陈光/文
双转子、高涵道比涡扇发动机PW4000,是美国普惠公司在JT9D- 7R4和 PW2037涡扇发动机的基础上发展的一种全新发动机。PW4000发动机上采用了许多先进的技术。为了便于替换JT9D-7R4发动机,PW4000的外廓尺寸与JT9D -7R4一样,发动机上两个安装平面间的距离也做成一样。
转子支承与支点结构
PW4000发动机沿用了JT9D-7R4发动机上转子的支承方式,但在低压转子上1号轴承后增加了一个滚棒轴承,即1 1/2号轴承(见图1),据称是为了在起飞大负荷状态下将风扇叶尖的弯曲度降到最小。
图2、折返杆式弹性支座与挤压油膜
低压涡轮后轴承外环处也采用了挤压油膜。PW4000的转子支承方式与支点结构设计能改善发动机性能,特别是能减缓发动机性能衰减,延长寿命,因而在 V2500发动机上全部采用了这种设计。
低压转子的滚珠轴承设在风扇盘之后成为1号轴承。风扇盘上的后轴(见图3)未直接与低压涡轮轴相连,而是通过中介轴与低压涡轮轴相连的,中介轴与风扇后轴、低压涡轮轴均用套齿联轴器相连。
1号轴承内环未装在直径较小的中介轴上,而是套装在风扇后轴位于联轴器的后端,风扇轴在此处并不传递扭矩,也不传递轴向力。这种将轴承不装在传递大扭矩、大轴向负荷的轴上的做法,是一种提高低压涡轮轴安全性的设计。
将滚珠轴承设在风扇盘之后是除 RB211系列发动机外高涵道比涡扇发动机中普遍采用的方案,它能在低压轴一旦折断时将风扇保持在发动机内。
图3、 PW4000风扇、增压压气机支承结构
风扇与低压压气机、高压压气机和防喘系统
PW4000发动机的单级风扇盘上固定着4级低压压气机(即增压压气机),这是目前高涵道比涡扇发动机的常规设计。风扇叶片仍然保留有一个减振凸台,虽然对凸台的设计做了许多改进,但与无凸台的叶片相比,在性能、强度和加工性等方面仍略为逊色。叶片前缘由原先常规的尖头改成椭圆,提高其抗外物撞击能力。
做成弧线形的低压压气机气流通道,在末级动叶后有放气环(见图3)。随气流吸入的尘埃在离心力作用下从气流中分离出来并从放气环中甩出,使进入核心机的空气较为纯洁。这不仅可以减少对各级叶片前缘的磨蚀,也能防止尘埃堵塞涡轮叶片的冷却小孔。
风扇和高压压气机之间的中介机匣是主承力机匣,也是最复杂的构件。它的中心部分是由合金钢铸成的带9个承力支板的同心三层圆环。外涵道中的9个承力支板单独铸成后焊在中心部分外环上。这种用铸、焊结合制造复杂构件的办法,也是新一代发动机中为减少零件数常采用的措施。
由于增压压气机转速低、直径小,4级工作叶片装在整体的鼓环中形成鼓式转子,在装第4级叶片的鼓环内有一个小轮盘,以增加鼓环开口处的刚性。由于气流在增压压气机中是呈弧线流动的,为提高部件效率,工作叶片不像在—般压气机中径向地装在鼓环上,而是与气流方向呈正交地安装在鼓环上,也即叶片斜着装在鼓环上(见图3)。这种“正交叶片”在高涵道比涡扇发动机的增压压气机中广泛被采用。增压压气机叶片采用了可控扩散叶型。
高压压气机
11级高压压气机的增压比约为11.0,平均级增压比为1.234,比V2500发动机的1.349要小得多。叶片与低压压气机的一样,采用了可控扩散叶型。这不仅减少了损失,提高了效率,而且还可减少叶片数。此外,由于前缘厚度增加,抗尘砂磨蚀的能力也提高了。
