大涵道比雙轉(zhuǎn)子和三轉(zhuǎn)子布局的設(shè)計對比分析

大涵道比雙轉(zhuǎn)子和三轉(zhuǎn)子布局的設(shè)計對比分析

雙向旋轉(zhuǎn)布局和三個轉(zhuǎn)向布局是螺旋發(fā)動機的常見配置方法。這兩種布局可以實現(xiàn)相同的總體性能參數(shù)。然而，由于內(nèi)部的設(shè)計思想不同，一些部件的設(shè)計體現(xiàn)了技術(shù)的優(yōu)越性。通過兩種布局形式的對比,不僅可以更好的了解兩者的技術(shù)特點,更重要的是從技術(shù)特點中總結(jié)出解決技術(shù)難題的不同思路。目前,在世界航空發(fā)動機領(lǐng)域內(nèi),美國的通用電氣公司(GE)和普惠公司(PW)、英國的羅羅公司(RR)以及烏克蘭的進步設(shè)計局在這兩種布局方式上都進行了深入的研究與實踐,并取得了很高的技術(shù)水平,形成了許多成熟產(chǎn)品并取得了很大的市場成功。在國內(nèi),雖然我國渦扇發(fā)動機的設(shè)計研究起步較晚,但是隨著發(fā)動機產(chǎn)品研制工作的不斷開展,國內(nèi)對于雙轉(zhuǎn)子布局的研究已經(jīng)比較深入;而對于三轉(zhuǎn)子布局的研究多集中于對國外新產(chǎn)品、新技術(shù)介紹,但是對其設(shè)計思路和技術(shù)特點的研究并不深入,更缺乏設(shè)計實踐。本文旨在通過對采用兩種布局方案的成熟產(chǎn)品進行對比,從核心氣流流路與承力機匣兩個角度分析兩種布局方案的具體設(shè)計特點,以期為這方面的方案設(shè)計提供一些參考。1競爭性發(fā)動機大推力量級民用航空發(fā)動機的市場競爭激烈,許多飛機產(chǎn)品都有上述世界3大航空發(fā)動機生產(chǎn)商所研制的貨架產(chǎn)品,以供航空公司根據(jù)自己的使用傳統(tǒng)、后續(xù)維護便利性以及成本等因素進行選裝。這些為同一款飛機而設(shè)計的競爭性發(fā)動機產(chǎn)品,由于其推力、耗油率、安裝結(jié)構(gòu)基本一致,比較適合做不同結(jié)構(gòu)布局的對比分析,其中比較典型的有波音777飛機所采用的“Trent800”、“GE90”和“PW4084”,以及波音787所采用的“Trent1000”和“GEnx”發(fā)動機。本文選擇能夠代表目前不同布局最先進技術(shù)的“Trent1000”和“GEnx”進行對比分析,兩款發(fā)動機的基本參數(shù)見表1。2設(shè)計要點及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為了對兩款發(fā)動機的承力結(jié)構(gòu)布局有一個直觀的對比,將兩發(fā)動機的總體結(jié)構(gòu)圖沿其旋轉(zhuǎn)軸線各去掉一半后,采用相同比例上下拼合在一起形成結(jié)構(gòu)對比圖,如圖1所示。根據(jù)參考文獻中一型三轉(zhuǎn)子發(fā)動機方案的設(shè)計研究結(jié)果(該發(fā)動機方案與Trent1000參數(shù)及尺寸基本一致)估計Trent1000的設(shè)計點風(fēng)扇轉(zhuǎn)速約為3000r/m、中壓轉(zhuǎn)速約為7800r/m、高壓轉(zhuǎn)速約為12000r/m。由于在一定的氣動設(shè)計水平和材料下,為了保證風(fēng)扇的高效率和低噪聲,風(fēng)扇的葉尖線速度有一定的范圍,為了保證高壓壓氣機的壓縮能力和渦輪部件離心應(yīng)力水平(AN2值),高壓轉(zhuǎn)子的最大葉尖的線速度也在一定的限制范圍內(nèi);參考對于Trent1000轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估計以及GEnx和Trent1000的轉(zhuǎn)子部件尺寸,估計GEnx的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速約為3000r/m、高壓轉(zhuǎn)速約為10000r/m。盡管這種估計的精度有限,但對于兩種布局結(jié)構(gòu)設(shè)計的理解也有重要的參考作用。2.1壓氣機的流路設(shè)計兩發(fā)動機的核心流路對比簡圖如圖2所示,對比分析兩流路主要有以下特點:(1)雙轉(zhuǎn)子的增壓級流路顯著高于三轉(zhuǎn)子的中壓壓氣機流路。為提高燃油經(jīng)濟性,大涵道比渦扇發(fā)動機的發(fā)展趨勢是盡可能地提高內(nèi)涵氣流的壓力比和溫度比以實現(xiàn)更高的熱效率;同時擁有更高的剩余能量來驅(qū)動更大尺寸的低壓轉(zhuǎn)子,以實現(xiàn)更高的涵道比以獲得更高的推進效率。