AE100提供的三種發動機總體布局設計比較 |陳光談航發85

陳光/文

20世紀90年代,開展了AE100支線客機的研製工作,當時普惠公司、CFMI公司和羅·羅 寶馬公司分提出了PW6000,CFM56 9和BR715等三型發動機參與為 AE100提供動力的競爭。

圖1、圖2和圖3分別示出這三型發動機簡圖。本文從結構設計中的幾個主要問題對這三型發動機做了分析比鉸,為當時選用發動機提供參考。

圖1、PW6000發動機結構圖

1 總體布局

三型發動機在總體布局即轉子支承方案上,在前3個支點(風扇后滾珠軸承①、滾棒軸承②和高壓壓氣機前滾珠軸承③)完全採用了同樣的支承方案,3個支點均支承於中介機匣上,但是在4號(高壓渦輪處滾棒軸承)與5號(低壓渦輪滾棒軸承)支點的布局即支承方式卻採用了兩種不同的設計。

CFM56-9和 PW6000是將高壓渦輪轉子通過中介軸承(4號支點)支承於低壓轉子上,低壓渦輪轉子后軸通過5號支點支承於後軸承機匣中,參見圖1和圖2。

在PW6000中,兩個轉子的轉向相反,而CFM569中,兩個轉子同向轉動。這種支承方案是GE公司在軍用發動機中慣用的設計,從 F101開始,到它的衍生型 F110和 F404均採用這種設計。

圖2、CFM56 9發動機結構圖

CFM56由於核心機採用了 F101的技術,因此,也沿用了這一設計。 法國 SNECMA與 GE 公司聯合研製了CFM56,掌握了這套技術,因而在它的軍用發動機 M88 中以及後來提出的民用發動機 CFM88中,均採用了這一方案。在這種布局中、發動機的承力機匣和滑油油腔均可少一個,使發動機零件數目減少,發動機長度縮短,帶來的好處較多。

但是剛性較好的高壓轉子支承於剛性相對而言稍差的低壓轉子上,對轉子動力學、中介軸承的潤滑封嚴等會帶來些問題,特別是低壓轉子工作好壞會直接影響高壓轉子的工作。因此要求在三支點低壓轉子中採用剛性聯軸節,這就要求三支點同心度要求高。

另外,中介軸承工作時,由於外環是支承於高壓轉子上,會使游隙加大,易出現滑蹭現象,這就需要研製時,經過試驗分析,確定其最恰當的裝配游隙。GE公司由於長期在多型發動機上採用這一方案,對此,它們已有豐富的設計、使用經驗,因此不會帶來什麼問題。

但是普惠公司多年以來一直將4號支點置於高壓渦輪與高壓壓氣機間的渦輪軸上。軸承外環支承於固定於燃燒室的內機匣上,通過燃燒室頭部的帶葉柵的擴壓器將負荷傳至燃燒室外機匣上。

該公司的軍用發動機F100、民用發動機JT9D、PW2037、PW4000以及它參與研製的 V2500均採用這種方案。這種方案使發動機的承力機匣、油腔各多1個,顯然,零件數目要多(僅多1個油腔而言,就需兩套石密封件以及供、回油管)。另外,高壓渦輪是懸臂支承的,對轉子動力學不利,葉尖間隙也要相應大些,對性能起到壞的作用;軸承的 DN值也要大些。

但是,這種方案中,兩個轉子分別支承,互不影響,較前者為好。

圖3、BR715發動機結構圖

PW6000一反普惠公司的傳統設計,改用了GE 公司的設計,顯然,是為了減少發動機零件數,簡化結構而採取的措施。這樣的大改,勢必在研製初期,會帶來一些問題,正像普惠公司指責羅·羅公司在波音777發動機採用 ACC(主動間隙控制)技術時說的那樣,「ACC對我們(普惠)是成熟的設計,而你羅·羅公司則是頭一遭,沒有任何經驗,會遇到許多問題」,估計PW6000會在總體方案中遇到一些問題。

BR710對4,5 號支點布局的處理,採用了另外一種設計,即羅·羅公司的傳統設計。在這種設計中,高壓渦輪后的4號軸承,低壓渦輪2級盤前短軸上裝的5號軸承均裝在位於低壓渦輪1級導向器的承力框架的支座上。 這種布局用在 RB21l各系列(22B、535E4和524),遄達800,BR199,EJ200等多型發動機上,它最大的特點是避免了普惠公司的承力機匣、油腔多,高壓渦輪懸臂支承與 GE公司兩轉子會相互影響的缺點。

但是,由於承力框架的承力構件要由導向葉片芯部穿過,導向器葉片要做作弦長大,厚度大(以 535E4為例,低壓渦輪1導的弦長約為高壓渦輪導向葉片弦長的3.2倍),使發動機長度較長,渦輪氣動損失略有上升。

綜上所述,如我方能參與設計、研製工作,由總體布局看,採用 BR715為好,因為它的發展,遇到的困難相對要少。

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