CFM563發(fā)動機 122.doc

7 cfm56-3型發(fā)動機裝配改進cfm56-3型發(fā)動機于1984年取得適航證，并于1984年11月裝于波音這樣才使進口處下緣與地面保持了0.711m的高度(仍比jt8d的0.762m低)。從圖19可以看出，波音737-300飛機發(fā)動機進口處的外形做成橢圓形，這是各種飛機中少見的一種進口形狀。7.1 基本結構cfm56-3(見圖20)是在cfm56-2的基礎上，將風扇直徑改小而成的，因此，除風扇部件外，其余結構均同與-2型的，圖21示出兩型發(fā)動機的共同之處及不同之處 由圖21可以看出，新的風扇葉片是由cf6-80的風扇葉片按比例縮小而成，用中間凸肩取代了-2型中的葉冠結構，另外，增壓壓氣機也稍做了改動，而承力框架及外機匣、包容環(huán)則改用了新的結構。7.3 cfm56-3軸承支承構造低壓和高壓轉子共用5個軸承支承，其中有1個中介軸承，低壓轉子支承方案為0-2-1高壓轉子支承方案為1-0-1，高壓后軸通過中介軸承(4號)支承于低壓渦輪軸上；前面3個軸承裝在中介機匣上，共用1個滑油腔；后面2個軸承支承于渦輪后軸承機匣中，共用1個滑油腔。cfm56-3總體結構設計概括起來是：2個轉子、5個支點(其中1個中介支點)、2個承力框架(中介機匣、渦輪后軸承機匣)、2個滑油腔。圖7示出了它們的簡圖7.2 性能發(fā)動機的性能參數(shù)比較如下圖。在cfm56系列中有發(fā)動機性能參數(shù)。7.3 風扇葉片tita6v鈦合金做的實心、帶中間凸肩的風扇葉片取代了-2型中的46片帶冠葉片，葉身高368mm根部為燕尾形榫頭。其安裝方式同于-2型，雖然葉身上帶有減振的中間凸肩，但在使用中葉片中振動應力仍大，因此，1989年12月起在根部加裝減振塊(見圖22)，利用減振塊與葉片中間根間的相互干摩攘減振，將振動應力減低。據(jù)俄羅斯的研究表明，采用干摩擦的減振塊后，能將葉片的振動應力降低60左右，減振效果甚佳。羅羅公司的rb211-535e4、trent等發(fā)動機的高壓渦輪葉片(帶冠)中，也裝有類似結構的減振塊。在cfm56-5型上，沿用了-3型的這種減振塊。圖22還示出了減振塊的安裝結構，減振塊裝于葉身底座與榫頭間截面較窄的中間根處，夾在兩葉片間，由于中間根呈前小后大的三角形，因此，減振塊也做成三角形的，為避免減振塊由后端逸出，在輪盤后緣安裝了由螺栓固定到輪盤上的保持塊，減振塊后端銑出的臺階面卡在保持塊中。3型的風扇輪盤做了較大的改動，由圖23可見，與輪盤做成一體小軸，在-2型中是由盤前緣向前伸的(見圖12)，因此，風扇軸是穿過盤孔與小軸相連接的；在-3型中，小軸是由輪盤后緣向后伸出的，因此，風扇軸是在輪盤后端與小軸相連接，不需穿過盤心，這盤心的孔徑可以小些，相應地輪盤厚度可以薄些。固定在輪盤前緣的進氣錐做成兩段，后段用rr58au2gn鋁合金做成，用后安裝邊與輪盤相連，并作為風扇葉片的前擋環(huán)，防止葉片由前端逸出。前錐是用kinel5504復合材料做成的錐形薄殼件，它與后段用過盈配合并用螺釘連接。全錐形進氣錐具有較好的防冰能力，但是砂石、雨水和碎冰等外物易于進入核心部分，在cfm56-3出現(xiàn)幾次飛機遇到大雨造成空中停車事件后，除了采取其他措施(后文將敘述)外，對前錐的形狀進行了試驗研究，結果發(fā)現(xiàn)如果前錐做成橢圓形，有利于將外物甩向外涵道，因此，1991年2月將前錐改成橢圓形。目前，這兩種形式的前錐同時在使用中的發(fā)動機存在，新生產(chǎn)的發(fā)動機則按橢圓形前錐生產(chǎn),ge90采用了類似的前橢后錐的結構。為了使人們容易發(fā)現(xiàn)發(fā)動機是否在工作，于1984年5月起，在進氣錐上加涂一白色螺線形條帶，如圖24所示。