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陈光
双转子、大涵道比涡扇发动机是美国普惠公司在JT9D-7R4和涡扇发动机基础上研制的全新发动机,该发动机采用了很多先进技术,为了方便替换JT9D-7R4发动机,其外形尺寸与JT9D-7R4相同,发动机上两个安装平面之间的距离也相同。
转子支撑及支点结构
该发动机沿用了JT9D-7R4发动机的转子支撑方式,但在低压转子上的1号轴承后面增加了一个滚柱轴承,即1 1/2号轴承(见图1),据说这是为了在重载条件下起飞,在此状态下风扇叶片尖端的弯曲程度被降到最低。
图1 JT9D-7R4与配套方案对比
JT9D发动机的两个转子成功采用了四点支撑方式,这是大涵道比涡扇发动机中支撑点数最少的,从而简化了结构,提高了工作可靠性;但是低压转子两个支撑点(即1号转子和4号转子)之间的距离过长,约为3m,长度超过3m的低压涡轮轴的加工难度很大。
增加112个轴承,不仅缩短了低压转子枢轴点之间的距离,有助于防止长达3米多的低压涡轮轴变形,而且还缩短了低压涡轮轴的长度。
为了减少发动机的外部振动,高压转子前支撑点(支撑点2号)的球轴承采用弹性支撑、挤压油膜。
弹性支撑制成折杆结构(见图2),缩短了发动机长度;挤压油膜采用JT9D发动机的形式,即油膜两端采用胀环密封(其它发动机上的挤压油膜两端均采用胀环密封,而两端密封不严),除起到减少外界振动的作用外,还起到弹性支撑的作用,限制过大的挠度。
图2:往复杆弹性支撑与挤压油膜
低压涡轮后轴承外圈也采用了挤压油膜,这种转子支撑方式和支点结构设计可以提高发动机性能,特别是减缓发动机性能衰减和延长寿命,所以V2500全部发动机都采用了这种设计。
低压转子的滚珠轴承位于风扇盘后方,成为1号轴承。风扇盘上的后轴(见图3)并不直接与低压涡轮轴相连,而是通过中间轴与低压涡轮轴相连。后轴与低压涡轮轴之间通过套筒齿式联轴器连接。
1号轴承内圈没有装在直径较小的中间轴上,而是装在联轴器后端的风扇后轴上。风扇轴在这里不传递扭矩和轴向力。在传递大扭矩和大轴向载荷的轴上不装轴承的做法,是一种提高低压涡轮轴安全性的设计。
将滚珠轴承置于风扇盘后方是大涵道比涡扇发动机(RB211系列除外)的常用解决方案,当低压轴断裂时,它可使风扇保持在发动机内。
图3.风扇和增压压缩机支撑结构
风扇及低压压缩机、高压压缩机及防喘振系统
该发动机单级风扇盘上固定有4级低压压气机(即增压压气机),为现行大涵道比涡扇发动机的常规设计,风扇叶片上仍然保留有减振凸台,虽然凸台在设计上有了不小的改进,但在性能、强度和加工性上还是略逊于无凸台的叶片。叶片前缘由原来常规的尖头改为椭圆形,以提高其抗外来冲击的能力。
低压压气机气流通道制成圆弧形,末级动叶片后设有引气环(见图3),随气流吸入的粉尘在离心力作用下与气流分离并被甩出引气环,使得进入核心机的空气比较纯净。这样不仅可以减少各级叶片前缘的磨损,还可以防止粉尘堵塞涡轮叶片的冷却孔。
风扇与高压压气机之间的中间机匣是主承力机匣,也是最复杂的部件。其中心部分为合金钢制成的同心三层环,上面有9块承力支撑板。风道内的9块承力板分别铸造,然后焊接在中心部分的外环上。这种铸造与焊接相结合制造复杂部件的方法,也是新一代发动机减少零件数量的常用措施。