對于雙轉(zhuǎn)子布局而言,由于增壓級與低壓轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)其轉(zhuǎn)速很低,因此抬高增壓級的流路半徑可以獲得更高的線速度,有助于提升做功能力。但是從對比結(jié)果看,盡管GEnx的增壓級流路半徑已經(jīng)被抬高至與低壓渦輪相近,但其平均線速度也只有Trent1000的65%,其壓縮能力仍較為有限。(2)雙轉(zhuǎn)子高/低壓轉(zhuǎn)接流路彎曲得更厲害。由于增壓級流路較高與高壓壓氣機進口形成了較大的落差,為了實現(xiàn)流路的連接并且保證氣流不發(fā)生分離,在此處采用一個較長較大的轉(zhuǎn)接流路;同樣的高、低壓渦輪之間也存在同樣的問題。三轉(zhuǎn)子布局由于中壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高很多,因此其流路半徑較低,再加上中壓壓氣采用了近似等內(nèi)徑的流路,最末兩級又進一步降低流路半徑,所以其風(fēng)扇后和高壓前兩處轉(zhuǎn)接流路過渡更緩和。盡管三轉(zhuǎn)子布局多一個中壓渦輪,葉片機之間的過渡流路較雙轉(zhuǎn)子布局多一個,但是其過渡流路總軸向長度與雙轉(zhuǎn)子的過渡流路軸向長度基本一致,這樣更大的落差就使雙轉(zhuǎn)子的流路顯得彎曲的更劇烈。(3)高壓壓氣機1級動葉輪轂比很低。GEnx發(fā)動機的高壓壓氣機采用了近似等外徑的設(shè)計,可以在強度允許的范圍內(nèi)使每級葉片的線速度均較高以獲得高的壓縮能力;同時盡管增壓級的流路半徑較大,但是受限于低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速其增壓能力仍有限,因此高壓壓氣機進口空氣的體積流量依然很大,所以高壓1級的輪轂比就顯著低于三轉(zhuǎn)子發(fā)動機的中壓壓氣機1級和高壓壓氣機的1級。這樣的流路設(shè)計給結(jié)構(gòu)設(shè)計留出的空間十分狹小,這不僅對于1級轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計提出了較高的要求,而且也給高壓前軸頸、軸承和密封等結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來了較高的難度。(4)兩低壓系統(tǒng)的流路設(shè)計十分接近。無論是雙轉(zhuǎn)子還是三轉(zhuǎn)子,其低壓系統(tǒng)的流路設(shè)計都采用了單級大風(fēng)扇和多級大直徑的低壓渦輪,整個流路呈啞鈴形,這使得低壓渦輪重量和體積增加,通常占到發(fā)動機的20%以上。原因是這兩種布局都沒有克服風(fēng)扇和低壓渦輪對于最適宜轉(zhuǎn)速的矛盾;風(fēng)扇設(shè)計需要低轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)高效率、大流量、低噪聲,而低壓渦輪設(shè)計希望高轉(zhuǎn)速以獲得較少的級數(shù)、緊湊的結(jié)構(gòu)和更高的效率。這個矛盾唯有通過取消這兩個部件轉(zhuǎn)速相等的限制來實現(xiàn),齒輪傳動風(fēng)扇是方式之一。2.2entxwb常見系統(tǒng)由于多了一個轉(zhuǎn)子,Trent1000在轉(zhuǎn)子支承上采用了4個承力機匣,除了渦輪后機匣之外,其余3個機匣與雙轉(zhuǎn)子的GEnx發(fā)動機相比都有獨特之處。(1)風(fēng)扇機匣:與帶增壓級的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機相比,三轉(zhuǎn)子發(fā)動機的風(fēng)扇機匣緊貼在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子之后,為了拉開風(fēng)扇轉(zhuǎn)/靜子的軸向間隙以降低噪聲,最近10年新設(shè)計的Trent系列發(fā)動機都采用了向后傾斜的風(fēng)扇出口葉柵。這樣的結(jié)構(gòu)特點也使得在飛/發(fā)之間采用風(fēng)扇機匣作為主安裝點時可以方便的將風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的載荷經(jīng)過風(fēng)扇機匣直接傳遞給機翼掛架,此結(jié)構(gòu)設(shè)計在Trent1000之后RR公司研制的TrentXWB中得到了應(yīng)用(TrentXWB將風(fēng)扇后的軸承改為大直徑的球軸承)。