AE100提供的三種發動機的部件介紹|陳光談航發86

文/陳光

在三型發動機中,高壓壓氣機在後幾級中,均採用了雙層機匣,外層機匣作為承力件,而內機匣僅作為氣流的包容環,這是所有高涵道比發動機中慣用的設計。但是,PW6000和BR715的包容環作為整環結構,CFM56 9做成對半分的結構。

從保證葉尖間隙沿圓周較均勻地分佈以及減少性能衰退看,整環結構是一較優選擇,但它卻對壓氣機裝配帶來較大麻煩。為此,只得將整環的內機匣沿軸線做成多段的(每級一段),通過安裝邊用短螺栓連接。

這樣,增加了裝配工作,零件數目也加多。這種整環結構是 V2500首次採用的,PW4000並未採用,但它的衍生型 PW4084(用於波音777)改用了。現在,V2500有關係的 PW6000和BR715兩發動機

採用這種形式,看來是有其必然的結果。

圖、CFMI公司為爭奪AE100的CFM56-9的設計圖

從提高壓氣機效率,保持發動機性能來看,BR715和PW6000優於CFM56 9。

2.2 軸承、減振與安全措施

在三型發動機中,高壓壓氣機前支點(3號)採用了兩種方案,BR715和PW6000是常規的單個滾珠軸承,而CFM56則採用了滾珠、滾棒軸承並列的結構,這是沿用了 CFM56-5型的設計。

它的好處是:可以延長3號軸承的壽命,即用滾珠軸承承受軸向力、滾棒軸承承受徑向力,這樣將原來由1個滾珠軸承承受的負荷由2個軸承來分擔;另外,它還可消除採用單個滾珠軸承時轉子的迴轉運動,從而可較好地保持均勻的葉尖間隙,可提高壓氣機性能,減小性能衰退率。

三型發動機中,3號滾珠軸承均採用了彈性支座。CFM56 9在5號支點處採用了擠壓油膜,4號支點是中介軸承,因而不能用擠壓油膜,PW6000除在3,4,5號支點外,2號支點也採用了擠壓油膜。

BR715中,除1號支點外,其餘4個支點均裝有擠壓油膜,3號支點還有彈性支座。因此可以看出,三型發動機均採用了減少發動機振動的措施,但BR715更多些,且它沒有採用中介軸承,因而振動特性可能較好些。

為防止風扇葉片從根部折斷後造成的極大不平衡對發動機結構與飛機機體帶來的過大衝擊,在BR715和CFM569發動機上,均有過載保護裝置。

BR715上在風扇后滾珠軸承處裝有帶剪切銷的保護裝置,當輪盤失去一片風扇葉片時,作用於轉子上有一相當大的不平衡離心力,使施加於滾珠軸承上的徑向負荷大增,遠遠超出正常使用時的負荷。因而將剪切銷切斷,軸承徑向外移,碰到止動凸台,從而限制了軸承的徑向活動,減輕了轉子對機匣的撞擊,參見圖4。

圖4、BR7151號軸承處的帶剪切銷的保護裝置

CFM56 9在低壓渦輪軸與風扇軸連接處採用了一種可脫開的聯軸器(Decoupler),當風扇葉片甩脫1片后,聯軸器分離,因而風扇轉子的巨大不平衡力不會傳給低壓渦輪轉子以及高壓轉子(因為高壓轉子后支點是中介軸承)。在早期的CFM56型號中(例如 2、3型)也設有防止葉片甩離后對發動機結構帶來過大撞擊的措施,那是在低壓轉子2號、5號軸承處設有限動器來達到的。

目前,在CFM56-9改用的這種可脫開的聯軸器,由於畫得不清楚,尚難說明其工作原理,從PW6000總圖及部件圖看,在PW6000上未裝這種安全設備。

2.3 風扇葉片

三型發動機中,風扇葉片均採用了實心的鈦合金無凸肩的寬弦葉片。寬弦風扇葉片由於葉片厚而大,葉根承受的離心力很大,為此,在大型發動機中需做成空心的或「三明治」式的夾層結構,但加工費用特高,由於 AE100所用發動機推力較小,風扇直徑僅為1.422m,葉片較短,用實心葉片在強度上仍然是可行的,可減少生產成本,所以這三型發動機均採用了實心葉片。

由三家公司看,羅·羅公司設計、製造寬弦風扇葉片有悠久的歷史與豐富的經驗,1985年投入使用的 RB211-535E4第一次採用了夾層的寬弦風扇葉片,以後又為 Tay等發動機研製了實心寬弦葉片。相對而言,普惠公司只是在1990年後,為 PW4084研製空心葉片。CFMI公司是在90年代才為CFM567研製實心寬弦葉片。