據(jù)稱，當發(fā)動機工作時這種白色條帶形成的變幻的色帶不僅使人們看出發(fā)動機是在旋轉著，而且可驅散遠方的飛鳥。羅.羅公司的發(fā)動機，也采用了類似的白色條帶。發(fā)動機在大雨中，吸入的雨水未能在進入核心機前甩出到外涵氣流中，是造成這四起事件的主要原因，因為在發(fā)動機設計階段，對此了解不夠，因而在設計中沒有采取較好的措施，例如風扇出口的分流環(huán)距風扇葉片后緣太近等。為了解決遇大雨，雨水進入核心機過多的問題，采取了下述幾個措施：(1)加大風扇葉片與分流環(huán)的間距，將分流環(huán)(風扇后外涵，內涵氣流分流處的環(huán)形結構)的進口整流罩換裝長度較小的，使分流環(huán)與風扇葉片后緣的間距加長(1989年5月)，便于將進入風扇后的雨水甩到外涵。在cfm56-3的原設計中，分流環(huán)與風扇葉片后緣的間距很短，見圖25。由圖25可看出，風扇葉片后緣與分流環(huán)之間的距離太近。因此，在cfm56-3之后發(fā)展的發(fā)動機，分流環(huán)與風扇葉片后緣的間距均做得較長，圖26、27分別示出ge90-115b、rb211-535e4風扇葉片與分流環(huán)的結構圖，由圖26，27上可見分流環(huán)與風扇葉片后緣的間距均較大，即是2例。(2)加裝放氣活門。重新在增壓壓氣機后加裝12個放氣活門，在發(fā)動機慢車狀態(tài)下打開可將進入發(fā)動機的外物包括雨水甩到外涵氣流中(1989年5月)。一般放氣活門設置在增壓壓氣機出口拐彎處，便于水在拐彎處離心力作用下甩到外涵，如圖26中ge90-115b的放氣活門。（3) 提高空中慢車轉速。在壞天氣條件下著陸時，將發(fā)動機空中慢車轉速加高到45n1(正常情況為32n1)，以增加雨水流過風扇、增壓壓氣機的離心力，增加將雨水甩到外涵的能力。(4)進氣錐改形。將進氣錐改成先橢后錐的形式。對于前兩項，不僅新生產(chǎn)的發(fā)動機要貫徹，在外場使用的約1500臺發(fā)動機也進行改裝。為了考核這些改進是否能在特大雨中有救，進行了一次特有的飛行試驗，如圖28所示，利用一架美空軍的kc-135空中加油機盛滿水，作為噴水設備，飛在用波音707改裝的飛行試車臺的前上方，試驗的cfm56-3發(fā)動機裝在左翼外側發(fā)動機吊艙中。加油機的加油管正對試驗發(fā)動機的進氣口處噴水，以模擬飛機在空中遇到大雨的條件，試驗結果表明，這些改進是合適的，因此，在cfm56-5型中也采用了。v2500發(fā)動機在設計中，將風扇葉片后緣與分流環(huán)間的間距拉得很開，加上采用了寬弦風扇的葉片，使進入核心機的水量較小。在取證試驗中，它的吞水量比far33部要求的4大5倍，也即吞入了空氣質量流量20的水進行試驗結果仍然很佳。因此，在新設計的發(fā)動機中，都在此處留有較大間距，圖9所示的普惠公司的mtfe發(fā)動機即是一例。在cfm56發(fā)動機中，它的最新型號cfm56-7也采用了大的間距。7.4 壓氣機7.4.1增壓壓氣機結構如圖15 由進氣錐、風扇葉片、增壓轉子、增壓轉子、增壓器工作葉片、風扇承力框架組件組成。3級增壓壓氣機轉子采用了鼓式結構，直接與風扇輪盤后緣安裝邊用螺栓連接。由于增壓壓氣機轉子轉速低，直徑小，輪緣處的切向速度小，因此，在所有高涵遭比渦扇發(fā)動機中，均采用縱向剛性好、結構簡單的鼓式轉子。7.4.2 高壓壓氣機結構(見圖29)。9級壓氣機壓比約為12.0，平均級壓比為1.32，第1級工作葉片葉尖切線速度為400 m/s，平均展弦比為1.49，轉子做成盤鼓混合式的結構，由5個組件組成，即鈦合金做的前軸、12級轉子、3級輪盤，由鎳基合金做的49級轉子，壓氣機后篦齒封嚴盤，在第3級輪盤處用螺栓將12級轉子、49級轉子,前軸連接起來，在后篦齒封嚴盤處，用螺栓將壓氣機轉子與高壓渦輪轉子連接組成發(fā)動機的高壓轉子。