3 三型發動機設計特點
3.1 風 扇
3.1.1 風扇葉片
為波音777研製的三型發動機由於它們的推力大,均採用了寬弦風扇葉片,風扇葉片長(GE90葉片長1.219m),葉片的重量變得更為突出,為此,三公司分別採用了不同的技術途徑來減輕葉片的重量。
(1)擴散連接/超塑性成形空心夾層葉片。羅·羅公司發展了新一代的夾芯結構,即芯部用桁條結構取代了蜂窩芯部,採用擴散連接(DB)、超塑性成形(SPF)的工藝方法來製造。
具體做法,如圖1(a)所示,先將芯部桁條通過擴散連接方法與兩面板內面在不同位置處連接起來,然後將它們置於高溫下的陰模中,在兩面板間先充以高壓惰性氣體,在超塑性狀態下兩面板向外擴展,同時將桁條拉長組成如圖1(b)所示的結構,由於桁條是與面板焊接在一起的,它參與了承力,因而使重量比採用蜂窩時還輕15%。
(2)銑縱槽的空心葉片。普惠公司採用了空心葉片,葉片仍由兩面板組成,只是在芯部銑出一些縱向槽道,形成幾道空腔,最後也是採用 DB/SPF方法來製造,顯然,葉片重量要比羅·羅公司所制葉片大,但其優點是加工方法比前者容易得多。圖2示出了羅·羅公司兩種夾層風扇葉片與普惠的空心葉片(用於PW4084及F119)的剖面圖。
圖1、遄達800風扇葉片採用的SPF/DB製造的空心夾層葉片
(3)複合材料的風扇葉片。GE公司則採用了複合材料來做葉片。整個葉片(包括葉根)用IM7中長碳纖維與增強的8551 7環氧樹脂組成的稱為“大力神”85517/IM7複合材料製成。
在葉身的壓力面上,塗有聚氨酯防腐蝕塗層,葉背上塗有一般的聚氨酯塗層。為提高葉片抗大鳥撞擊的能力,將鈦合金薄片用3M@F191膠粘在葉片前、後緣與葉尖處。
表3、三種型號發動機風扇葉片參數比較
複合材料製作的風扇葉片抗鳥撞擊能力不如鈦合金葉片,為此,選用了較低的葉尖切線速度 U(371m/s),相應的壓比也小(1.52),因為外來物打擊在葉片上的撞擊能量是與切線速度U的平方成正比的。另外,採用小的切線速度 U,對葉片的抗腐蝕能力也有好處,因為腐蝕率與切線速度 U的3次方成正比。表3列出了三種型號風扇葉片的特性參數。
複合材料的風扇葉片具有:重量輕、成本低、抗振性能特別是抗顫振性能好以及特別好的損傷害限能力等特點。
圖2、三種空心風扇葉片結構
3.1.2 包容環
考慮到風扇處於發動機進口端,外來物,特別是大鳥、輪胎碎片等易被髮動機吸入後撞擊到風扇葉片,葉片有可能折斷,斷片如擊穿機匣會對飛機的飛行安全帶來嚴重危害,因此,航空發動機除了要具有良好的性能外,還要具有很好的包容能力。即不能讓風扇葉片斷裂後的碎片擊穿機匣。該機匣被命名為包容環。
為波音777研製的三型發動機,其包容環基本採用相同的結構,如圖3所示。即在鋁製的機匣外壁面上纏以幾十層用 Kevlar織成的條帶,條帶外面再包以環氧樹脂。
鋁機匣主要用於保持一定圓度的環腔,為此,在其外表面縱橫銑出許多減重的槽道。這種包容環包容能力強,厚度雖很大,但由於主要是由複合材料製作，因此重量很輕已被許多新發動機採用。
圖3、用 Kevlar幟帶纏繞的包容環
3.2 高壓壓氣機
GE90發動機的高壓壓氣機共10級,增壓比為23,平均級壓比為1.368,是當時已投入使用的民用發動機中最高者,因此,它的葉尖切線速度也最大,達到455m/s且採用了小的展弦比(1.49)參見表4。
它是將 GE公司的E3高壓壓氣機按流量放大1.73倍而發展來的。E3高壓壓氣機經過150h部件試驗與109h整臺發動機試驗,表明它有高的效率(0.86),好的啟動性能,過渡狀態下不會喘振,設計轉速下的喘振裕度為19%。