由于增压器压气机转速低、直径小,在整体式鼓环内安装第4级工作叶片,组成鼓形转子,在安装第4级叶片的鼓环内侧有一小轮,以增加鼓环的开口刚性。由于增压器压气机内气流呈弧形流动,为提高部件效率,工作叶片不像一般压气机那样径向安装在鼓环上,而是与气流方向正交地安装在鼓环上,即叶片斜安装在鼓环上(见图3)。这种“正交叶片”在大涵道比涡扇发动机的增压压气机上广泛使用,也被称为可控扩压器叶片。
高压压缩机
11级高压压气机的压缩比约为11.0,平均级压缩比为1.234,比V2500发动机的1.349小很多,叶片与低压压气机相同,采用可控扩压叶片形状,这样不仅减少了损耗,提高了效率,而且可以减少叶片数量,另外由于前缘厚度增加,抗尘土磨蚀能力也提高了。
高压转子为焊接结构,后3级镍基合金盘焊接在后轴上,2~8级钛合金盘焊接为一体,1级盘与前轴(均为钛合金)制成一体,再用短螺栓将1~2级、8~9级盘连接起来,组成整体转子(见图4)。在发动机上,前轴与1级盘制成一体。1级盘与前轴制成一体还是一体,取决于转子直径、级数及重量因素。
图 4. 高压压缩机转子
第5至第11级动叶片采用环形燕尾槽固定(JT9D-7R4仍采用轴向燕尾槽),这种固定方式加工简单,便于现场维修和单独更换,因此在V2500等发动机上得到采用。
前8级工作叶片采用钛合金制造,后3级采用镍基合金制造,静叶片全部采用镍基合金制造。为避免钛合金动叶片与钛合金压气机壳体发生磨擦而导致钛起火,JT9D-7R4上在钛合金工作叶片尖端对应的壳体内壁上嵌有橡胶带,而在7R4上则改为嵌有钢衬套,衬套内表面涂有易磨损的涂层。
该发动机采用一种称为(见图4)的高压转子系统,第五级后的空气首先流入集气环A腔,经可控阀门流入若干个空心的第五级静叶,然后流入第五级静叶,经第五、六级轮之间的导气环进入转子腔加热,然后反流入高压、低压涡轮,对第二级高压涡轮叶轮和第一、第二级低压涡轮叶轮的后端面进行冷却。
在低空、大工况工作时(即起飞和爬升),第五级空气进入转子内腔,对转子进行冷却,避免叶片尖端与机壳相撞,同时也对低压涡轮等部件进行冷却;
当海拔超过5000m,N2达到80%~90%时(即进入巡航状态),气门关闭,无冷却空气进入,转子受热膨胀船舶配件,叶尖间隙及密封环间间隙减小,此时冷却涡轮的空气量减少,发动机的效率提高。
这种设计不仅可以主动控制叶片尖端间隙,还可以控制进入涡轮的冷却空气量。目前,其他发动机尚未采用这种设计。
4级以后的机匣做成双层普惠发动机,外壳与燃烧室机匣连接,为承力部件;内壳作为气流通道的包容环,并固定静叶片。
这种布局在大涵道比涡扇发动机中也很常见,前四级采用可调式静子,机匣需要在外面安装调节装置,再加上机匣本身体积较大,所以第四级之前的机匣都是单层设计。
抗哮喘系统
虽然是双转子发动机,但由于总压缩比高达29.7,在启动、过渡和低功率工况下容易出现喘振现象,为此在低压压气机出口和高压压气机第五级分别配备了2.5、6.5个轴流压气机排气阀和2.9个放气阀。
另外,高压压气机入口静叶片和1至4级静叶片均可调节。2.5放气阀由液压控制的、前后移动的环操作,当环向前移动时,放气环打开,低压压气机后的部分空气排入外部管道。
它由发动机电子控制器(EEC)根据油门杆位置、N1、N2、进气道温度、Ma和飞行高度等参数进行控制:启动时,阀门打开,当N2接近70%时开始关闭,达到80%N2时阀门关闭;加速和减速时打开;反推力装置工作时阀门部分打开;当喘振裕度减小到一定值时,阀门全打开。
2.9放气阀由两个气压控制,一个用于起动(右),一个用于起动和稳定,均为活塞式结构普惠发动机,由EEC根据N2当量转速控制。
