CFM56

背景

1960年代晚期，人們開始尋找下一代商業噴射客機引擎的解決方案，研發一種推力在10噸（20,000磅，89千牛）級別的高旁通比渦輪扇發動機被提上日程。在軍用引擎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、勞斯萊斯股份有限公司、奇異航空等公司進行了接觸，但是直到1971年巴黎國際航空航太展上，奇異的格哈德·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，普惠公司在商業噴射客機引擎市場上占據主導地位，因此在考慮將其JT8D引擎升級至這一級別，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。而奇異曾和斯奈克瑪公司在用於空中巴士A300的奇異CF6引擎項目上進行過合作，同時斯奈克瑪公司的計劃為他們發展這一級別引擎帶來了資金，因此雙方才會一拍即合。

技術出口

最初，奇異方面僅考慮使用CF6引擎的技術，而不是更先進的F101引擎，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，美國空軍宣布了先進中型短距起降運輸機計劃後，奇異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，但是只能使用受限制的技術；或者使用更先進的技術，但是只能獨立開發。這促成了奇異在1972年的最終決定：作為主要貢獻者，為其F101引擎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，有報導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察·尼克森請求通過出口申請，亨利·基辛格也在1972年和總統的會議中討論這一議題。奇異主張只有通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森政府的支持，原因可能和尼克森政府害怕失去美國在航空航太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。
在奇異和法國雙方的持續推動下，美國總統尼克森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。峰會報告聲明這一協議要求引擎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（以每台引擎$20,000美元預計）作為F101引擎開發費用的補償。2007年解密的文檔顯示，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，奇異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噸級引擎CFM56並負責提供客戶服務。CFM國際具有日常管理的權限，但是重要事項（如開發新的衍生型號）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個董事名額由奇異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，在位於辛辛那提的奇異附近的CFM國際總部辦公。
在雙方的合作中，奇異方面負責高壓壓縮機、燃燒室和高壓渦輪，斯奈克瑪公司方面負責風扇、低壓壓縮機和低壓渦輪。斯奈克瑪公司還負責和機身的整合，主要是引擎艙的設計。齒輪箱部分最初由斯奈克瑪公司負責，但是其後被轉移到奇異方面，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引擎最初受到嚴格的技術出口限制。具體來說，奇異生產的引擎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，只能由奇異的雇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。
第一台完成的CFM56於1974年6月在奇異首次運行。第二台引擎被運送到法國並於1974年12月13日第一次在法國運行。這兩台引擎作為CFM56系列的原始型號被命名為CFM56-2。1977年2月，一架麥道YC-15飛機將四個引擎之一替換為CFM56，進行了CFM56的第一次飛行試驗。此後，第二台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。這台引擎使用了混合式尾噴嘴而非分離式尾噴嘴，並第一次加入了推力管理系統來對引擎進行微調。

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的引擎替換方案。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，波音宣布將會對選配CFM56引擎的波音707進行飛行測試，並於次年正式將CFM56作為波音707-320的備選引擎，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引擎的波音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的備選引擎仍然對此後CFM56贏得KC-135引擎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的引擎替換方案開始公開招標。這一合同涉及到超過600架飛機的引擎替換，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年宣布將以CFM56替換11架法國的KC-135的引擎，而這也成為CFM56的第一筆訂單之一。
1980年，美國空軍正式宣布CFM56在競標中勝出，取得了KC-135的引擎替換合同。CFM56的前任，普惠J57引擎，被美國空軍評價為當時還在飛行的引擎中「噪音最強的、污染最大的、油耗最高的」一種。使用CFM56引擎的KC-135被重新命名為KC-135R，其起飛距離縮短了3,500英尺（1,100米），油耗降低了25%，噪音降低了24分貝，同時也降低了生命周期成本。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水星對潛通信中繼機。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通過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（而非政府或軍方），也避免了CFM56的開發計劃被凍結：奇異和斯奈克瑪原計劃的凍結時間是兩周以後，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引擎，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飛機唯一可選配的引擎。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引擎的適應性。截至2011年12月，共有接近6,000架（不含超過2,000架訂單）波音737裝配了CFM56引擎。

Tech56和技術插件

1998年，CFM國際為了適應波音和空中巴士對新一代窄體客機引擎的需求，啟動了「Tech56」計劃。這一計劃包括了大量新技術，並且可用於現有引擎。然而，波音和空中巴士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「技術插件」的形式配置於CFM56，從而改進燃油效率、維護成本和排放標準。技術插件計劃始於2004年，其配置包括重新設計的高壓壓縮機葉片、改進的燃燒室和渦輪部件。賽峰集團（CFM國際母公司）聲稱技術插件計劃能夠提供更高的燃油效率和更低的氮氧化物排放，同時減輕引擎磨損，進而降低5%左右的維護成本。配置了技術插件計劃的引擎（包括所有CFM56-5B和-7B引擎）於2007年投入使用，同時也可作為現有引擎的可選升級組件。