高压转子为焊接结构。后3级镍基合金盘与后轴焊成一体,第2~8级钛合金盘焊成一体,第1级盘和前轴(均为钛合金)做成单件,然后在第1~2级和第8~9级盘间分别用短螺栓连接以组成整体转子(见图4)。在PW2037发动机上,前轴与第1级盘是做成一体的。据介绍,第1级盘与前轴是做成一体还是做成单件,取决于转子直径大小、级数多少和重量因素。
图4 、PW4000高压压气机THERMATIC转子
第5~11级动叶采用环形燕尾槽固定方式(JT9D-7R4上仍采用轴向燕尾槽固定方式)。这种固定方式容易加工、便于外场维护和单独更换,因而在 V2500等发动机上采用了。
前8级工作叶片用钛合金制成,后3级采用镍基合金,静叶则全部采用镍基合金。为了避免钛合金动叶与钛合金压气机机匣碰擦引起钛着火,在JT9D-7R4上,与钛工作叶片的叶尖对应的机匣内壁上嵌有橡胶带,而在 PW4000上则改为镶嵌钢衬套,而且衬套内表面上覆以易磨涂层。
PW4000发动机上采用了叫做 THERMATIC的高压转子系统(见图4)。第5级后的空气先流入集气环 A腔中,通过可控制的阀门流入几片空心的第5级静叶中,再由第5和6级轮盘间的导气环进入转子内腔进行加温,然后向后流入高、低压涡轮间,对第2级高压涡轮盘的后端面和第1,2级低压涡轮盘进行冷却。
在低空、大工况(即起飞、爬升)下工作时,第5级空气进入转子内腔对转子冷却以避免叶尖与机匣相碰,同时还对低压涡轮等处进行冷却;
当高度超过5000m,N2达到80%~90%(即进入巡航状态)时,阀门关闭,无冷却空气进入,转子受热膨胀,缩小了叶尖间隙和封严环间间隙,此时冷却涡轮的空气量减少,发动机的效率得到提高。
这种设计不仅能主动地控制叶尖间隙,而且还能控制涡轮的冷却空气量。其他发动机尚未采用过这种设计。
第4级以后的机匣做成双层。外层机匣与燃烧室机匣相连,是承受负荷的构件;内层机匣作为气流通道的包容环并固定静叶。
这种布局在高涵道比涡扇发动机上也是常见的。前4级采用可调静叶,机匣外部要求装调节装置,加上本身直径相对较大,所以第4级以前的机匣按单层设计。
防喘系统
PW4000虽是双转子发动机,但由于总增压比高达29.7,在启动、过渡和小功率状态下易进入喘振。为此,在低压压气机出口和高压第5级处分别装有序号为2.5及2.9的放气活门。
另外,高压压气机进口静叶及第1~4级静叶是可调的。2.5放气活门是由液压控制、前后移动的圆环操纵的。圆环向前移动时,放气环打开,低压压气机后的一部分空气排入外涵道。
它是根据油门杆位置、N1、N2、进口温度、Ma和飞行高度等参数由电子式发动机调节器(EEC)控制:启动时,活门打开,当 N2接近70%时开始关小,达到80%N2时关闭;加速、减速时,活门打开;反推装置工作时,活门部分开启;当喘振余度降低到一定值时,活门全部打开。
气压操纵的2.9放气活门有两个,一个用于启动(右),另一个用于启动及稳定,均系活塞式结构,由EEC按 N2的折合转速控制。
启动时,两个活门打开;当转速达到慢车 N2值时,活门关闭;当高度超过5000m,发动机减速时,左侧活门打开180s以防喘振;如在180s内重新加速或未加速而达到180s时,活门关闭;如喘振余度降低到一定值时,左侧活门打开。
可调静叶也是按感受的 N1、N2及进口温度由 EEC通过高压燃油作动筒进行操纵,以改善发动机启动性能并防止压气机进入喘振。