GE90除直接採用 E3的氣動設計外,還在後幾級採用主動間隙控制技術以及減小級間靜子葉片內環與轉子鼓環間的容腔,以減小氣流回流損失(遄達發動機也採用了後一設計),因此,其性能還優於E3。
表4、四種型號發動機高壓壓氣機參數
3.2.1 整環機匣
PW4084高壓壓氣機與其他高涵道比渦扇發動機一樣,在後幾級處採用了雙層機匣,外機匣作為承力構件,內機匣作為氣流通道的包容涵道,但是不同的是,其內機匣做成整環結構(外機匣仍是作為對分的),以保持其圓度,使葉尖間隙均勻,特別在工況變化時仍能保持均勻的間隙,改善壓氣機性能。
當然,這麼做,給壓氣機的裝配帶來困難,為此,沿軸線方向做成多段(一級一段),通過安裝邊用短螺栓連接,同時,在機匣內相對工作葉片時葉尖處還裝有一整圈的外罩環,扇形段的靜子葉片則卡在相鄰的兩罩環間。
這種整環設計,雖然使結構設計變複雜、重量加大但對壓氣機工作性能帶來較大好處,因此PW4084的原型機PW4000也在1996年的改進計劃中採用。這種結構最先用於V2500發動機。目前,寶馬—羅·羅公司的BR715發動機上也採用了這一設計。
3.2.2 彎曲的靜葉
PW4084高壓壓氣機靜子葉片做成沿徑向不是呈直線形而是彎曲的,如圖4所示,這種稱之為 NSATAR的彎曲設計,能縮小上下端壁處的分離區,因此,可減小氣動損失。
圖4、PW4084採用的彎曲靜子葉片與常規葉片氣動損失的比較
3.2.3 靜葉不對稱安排
PW4084在發展過程中,曾出現過高壓壓氣機第1級工作葉片由於振動應力過大而斷裂的故障,在改進中,除對工作葉片葉型做了適當修改外,還將其前(1排)、後(3排)的靜葉在上下機匣中不對稱地安裝,葉片安裝數見表5。這種不對稱安裝靜葉後,使工作葉片上的應力平均降低了30%。
表5、PW4084高壓壓氣機靜子葉片安裝數
3.3 燃燒室
3.3.1 浮壁式火焰筒
PW4084燃燒室中採用浮壁式的火焰筒,如圖5所示,這種結構沿用了V2500雙層結構,火焰筒內層做成瓦片狀,其上鑽有多個小孔,通過幾個焊接螺栓固定於整體結構的外層上,兩層之間留有一定縫隙,以便二股空氣流過。據普惠公司稱,這種火焰筒的壽命比PW4000的高2倍。
3.3.2 雙環腔與多孔鑄造火焰筒的燃燒室
GE90採用了一種全新結構的燃燒室,如圖6所示,頭部做成雙環腔,每個環腔中均有30個噴嘴,低工況時,僅外環腔供油,高工況時,雙環腔全部供油,噴嘴的開關由FADEC根據推力、飛機飛行狀態來控制,具體供油方式為:啟動40個噴嘴,慢車30個噴嘴,起飛、巡航60個噴嘴,空中慢車40個噴嘴,著陸30個噴嘴。
採用雙環腔頭部主要是為了減少發動機的有害排放物,且能改善發動機的啟動性能與空中再次點火能力。
圖5、 PW4084浮壁式火焰筒
另外,GE90火焰筒是鑄造的,這可能是鑄造方法第1次在火焰筒中的應用,它採用了GTD222材料,這種材料是GE公司燃氣輪機部為 MS7000燃機第1級渦輪導向葉片發展的材料,具有較好的焊接性與成形性,火焰筒上沒有采用常見的氣膜冷卻環結構,而是用激光鑽出不同角度的多個斜孔,如圖7所示,二股空氣通過這些斜孔流入火焰筒內部時,對火焰筒起到非常有效的冷卻,冷卻效率高達90%,而一般氣股冷卻的冷卻效率約為70%,使用於冷卻火焰筒的空氣量減少40%,也使燃燒室出口溫度較為均勻,燃燒室長度也可縮短。GE90在與其推力相當的發動機中,燃燒室最短。
圖6、GE90雙環腔燃燒室
圖7、 GE90鑽斜孔的鑄造火焰筒
這種多孔火焰筒據稱已在 GE公司先進軍用發動機F414中採用。
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