大涵道比雙轉(zhuǎn)子和三轉(zhuǎn)子布局的設(shè)計(jì)對(duì)比分析

大涵道比雙轉(zhuǎn)子和三轉(zhuǎn)子布局的設(shè)計(jì)對(duì)比分析

雙向旋轉(zhuǎn)布局和三個(gè)轉(zhuǎn)向布局是螺旋發(fā)動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)配置方法。這兩種布局可以實(shí)現(xiàn)相同的總體性能參數(shù)。然而，由于內(nèi)部的設(shè)計(jì)思想不同，一些部件的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了技術(shù)的優(yōu)越性。通過(guò)兩種布局形式的對(duì)比,不僅可以更好的了解兩者的技術(shù)特點(diǎn),更重要的是從技術(shù)特點(diǎn)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(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi),美國(guó)的通用電氣公司(GE)和普惠公司(PW)、英國(guó)的羅羅公司(RR)以及烏克蘭的進(jìn)步設(shè)計(jì)局在這兩種布局方式上都進(jìn)行了深入的研究與實(shí)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(chǎng)成功。在國(guó)內(nèi),雖然我國(guó)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究起步較晚,但是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制工作的不斷開(kāi)展,國(guó)內(nèi)對(duì)于雙轉(zhuǎn)子布局的研究已經(jīng)比較深入;而對(duì)于三轉(zhuǎn)子布局的研究多集中于對(duì)國(guó)外新產(chǎn)品、新技術(shù)介紹,但是對(duì)其設(shè)計(jì)思路和技術(shù)特點(diǎn)的研究并不深入,更缺乏設(shè)計(jì)實(shí)踐。本文旨在通過(guò)對(duì)采用兩種布局方案的成熟產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比,從核心氣流流路與承力機(jī)匣兩個(gè)角度分析兩種布局方案的具體設(shè)計(jì)特點(diǎn),以期為這方面的方案設(shè)計(jì)提供一些參考。1競(jìng)爭(zhēng)性發(fā)動(dòng)機(jī)大推力量級(jí)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,許多飛機(jī)產(chǎn)品都有上述世界3大航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(hù)便利性以及成本等因素進(jìn)行選裝。這些為同一款飛機(jī)而設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)性發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)比分析,其中比較典型的有波音777飛機(jī)所采用的“Trent800”、“GE90”和“PW4084”,以及波音787所采用的“Trent1000”和“GEnx”發(fā)動(dòng)機(jī)。本文選擇能夠代表目前不同布局最先進(jìn)技術(shù)的“Trent1000”和“GEnx”進(jìn)行對(duì)比分析,兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)見(jiàn)表1。2設(shè)計(jì)要點(diǎn)及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為了對(duì)兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的承力結(jié)構(gòu)布局有一個(gè)直觀的對(duì)比,將兩發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)比圖,如圖1所示。根據(jù)參考文獻(xiàn)中一型三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)方案的設(shè)計(jì)研究結(jié)果(該發(fā)動(dòng)機(jī)方案與Trent1000參數(shù)及尺寸基本一致)估計(jì)Trent1000的設(shè)計(jì)點(diǎn)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(dòng)設(shè)計(jì)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(jī)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(duì)于Trent1000轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估計(jì)以及GEnx和Trent1000的轉(zhuǎn)子部件尺寸,估計(jì)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(jì)的精度有限,但對(duì)于兩種布局結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理解也有重要的參考作用。2.1壓氣機(jī)的流路設(shè)計(jì)兩發(fā)動(dòng)機(jī)的核心流路對(duì)比簡(jiǎn)圖如圖2所示,對(duì)比分析兩流路主要有以下特點(diǎn):(1)雙轉(zhuǎn)子的增壓級(jí)流路顯著高于三轉(zhuǎn)子的中壓壓氣機(jī)流路。為提高燃油經(jīng)濟(jì)性,大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是盡可能地提高內(nèi)涵氣流的壓力比和溫度比以實(shí)現(xiàn)更高的熱效率;同時(shí)擁有更高的剩余能量來(lái)驅(qū)動(dòng)更大尺寸的低壓轉(zhuǎn)子,以實(shí)現(xiàn)更高的涵道比以獲得更高的推進(jìn)效率。對(duì)于雙轉(zhuǎn)子布局而言,由于增壓級(jí)與低壓轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)其轉(zhuǎn)速很低,因此抬高增壓級(jí)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(duì)比結(jié)果看,盡管GEnx的增壓級(jí)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(jí)流路較高與高壓壓氣機(jī)進(jìn)口形成了較大的落差,為了實(shí)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(gè)較長(zhǎng)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(wèn)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(jí)又進(jìn)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(guò)渡更緩和。盡管三轉(zhuǎn)子布局多一個(gè)中壓渦輪,葉片機(jī)之間的過(guò)渡流路較雙轉(zhuǎn)子布局多一個(gè),但是其過(guò)渡流路總軸向長(zhǎng)度與雙轉(zhuǎn)子的過(guò)渡流路軸向長(zhǎng)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(jī)1級(jí)動(dòng)葉輪轂比很低。GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)采用了近似等外徑的設(shè)計(jì),可以在強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)使每級(jí)葉片的線速度均較高以獲得高的壓縮能力;同時(shí)盡管增壓級(jí)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(jī)進(jìn)口空氣的體積流量依然很大,所以高壓1級(jí)的輪轂比就顯著低于三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的中壓壓氣機(jī)1級(jí)和高壓壓氣機(jī)的1級(jí)。