启动时,叶片处于关闭的最小位置,转速达到42%N2时,叶片开始打开,其后叶片随N2及气流量的增加而逐渐增大开度。如 EEC探测到喘振余度降低到一定值时,则叶片又转到关闭位置。
高涵道比涡扇发动机,虽然采用了许多防喘措施,但在工作中仍不时出现喘振。例如PW4000在国内航线上使用中,曾在一段时间内,频繁出现喘振现象,影响飞机的正常飞行。经过普惠公司与使用单位的艰苦排故工作,排除了喘振故障。
图、单路式气动喷嘴
燃烧室、高压和低压涡轮
PW4000发动机的全环形燃烧室有24个单路式气动喷嘴(见图5)。以前常用的双路式离心喷嘴头部严重积炭是各型JT9D发动机经常出现的故障,为此,普惠公司发展了这种单路式气动喷嘴。
据称,这种喷嘴已在波音757的PW2037涡扇发动机上累计使用了85万小时,单台发动机的最长使用时间已超过8000h,而且未发现积炭。
带24个叶片的叶栅式扩压器与燃烧室外机匣、内机匣前段系用镍基合金制作并铸成一体,从而大大减少了零件数。
火焰筒的气膜冷却空气进口做成折返式的(见图6),使筒壁上开孔处与基体处的温差缩小,降低了开孔处的热应力。另外,火焰筒内壁面覆有镁铝耐高温涂层。
图6、火焰筒折返式冷却空气进气口结构
高压涡轮
PW4000发动机的涡轮进气温度高达1275~1345℃,因此两级高压涡轮均设计成气冷式(见图7)。第1级静、动叶的冷却空气引自高压压气机末级,采用头部喷淋式冷却;
第2级的冷却空气引自第8级后,采用冲击式冷却,其中静叶的冷却空气量是可调节的,巡航时,冷却空气量只有大工况时的50%,从而可提高巡航效率。
两级静叶按三元流设计成沿径向呈弯曲状以减小端壁损失,叶片表面均有耐高温涂层。第1级动叶是用PWA1480单晶材料铸造的,叶尖处经过耐磨处理,对应的外环上等离子喷覆一层可磨的分层陶瓷以减小叶尖间隙。第2级动叶是用PWA1422定向凝固材料铸造的。
3.2.3 低压涡轮
4级低压涡轮均不冷却,但第1,2级静叶覆有耐高温涂层。所有静叶都设计成沿径向呈弯曲状。图8示出了弯曲形叶片与直形叶片(JT9D 7R4中采用)的比较。由图8可见,采用弯曲形的导向叶片,端壁损失较小,因而可提高效率。这也是20世纪80年代中研制的发动机常采用的一种结构。
各级轮盘间用短螺栓连接。涡轮后承力机匣的内、外环用可控扩散叶型的叶片连接,叶片数比常规的承力支板数多一倍,起到半级涡轮的作用。
图、PW4000低压涡轮弯曲形静叶与真静叶的比较
主动间隙控制
高、低压涡轮上都采用了主动间隙控制技术,即按不同的工况,改变吹向机匣外壁的冷却空气量。对于高压涡轮,当转速为80%~90%N2、高度超过1500m时,供气以减小叶尖间隙。对于低压涡轮,巡航时,供气阀全开以减小叶尖间隙;起飞时部分打开,停车及小工况时,仅供给少量冷却空气以冷却机匣。
燃、滑油系统
燃油调节器
PW4000是民用发动机中继PW2037之后采用全功能数字式燃油调节器(FADEC)的第二种发动机。FADEC可以比较精确地控制推力,扩大发动机稳定工作范围,并能限制超温、超速,还具有自诊断能力,可降低耗油率约1.5%和维修费用;但其研制费和成本较高。
滑油系统
PW4000采用了传统的滑油系统设计,是新一代发动机中唯一在回油总管中不设细油滤的发动机。
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