鈦合金做的13級工作葉片用軸向燕尾榫頭裝在相應級中的輪盤軸向榫槽中，而鎳基合金做的49級工作葉片則分別裝在各級輪盤的環(huán)形燕尾槽中，所有的工作葉片均可在不分解轉子的情況下拆換，4級盤與59級轉子均用低壓(增壓)壓氣機后的空氣通過前軸上的幾個孔引入轉子內腔中，進行內部冷卻，圖30示出了轉子內部冷卻空氣流動情況。第1級工作葉片上，作有增加剛性的肋條，用以防止流入核心機的外物打壞第1級工作葉片，除此之外，進口導流葉片不僅做成彎刀形式，還與工作葉片前緣間留有較大縫隙，以避免外來物(鳥等)卡在靜葉與工作葉片間弄壞工作葉片。各級工作葉片數(shù)為：38，53，60，68，75，82，82，80，76。大涵道比風扇發(fā)動機受力及壓氣機內部冷卻如下圖。 7.5 機匣 機匣做成沿圓周是對開的兩半由前至后又做成兩段，前機匣的前段上裝有從進口導向葉片到第5級靜葉共6排靜葉，前機匣的后段從第3級靜葉后向后呈擴張形，直至第5級靜子葉片后緣，然后與也做成擴散形的延伸機匣用螺栓相連，延伸機匣向后延伸直到第9級工作葉片后緣處，與燃燒室外機匣前伸段相連，形成壓氣機后段的外層承力機匣，用incol718做成的延伸機匣與用鈦合金做的前機匣雖是用螺栓連接在一起，但一經(jīng)連接后，就不允許再分解。由于前機匣與13級工作葉片均是用鈦合金做的，為避免工作中鈦制工作葉片與鈦制機匣相磨碰引起鈦著火問題，在機匣內徑與工作葉片相對應的位置上，嵌有防火隔層及易磨層，見圖29中圓圖中所示。由進口導流葉片至第3級靜葉共4排，做成安裝角是可以調節(jié)的。安裝68靜葉的后機匣由incol903做成，用后安裝邊與燃燒室外機匣前安裝邊用螺栓相連，前端是懸臂地插在前機匣中。第9級的靜葉做在燃燒室中的擴散通道內。壓氣機前后機匣在使用中均做了較大的改動，前機匣于1988年2月改用m152合金鋼做，而且將原來用incol718做的延伸段也改用m152，將兩者作為一整體。改用合金鋼后，取消了原來裝在機匣內的防火隔層，這一改進，使零件數(shù)目減少了約140件，重量增加5.64k由于m152的膨脹系數(shù)低于鈦臺金的，因此機匣內徑向內縮小了0.127mm。cfm56-3的高壓壓氣機后機匣原來用低膨脹系數(shù)的incol1903合金做，1986年11月改用了incol1907做，incol1907也是低膨脹系數(shù)合金，但它抗銹能力較好，用以提高后機匣的抗銹蝕能力。后機匣原來沿圓周做成上下對半的，但在1984年12月改成沿圓周做成四段，即每90一段，分開面分別在垂直與水平位置上。但在-5系列中又恢復成上下兩半的結構。在使用中曾出現(xiàn)第1、第2級工作葉片燕尾型榫頭在輪盤的榫槽中磨蝕并引起葉根斷裂的事件，反映出榫頭長度不夠，為此，由1991年1o月起，將葉片榫頭加長，相應地將輪盤厚度也加大。第1級葉片掉頭軸向長度增加7.6mm，葉身未做變化，第2級葉片榫頭軸向長度增加了6.4 mm，葉身只是在靠近根部處厚度稍為增大了一點，其他全部未變。為適應葉片榫頭軸向尺寸加大，1,2級輪盤相應地做了改動，由于榫頭尺寸加大，葉片重量相應加大，為此，輪盤其他尺寸也稍做修改，見圖31所示。做了上述改動后，發(fā)動機重量增加了2.7 kg。cfm56-5系列上。原來的結構同于-3的，在-3型做了改進后，-5系列發(fā)動機上也于1991年底做了類似的改動。7.6 燃燒室燃燒室由擴壓器，火焰筒，外殼，內殼，渦流器，噴咀，點火器組成。 7.6.1發(fā)動機燃燒室要求（1）各種條件下穩(wěn)定燃燒不脈動、不息火；（2）具有高的完全燃燒度和最小的散熱損失；（3）有大的容熱強度；(物理意義) （4）口流場符合要求；（5流體阻力??