启动时,两个阀均打开;当转速达到慢速N2值时,阀关闭;当海拔超过5000m,发动机减速时,左侧阀打开180s,防止喘振;若发动机在180s内重新加速,或无加速达到180s时,喘振裕度降低到一定值时,左侧阀打开。
可调定子也由EEC根据感测到的N1、N2和进气温度通过高压燃油执行器进行控制,以改善发动机的启动性能并防止压缩机进入喘振状态。
启动时,叶片处于最小关闭位置,当转速达到42%N2时,叶片开始打开,此后随着N2和气流的增加,叶片的开度逐渐增大,如果EEC检测到喘振裕度减小到某一值时,叶片才转至关闭位置。
虽然大涵道比涡扇发动机采取了诸多防喘振措施,但在运行过程中喘振现象还是时有发生。如在国内航线使用过程中,有一段时间频繁出现喘振现象,影响飞机的正常飞行。经过普惠公司和用户单位艰苦的排除故障工作,喘振故障才得以消除。
图1.单通道气动喷嘴
燃烧室、高压涡轮和低压涡轮
该发动机全环形燃烧室内共有24个单程气动喷嘴(见图5),以前常用的双程离心喷嘴头部积碳严重,是各型JT9D发动机的通病,这款单程气动喷嘴。
据称,这款喷嘴在波音757涡扇发动机上累计使用了85万小时,单台发动机最长使用时间超过8000小时,没有发现任何积碳现象。
24叶片级联扩散器、燃烧室外壳、内壳前段采用镍基合金整体铸造而成,大大减少了零件数量。
火焰管的气膜冷却风入口制成回流式(见图6),减少了管壁上开口处与基座之间的温差,降低了开口处的热应力。另外,火焰管内壁表面涂覆有镁铝耐高温涂层。
图6:火焰筒回冷却风入口结构
高压涡轮
该发动机涡轮进口温度高达1275~1345℃,因此两级高压涡轮采用风冷设计(见图7),第一级静、动叶片的冷却空气均来自高压压气机末级,采用头部喷雾冷却;
第二级冷却空气从第八级抽出,采用冲击冷却,静叶片冷却空气量可调,巡航时冷却空气量仅为最大工况的50%,提高巡航效率。
两级静叶片按三维流动设计成沿径向弯曲,以减少端壁损失,叶片表面涂敷耐高温涂层;第一级动叶片采用单晶材料铸造,叶尖采用耐高温涂层处理,相应外环采用等离子喷涂一层可磨削层状陶瓷,以减小叶尖间隙;第二级动叶片采用定向凝固材料铸造。
3.2.3 低压汽轮机
4级低压涡轮没有冷却,但1、2级定子叶片上覆盖有耐高温涂层,所有定子叶片均设计成沿径向弯曲,图8显示了弯曲叶片与直叶片的区别(JT9D图8所示,采用弯曲导叶,端壁损失更小,从而提高效率。这也是20世纪80年代研制的发动机中常用的结构。
涡轮后轴承壳内外圈采用可控扩散叶片连接,叶片数量是常规轴承支撑板的两倍船舶物资,起到半级涡轮的作用。
图1.低压涡轮弯曲定子叶片与真定子叶片对比
主动间隙控制
高压和低压涡轮上均采用了主动间隙控制技术,即根据不同的工况改变吹向机壳外壁的冷却空气量。对于高压涡轮,在转速为80%~90%N2、海拔超过1500m时,供给空气以减小叶尖间隙。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,停车和小功率运行时仅供给少量冷却空气,冷却机壳。
燃油和润滑油系统
燃油调节器
它是继民用发动机继电后,第二种使用全功能数字燃油控制器(FADEC)的发动机,FADEC可以更精确地控制推力,扩大发动机稳定工作范围,限制超温和超速,还具有自诊断能力,可降低燃油消耗和维护费用约1.5%;但其研制费用和成本相对较高。
润滑油系统
采用传统润滑油系统设计,是新一代发动机中唯一一款回油主管路中没有精细滤油器的发动机。