，風扇葉片實際上承受了比預期更高的疲勞壓力，並最終導致斷裂。調查結論作出之後，被停飛的機型在風扇葉片和碟片更新後被臨時允許恢復執行，同時發動機電子控制系統進行了修改，將23,500磅。最終，重新設計的風扇葉片被用於所有CFM56-3C1和CFM56-3B2發動機上，超過1,800臺已經投入使用的發動機進行了更新。其它故障.下面列出了近年間若干和CFM56故障相關的事故。