；(總壓恢復系數(shù)) （6結構簡單，維修方便，壽命長；（7）啟動性能好 7.6.2短環(huán)形燃燒室有20個低壓噴嘴，由燃油總管來的燃油是單路的，進入噴嘴后，在彈簧加載的分配活門作用下，分成主、副油路進入噴口，這種設計使外部管路簡單了，但卻使噴嘴復雜化(通常，分配活門裝在燃油控制器后，用兩個油管與噴嘴相連)，為了減少啟動時燃燒不完全造成排放污染，在1985年1o月后，將4個噴嘴(7，8，14，15號，從后向前看，1號位于最上方)或2個噴嘴(1415號)的主油路燃油量加大(加大43)，造成啟動時局部富油。7.7 火焰筒火焰筒結構（見圖34）外殼、內殼在前端裝有20個球狀的頭部，并裝有外、內整流罩，在原設計中，三者是焊接在一起的，1984年10月改為用螺釘連接(自鎖螺母先焊在整流罩上)。每個頭部的前端均為漩渦器，它是由前端的主漩渦器，后端的副漩渦器組成，兩者間由一文氏管相連，漩渦器的葉片不似一般發(fā)動機中的軸向安排的，而是做成徑向安排的。為了提高火焰筒的壽命與抗熱腐蝕能力，從1985年4月起，火焰筒殼體與燃氣接觸的表面上，增加了一層隔熱涂層(thermalbarrier coating，tbc)，該涂層的底層為含鉻、銅、鎳、鎂的鋁臺金nicral的鍍層，其上復以一層氧化釔一鋯，采用這一涂層后，發(fā)動機重量增加1.478 kg。為了徹底解決鳥撞擊后對火焰筒造成的損傷問題，從1993年4季度起，新生產(chǎn)的發(fā)動機采取了加強措施，即在頭部的每兩個漩渦器間加了一綽號稱為鳥“緩沖器”的加強塊(共20塊)，以防止漩渦器變形并保持噴嘴的配合。另外，在內整流罩內壁處還加了一加強環(huán)(沿圓周做成4段)，用40個螺桂將加強環(huán)、加強塊固定到內整流罩上。燃燒室后安裝邊與高壓渦輪機匣前安裝邊連接用的螺栓，在使用中，曾發(fā)生過松脫與折斷，引起燃燒室機匣破裂。曾有18根用waspalloy做的螺栓斷裂。為此，1989年5月起，改用incol 718的螺栓與螺帽。對未改材料的螺栓，1990年9月規(guī)定，在對飛機作b檢時目視檢查該螺栓是否松脫，并檢查螺帽的擰緊力矩。7.8渦輪及尾噴管技術要求：高效率，尺寸小，結構緊湊足夠的高溫強度，熱穩(wěn)定型好，熱應力小良好的冷卻系統(tǒng) 適當選擇材料。cfm56-3發(fā)動機采用了單級、高負荷高壓渦輪(見圖35)，這在民用高涵道比渦扇發(fā)動機中是少有的，一般都是采用雙級。采用單級，不僅使結構簡單，零件數(shù)目少，而且由于只需對1級的靜葉、轉葉進行冷卻，因此，冷卻空氣量也少，當然，它的效率比雙級要低些。經(jīng)過權衡后，cfm56-3采用了用輕重量、少零件、低成本等換取效率有所降低的一種設計它有46片導向葉片，用鈷基合金x-40鑄造的葉片鑄成空心的，空腔中插入一芯塊，將內腔分成前后兩腔，以便通入冷卻空氣對葉身進行有效的冷卻。每個葉片的上下端帶有上蓋與底座，兩個葉片在上蓋、底座的側面用釬焊焊成一雙葉片組，為了提高此葉片的耐久性與抗腐蝕性，1990年3月起改用了dsr 142材料，用定向凝固方法成形。每個葉片底座均帶安裝邊，靠螺栓與內支承環(huán)相連，上蓋支承于外支承環(huán)中，但未采用連接件，以允許工作時葉片能向外自由膨脹，內外支承環(huán)均用鎳基合金制成，例如，外支承環(huán)可用3種材料：wasp-aloy，incol 718、rene 41。高壓渦輪轉子結構如圖36由輪盤、前封嚴盤、前大鼓軸、后軸等組成，輪盤帶前、后安裝凸邊，用以與前封嚴盤、大鼓軸、相連前大鼓軸內裝有減振襯套，后軸與輪盤連接處的封嚴環(huán)內也裝有減振襯套，用rene 125鎳基合金做的工作葉片內腔做成多通道冷卻流道，冷卻空氣是由葉根底部的孔引入，用螺栓將葉片的前后擋板固定在輪盤上，冷卻葉片的空氣由前擋板與輪緣間的槽道中進入榫槽底部的空腔中，然后流入葉片冷卻流道。