CFM56-7B「Evolution」

2009年，CFM國際宣布了對CFM56引擎的最新升級CFM56-7B「Evolution」，也作CFM56-7BE。這一升級和波音737的最新型號同時宣布，進一步改進了渦輪的空氣動力特性和引擎的冷卻性能，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飛航安全局的適航認證。
儘管CFM56-7BE是為波音737特別設計的，CFM國際也提議為空中巴士使用的CFM56-5B引擎進行類似的升級。有消息稱2011年底開始新交付的空中巴士A320系列飛機將配備經過這一升級的CFM56引擎，但是截至2012年1月，並沒有確切的消息證實。

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（80至150千牛）的推力。作為一種高旁通比渦輪扇發動機，CFM56具有這一類引擎的典型特徵，即大部分通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旁通比。CFM56各型號的旁通比介於5:1至6:1之間。CFM56是一種雙軸引擎，雙軸各自負責高壓渦輪系統和低壓渦輪系統的傳動。

風扇和低壓壓縮機

CFM56系列使用單級風扇，大多數衍生型號使用三級低壓壓縮機，-5B和-5C系列使用四級低壓壓縮機。低壓壓縮機通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縮機之前的初步壓縮。
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引擎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，並直接影響引擎表現。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。

高壓壓縮機

CFM56的所有型號均使用了九級高壓壓縮機。高壓壓縮機曾是最初技術出口爭議的焦點，從奇異的GE1/9發展而來，其較為緊湊的設計成功控制了引擎的重量和軸承、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年技術插件計劃對高壓壓縮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，首先應用於技術插件計劃改進的CFM56-5B和-7B系列。
奇異在Tech56計劃中還開發了一種名為雙環腔預混渦流器（TAPS）燃燒室的新技術。這一設計保持了雙環形燃燒室分區燃燒的優點，同時通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引擎比使用單環形燃燒室和雙環形燃燒室的引擎效率分別提高了46%和22%。TAPS的分析工具也被用於改進部分-5B和-7B系列引擎上的單環形燃燒室。

渦輪

CFM56的所有型號均使用單級高壓渦輪，並由高壓壓縮機流出的空氣冷卻。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優化，使所需的葉片數減少20%，從而減輕了引擎自重。部分Tech56計劃中對渦輪的改進被加入技術插件計劃，其後又在CFM56-7BE計劃中得到升級。

尾噴嘴

儘管CFM國際在最初設計時即測試了混合式和分離式尾噴嘴，大部分型號的CFM56引擎使用了分離式尾噴嘴，而只有為空中巴士A340設計的高推力型CFM56-5C使用了混合式尾噴嘴。
另外，奇異和斯奈克瑪公司還測試了Chevron型尾噴嘴減小噪音的效果。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，因此作為可選組件安裝於提供給空中巴士A321的引擎。

反推裝置

CFM56支持數種反推裝置。用于波音737的CFM56-3/-7系列引擎使用桶形反推裝置，當反推裝置啟動時，套筒向後滑動，將通過進氣道的空氣轉向外部，並產生反推力。而用於空中巴士型號的CFM56-5系列引擎使用花瓣型反推裝置，當反推裝置啟動時，導流葉片張開，將通過進氣道的空氣轉向外部，並產生反推力。

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巴士A320家族設計的引擎，可以產生25,000磅（110千牛）的推力。CFM56-4系列設計上的更新包括直徑68英寸（1.73米）的風扇，新的低壓壓縮機和全權數字引擎控制裝置。然而就在這一計劃於1984年推出之後不久，國際航空引擎公司推出了新的V2500型引擎。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。

故障

儘管CFM國際宣稱CFM56十分可靠（平均空中停車間隔333,333小時），其服務期間仍然有數次引擎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國際再次對引擎進行了修改，包括風扇/增壓級分離（使冰雹更難進入引擎內部）和用橢圓槳葉分離器取代傳統中心錐體等。2002年，印度尼西亞鷹航空421號班機由於冰雹吸入，在一條河中迫降，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，因此沒有對引擎的進一步改進建議。

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引擎，並導致其後降落時增大推力使得引擎完全失效，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，同一系列引擎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運行，同時引擎電子控制系統進行了修改，將23,500磅（105千牛）的最大推力限制為22,000磅（98千牛）。最終，重新設計的風扇葉片被用於所有CFM56-3C1和CFM56-3B2引擎上，超過1,800台已經投入使用的引擎進行了更新。

規格 (CFM56-7B18)

數據來源： CFM國際