2.4 圓弧端齒聯軸器

BR715上採用三個圓弧端齒聯軸器:風扇輪盤與風扇軸間、高壓壓氣機轉子與前短軸間、高壓壓氣機后軸與高壓渦輪前短軸間,這麼做可以大大簡化裝配工作,因為滾珠軸承的裝配、分解是較難的,如用圓弧端齒聯軸器裝拆時,可將轉子與裝軸承的短軸先分開。

另外,圓弧端齒聯軸器還便於單元體的裝拆。歐洲(英、德、法)的一些發動機,如在斯貝、RB2l、遄達、Tay、阿赫耶、RTM322和 MTR390等上均廣泛採用它,而普惠、GE公司的發動機上還未採用過。

目前,已擁有2台圓弧端齒聯軸器的加工設備(331、430廠),國內加工這種聯軸器已無問題。因此,從採用這種聯軸器對今後發動機的維修工作會帶來極大好處的觀點看,選用BR715較好。

2.5 主、輔安裝節

這三型發動機的主、輔安裝節設計中,均採用了安全設計,這是大型發動機設計中必須有的。

2.6 風扇包容環

PW6000和CFMM569 發動機風扇的包容環是用厚金屬環做成的,而BR715 採用Kevlar條帶圍繞鋁製薄機匣纏繞多層(幾十層)組成,這種包容環包容能力強、結構重量輕,已在許多大發動機例如 GE公司的 CF6 80C2和 GE90,普惠的 PW4084,羅·羅的 RB211535E4和遄達發動機上採用過,因而已有較豐富的經驗。CFM56 9沿用了CFM563、5的設計,未採用 Kevlar條帶纏繞而採用了厚的金屬機匣;PW6000不採用,則不知其原因。

2.7 整體葉盤(Bisk)

BR715風扇后增壓壓氣機(2級)採用了整體葉盤結構,這是這種結構在中大型民用發動機上的第1次採用。由於它具有重量輕、結構簡單性能好的特點,因而會給 BR715帶來一些好處。

2.8 風扇出口導向葉片

一般,風扇出口導向葉片均做成徑向的。PW6000採用了斜置的出口導向葉片。 這種設計對降低風扇雜訊是有益的。CFM56 9中,風扇出口導向葉片也是斜置的,但其斜度較小。

2.9 高壓渦輪

三型發動機中,BR715採用了兩級高壓渦輪,其他二型發動機均為單級;這是由於BR715高壓壓氣機壓比最高,用單級渦輪其負荷將很大,葉尖速度勢必採用較大值,對強度壽命與可靠性均不利。

2.10 高壓壓氣機

PW6000採用了高的級壓比壓氣機,它的6級壓氣機增壓比為12,平均級壓比高達1.513,這比目前使用的壓氣機高許多,1994年普惠來華介紹用於B777的PW4084發動機時,在它的技術資料中對 GE公司的 GE90高壓壓氣機10級壓比為23,平均級壓比為1.368提出過質疑,認為這是超出了當前發展水平,有較大的技術風險因而不如 PW4084。

2年後,普惠的PW6000設計,大大超出了GE90的水平,因而估計技術風險會更大,在當前技術水平下,最好不採用。(後來的實踐證明,PW6000的高壓壓氣機設計是失敗的。)

3 其 他

3.1 可靠性

三型發動機中,CFM56 9是由CFM56系列發動機衍生髮展的,因而它的可靠性會最高,因為它的原型機CFM563、5、7是當前使用數量最多、可靠性高的發動機,截至2003年6月,裝它的飛機已有5075架,使用的發動機有11336台,總的飛行小時達2億1千700萬小時,CFM56 3、CFM56 5A、CFM565B和 CFM56 7的空中停車率分別0.002、0.005、0.0004和0.0003(單位為次/1000EFH)。由這種可靠性高的發動機衍生的 9 型,顯然會有高的可靠性,而高可靠性是民用飛機極為重要的參數。

在這三型發動機中,以可靠性來排隊,其順序將是CFM6 9,BR715,PW6000。

3.2 高低壓轉子反向轉動

PW6000採用了高、低壓轉子反向轉動的總體方案,由受力情況看,這種設計是有好處的,它能將飛機做機動飛行時兩個轉子上的陀螺力矩互相抵消。對於反向轉動的中介軸承的工作條件比同向轉動的要好,但卻帶來中介軸承的潤滑與封嚴問題。

4 結 論

由結構設計全面考慮,三型發動機中BR715稍優些,其次為CFM56 9,最後為PW6000。

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