用短螺栓將葉片前后擋板固定到輪盤的設計，是ge公司采用得較多的一種設計，在各型cfm56-3發(fā)動機中均采用了這一結構缺點。由于這種設計在輪緣須開許多通過螺栓的小孔，使盤緣的應力集中大，承力面積減步，大大削弱了輪盤的強度；另外，兩端外伸的螺栓頭與螺帽7.9 附件傳動系統(tǒng)附件傳動裝置的要求：要滿足各附件的轉向要求；應能安裝，不能相干擾；便于接近進行維護、更換；集中安裝，滿足可達性求；應使橫截面積??；遠離高溫區(qū)。組成：中央傳動裝置，外傳動裝置，彈性小軸傳動的飛機和發(fā)動機附件較多；主要附件應由hp轉子傳動；轉子-中心傳動裝置-外傳動裝置-附件 離合器傳動和齒輪傳動等它有1傳動裝置2滑油系統(tǒng)：增壓泵，回油泵，安全活門，調壓活門，單門，單向壓差活門，油氣分離器，燃油滑油散熱器，離心滅泡器。3起動電機，發(fā)電機等，有附件潤滑系統(tǒng)增壓泵，回油泵安全活門，調壓活門，單向活門，單向壓差活門，油氣分離器，燃油滑油散熱器，離心滅泡器。回油系統(tǒng)，通風系統(tǒng)，指示系統(tǒng)。組成。7.10出現(xiàn)事故后改進圖32示出了cfm56-3高壓壓氣機轉子出現(xiàn)過的幾種故障。由吸入的外來物(fod)打壞高壓壓氣機工作葉片是造成cfm56-3拆換的第三個主要原因，根據(jù)1993年1月至1995年1月兩年時間的統(tǒng)計，兩年中發(fā)動機總累積運轉時間為：1599410efh，1159 900循環(huán)，由fod造成高壓壓氣機故障而拆換的發(fā)動機共有61臺，其中，在日常的撿查中查出32起，吸鳥后發(fā)現(xiàn)22起，在發(fā)動機排故中查出7起。其拆換率為o.003 81/1000 efh，即由于fod造成高壓壓氣機故障引起的發(fā)動機拆換，平均每262200efh出現(xiàn)一次。究其原因，主要還在于風扇與低壓壓氣機間間距不夠大，進氣錐的形狀對分離外來物的效果不夠大所致，雖然在高壓壓氣機設計中，采取了一些措施，如前述的進口導流葉片做成彎刀形，第1級工作葉片帶增加剛性的縱向肋條等，但是由于前面的結構設計中不可能將外來物基本甩出到外涵氣流中，因而仍有可能進入核心機。根除的方法是采用寬弦風扇葉片，加大風扇葉片與低壓壓氣之間的間距，在cfm56-7上已采取了這種措施。1994年11月已對由于外來物打傷葉片后。損傷部位的允許極限值做了修改。采用了與cfm56核心機相同核心機的f404發(fā)動機裝于美國海軍用艦載f/a-18飛機，1987年11月，美國海軍宣布當年共損失9架fa-18，其中4架是由于發(fā)動機中鈦合金的高壓壓氣機機匣被鈦合金工作葉片斷片卡住相磨而引起鈦機匣著火所造成的。因此，ge公司立即將鈦機匣改用m152合金鋼來做，同時，將外涵機匣由鈦合金改用復合材料pmr15，這種改動使發(fā)動機重量增加o.454kg，由時間看，cfm56-3將高壓壓氣機機匣的材料由鈦合金改為合金鋼似乎是受到f404鈦失火的影響而采取的措施。外、內整流罩前緣均在前端卷成圓邊，其內裝有減振鋼絲，在使用中，由于鋼絲被卷壓得不夠緊，造成銅絲在卷邊中活動，而使鋼絲與卷邊的材料均有磨損，當卷邊磨損過多，鋼絲會彈出，碰到噴嘴油管的拐彎處，造成油管磨損，在 外場使用中，曾出現(xiàn)過12起卷邊磨穿的事件。其中四起引起噴嘴油管拐彎處磨損，并造成一起燃油外泄引起燃燒室機匣燒穿的事件，為此，要求卷邊時，要將鋼絲緊緊壓住，整流罩的板料厚度不能小于0.73 mm。1993年9月還規(guī)定定期用孔探儀對整流罩卷邊處進行檢測，它規(guī)定新裝的發(fā)動機，在使用11000 efh后進行第1次檢查，以后每隔1700 efh