(2)中介機匣:Trent1000的中介機匣位于中壓和高壓壓氣機之間,如圖3所示。除了TrentXWB之外其余型號的中介機匣內(nèi)部都集中了3個轉(zhuǎn)子的止推軸承,同時又涉及到3個轉(zhuǎn)子之間的滑油供油、空氣系統(tǒng)和機械功率輸出等功能。GEnx的中介機匣的結(jié)構(gòu)與CFM56等發(fā)動機的中介機匣基本一致而且由于流路設(shè)計上高壓壓氣機前S彎流路較長,給結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了較充裕的空間。無論從設(shè)計空間還是從功能需求看三轉(zhuǎn)子發(fā)動機的中介機匣都較雙轉(zhuǎn)子的更難設(shè)計,但是三轉(zhuǎn)子布局也使一些獨特的設(shè)計成為可能。Trent1000為了應(yīng)對波音787客機采用全電功率提取之后的顯著增加的機械功率提取需求(達到單臺發(fā)動機提取功率500kW一級),采用了可變機械功率提取位置的設(shè)計,即在起動階段由起動機通過機械系統(tǒng)直接帶動高壓轉(zhuǎn)子,在巡航狀態(tài)下改由中壓轉(zhuǎn)子負責機械功率輸出。這種方案不僅可以使巡航狀態(tài)下高壓轉(zhuǎn)子的負荷可以保持在高效率區(qū)間內(nèi),還可以降低在地面滑行狀態(tài)下發(fā)動機的油耗。(3)高/中壓渦輪間承力框架:Trent1000的渦輪間承力框架布置于高/中壓渦輪之間,如圖4所示,與GEnx發(fā)動機布置在高/低壓渦輪之間的承力框架相比,其溫度負荷和環(huán)境壓力都要高很多,因此其空氣系統(tǒng)封嚴以及熱防護設(shè)計難度更大。不僅如此,由于Trent1000的高/中壓渦輪間承力機匣的流道內(nèi)支板集成了中壓渦輪導(dǎo)向葉片功能,所以其設(shè)計難度比GEnx更大。從以上分析可以看出,三轉(zhuǎn)子的Trent1000不僅比雙轉(zhuǎn)子布局的GEnx多出了一個承力機匣,而且其中介機匣和高中壓渦輪間承力框架的設(shè)計難度要更高;但是通過從1970年開始的RB211系列發(fā)動機和Trent系列發(fā)動機的不斷積累,這種設(shè)計也可以做到十分成熟可靠。2.3轉(zhuǎn)子支點的位置轉(zhuǎn)子數(shù)目的不同帶來的最直接的差異就是轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計,兩發(fā)動機的轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)對比簡圖見圖5。(1)雙轉(zhuǎn)子的低壓渦輪軸支點跨距較大。通過圖5中的各個轉(zhuǎn)子支點的大致跨距可以看出,Trent的三個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子支點布置的比較均勻,尤其是細長的中壓渦輪軸和低壓渦輪軸兩側(cè)的支點跨距均比GEnx的相同位置值小,即使是考慮到渦輪軸直徑的因素,也還是雙轉(zhuǎn)子的低壓渦輪軸的長徑比更大。這在渦輪軸的加工方面和在機動載荷作用下低壓渦輪軸的變形控制方面都帶來了難度。為了應(yīng)對后一種因素,可以采用將低壓渦輪的后支點布置在低壓渦輪軸與低壓渦輪轉(zhuǎn)子組合件的重心附近,從而降低機動載荷產(chǎn)生的彎矩,從圖2中可以看出GEnx的5號軸承位置的選定應(yīng)該有這樣的考慮。(2)三轉(zhuǎn)子的高壓轉(zhuǎn)子十分緊湊。從圖5中不難看出,三轉(zhuǎn)子的高壓轉(zhuǎn)子支點跨距很小,整個轉(zhuǎn)子級數(shù)較少,十分緊湊,重量輕轉(zhuǎn)動慣量和氣動負荷小。對于轉(zhuǎn)速最高的高壓轉(zhuǎn)子而言,簡單緊湊的轉(zhuǎn)子不僅對于其轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計有好處,對于防止由機動飛行載荷帶來的或由推力造成的核心機機匣彎曲變形造成的高壓壓氣機葉尖碰磨也有益處,對于發(fā)動機的起動也有一定優(yōu)勢。3轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計通過歸納上述對比分析的結(jié)果可以看出三轉(zhuǎn)子布局相對于雙轉(zhuǎn)子布局具有以下幾方面的特點:(1)通過引入轉(zhuǎn)速介于低壓和高壓之間的中壓轉(zhuǎn)子,緩解了增壓級增壓能力與低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的矛盾;這使得在壓縮部件方面三轉(zhuǎn)子的中/