這樣的流路設(shè)計(jì)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)留出的空間十分狹小,這不僅對(duì)于1級(jí)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)帶來(lái)了較高的難度。(4)兩低壓系統(tǒng)的流路設(shè)計(jì)十分接近。無(wú)論是雙轉(zhuǎn)子還是三轉(zhuǎn)子,其低壓系統(tǒng)的流路設(shè)計(jì)都采用了單級(jí)大風(fēng)扇和多級(jí)大直徑的低壓渦輪,整個(gè)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(dòng)機(jī)的20%以上。原因是這兩種布局都沒(méi)有克服風(fēng)扇和低壓渦輪對(duì)于最適宜轉(zhuǎn)速的矛盾;風(fēng)扇設(shè)計(jì)需要低轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)高效率、大流量、低噪聲,而低壓渦輪設(shè)計(jì)希望高轉(zhuǎn)速以獲得較少的級(jí)數(shù)、緊湊的結(jié)構(gòu)和更高的效率。這個(gè)矛盾唯有通過(guò)取消這兩個(gè)部件轉(zhuǎn)速相等的限制來(lái)實(shí)現(xiàn),齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇是方式之一。2.2entxwb常見(jiàn)系統(tǒng)由于多了一個(gè)轉(zhuǎn)子,Trent1000在轉(zhuǎn)子支承上采用了4個(gè)承力機(jī)匣,除了渦輪后機(jī)匣之外,其余3個(gè)機(jī)匣與雙轉(zhuǎn)子的GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)相比都有獨(dú)特之處。(1)風(fēng)扇機(jī)匣:與帶增壓級(jí)的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相比,三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣緊貼在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子之后,為了拉開(kāi)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(jì)的Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)也使得在飛/發(fā)之間采用風(fēng)扇機(jī)匣作為主安裝點(diǎn)時(shí)可以方便的將風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的載荷經(jīng)過(guò)風(fēng)扇機(jī)匣直接傳遞給機(jī)翼掛架,此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)匣:Trent1000的中介機(jī)匣位于中壓和高壓壓氣機(jī)之間,如圖3所示。除了TrentXWB之外其余型號(hào)的中介機(jī)匣內(nèi)部都集中了3個(gè)轉(zhuǎn)子的止推軸承,同時(shí)又涉及到3個(gè)轉(zhuǎn)子之間的滑油供油、空氣系統(tǒng)和機(jī)械功率輸出等功能。GEnx的中介機(jī)匣的結(jié)構(gòu)與CFM56等發(fā)動(dòng)機(jī)的中介機(jī)匣基本一致而且由于流路設(shè)計(jì)上高壓壓氣機(jī)前S彎流路較長(zhǎng),給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了較充裕的空間。無(wú)論從設(shè)計(jì)空間還是從功能需求看三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的中介機(jī)匣都較雙轉(zhuǎn)子的更難設(shè)計(jì),但是三轉(zhuǎn)子布局也使一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)成為可能。Trent1000為了應(yīng)對(duì)波音787客機(jī)采用全電功率提取之后的顯著增加的機(jī)械功率提取需求(達(dá)到單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)提取功率500kW一級(jí)),采用了可變機(jī)械功率提取位置的設(shè)計(jì),即在起動(dòng)階段由起動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)直接帶動(dòng)高壓轉(zhuǎn)子,在巡航狀態(tài)下改由中壓轉(zhuǎn)子負(fù)責(zé)機(jī)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(fù)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)布置在高/低壓渦輪之間的承力框架相比,其溫度負(fù)荷和環(huán)境壓力都要高很多,因此其空氣系統(tǒng)封嚴(yán)以及熱防護(hù)設(shè)計(jì)難度更大。不僅如此,由于Trent1000的高/中壓渦輪間承力機(jī)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(jì)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(gè)承力機(jī)匣,而且其中介機(jī)匣和高中壓渦輪間承力框架的設(shè)計(jì)難度要更高;但是通過(guò)從1970年開(kāi)始的RB211系列發(fā)動(dòng)機(jī)和Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷積累,這種設(shè)計(jì)也可以做到十分成熟可靠。2.3轉(zhuǎn)子支點(diǎn)的位置轉(zhuǎn)子數(shù)目的不同帶來(lái)的最直接的差異就是轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),兩發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)對(duì)比簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。(1)雙轉(zhuǎn)子的低壓渦輪軸支點(diǎn)跨距較大。通過(guò)圖5中的各個(gè)轉(zhuǎn)子支點(diǎn)的大致跨距可以看出,Trent的三個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子支點(diǎn)布置的比較均勻,尤其是細(xì)長(zhǎng)的中壓渦輪軸和低壓渦輪軸兩側(cè)的支點(diǎn)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(zhǎng)徑比更大。這在渦輪軸的加工方面和在機(jī)動(dòng)載荷作用下低壓渦輪軸的變形控制方面都帶來(lái)了難度。為了應(yīng)對(duì)后一種因素,可以采用將低壓渦輪的后支點(diǎn)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(jī)動(dòng)載荷產(chǎn)生的彎矩,從圖2中可以看出GEnx的5號(hào)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(diǎn)跨距很小,整個(gè)轉(zhuǎn)子級(jí)數(shù)較少,十分緊湊,重量輕轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和氣動(dòng)負(fù)荷小。對(duì)于轉(zhuǎn)速最高的高壓轉(zhuǎn)子而言,簡(jiǎn)單緊湊的轉(zhuǎn)子不僅對(duì)于其轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)有好處,對(duì)于防止由機(jī)動(dòng)飛行載荷帶來(lái)的或由推力造成的核心機(jī)機(jī)匣彎曲變形造成的高壓壓氣機(jī)葉尖碰磨也有益處,對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)也有一定優(yōu)勢(shì)。3轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)歸納上述對(duì)比分析的結(jié)果可以看出三轉(zhuǎn)子布局相對(duì)于雙轉(zhuǎn)子布局具有以下幾方面的特點(diǎn):(1)通過(guò)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(jí)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/