遄达1000发动机设计特点 中、高压气机、燃烧室和噪音控制介绍

5 中压压气机(如图9所示)

图9、中压压气机

中压压气机沿用了遄达系列发动机中均用的8级,其结构是遄达900的中压压气机按比例缩小的。工作叶片用三元流设计,前缘部分进行了优化,提高了效率与喘振裕度。风扇出口到中压压气机进口通道较陡,如何保证进入第1级工作计片时气流较均匀,是较难的。

图10、中压压气机2~6级用卡环锁紧叶片

2~6级工作叶片锁紧改成整圈的卡环(如图10所示),即苏式发动机中常用的方法,但在罗·罗公司次采用这种结构。

1所列为中压压气机中主要零件的材料。

表1中压压气机主要零件材料

6 高压压气机

6级高压压气机(如图11所示)是由遄达900衍生的,所有叶片均用全三元流技术设计,轮盘与机匣热匹配较好以得到较小的叶尖间隙。罗·罗公司强调它与 GEnx不同,未采用整体叶盘。

2~6级轮盘采用了环形燕尾形槽,叶片装在环形燕屋槽中。第1级轮盘上用轴向燕尾槽,叶片用环形卡环锁紧(与中压压气机类似)。由于遄达1000是三转子结构,因此在高压压气机中无可调静叶。

与 GEnx一样,压气机中采用了双层机匣的结构,且对应工作叶片叶尖的机匣作成整环,以保证工作中,各级叶片叶尖有较均匀的间隙。

图11、遄达1000高压压气机

后3级轮盘及后锥轴采用了用于高压涡轮轮盘的 RR1000新型高温合金,这种材料是在遄达系列发动机中第1次应用。第1级工作叶片,在遄达系列其他型号中均用 Ti685,在遄达1000中换用了Ti679,以提高抗外物打击能力。

图12所示为罗·罗公司从 RB211系列发动机到遄达系列发动机中,高压压气机多变效率变化情况,图中可见,遄达1000高压压气机的多变效率与 RB211 22B相比,提高了近10%。

图12、罗·罗公司三转子发动机中高压压气机多变效率变化情况

与B787所用的另一型发动机 GEnx一样,高压压气机没有向飞机座舱提供高压空气。

7 燃烧室(如图13所示)

遄达1000采用了罗·罗公司的5阶段燃烧室(RB211 524/535中为第2阶段燃烧室)。

火焰筒采用了可拆换瓦片(沿圆周18块)的浮壁式设计,整个火焰筒沿轴向分为5段,如图14所示。火焰筒采用的材料:基体C263,瓦片C1023,连接瓦片与基体的螺栓Inco718。

图13、遄达1000燃烧室

图14、遄达1000火焰筒

遄达1000采用了先缓扩后突扩的双级扩压器,高压压气机出口导向叶片与缓扩扩压器铸成一体。燃烧室机匣采用Waspaloy锻制成一体,再经机械加工而成,一改传统设计中的由板料焊接而成的作法,这种设计己在一些最新发展的发动机中采用,遄达900是遄达系列发动机第一次采用锻件的。

Hannifin公司提供,燃油导管用Inco625制成。与罗·罗公司以前火焰筒相比,第5阶段燃烧室(遄达1000)中,主燃区容积增加了24%,以改善重新点火能力,总容积减少了30%,以控制排放。

遄达1000能满足国际民航组织ICAO航空环境保护委员会 CAEP(
CommitteeonAvia-tionEnvironmentalProtection)颁布的最新标准CAEP4(用于2003后的发动机),如图15所示为装有遄达1000发动机的三型B787四种排放物低于CAEP4的百分数。

图15、遄达1000燃烧排放值满足最新排放标准

8 高压涡轮

高压涡轮(见图16)为单级,工作叶片采用了罗·罗公司贯用的带冠设计,叶冠上不仅作有封严用的箆齿,而且作有两个形成收敛形通道的凸带,以便将冷却叶片后的部分(低压)空气,从叶冠上流出后在此收敛形通道中膨胀,回收部分能量。

采取这些措施能提高涡轮的效率,特别是高压涡轮叶片短,带冠的效果会更好些。但是,由于高压涡轮工作叶片不仅承受很大的离心力,而且温度高,采用带冠的设计,会带来许多问题,因此在其他公司生产的发动机,基本上不带叶冠。

工作叶片与导向叶片均采用了遄达系列发动机中通用的CMSX4单晶材料,都用全三元流技术设计而成,导向叶片采用复合倾斜的设计,这也是罗·罗公司的传统设计。工作叶片共66片比遄达800的(92片)少26片。

机匣外围有用于主动间隙控制的冷却空气异形导管。涡轮盘采用 了罗·罗公司发展的新一代镍基高温超级合金 RR1000,此合金是专为轮盘用的粉末材料。轮盘与其后的后短轴是用惯性摩擦焊连接的。表2所列为遄达1000高压涡轮中采用的材料。

图16、高压涡轮

遄达1000的高压涡轮与中压涡轮的转向相反,图17所示为同向转动与反向转动叶栅的比较,从图可见,反向转动中,中压涡轮导向叶片数少,可降低整台发动机零件数及重量,而且由于燃气在叶柵流动过程中,转弯较少,因而效率也高,这已在遄达900中得到验证。在遄达系列发动机中,遄达900是第一型采用反转的发动机,在它前的几型发动机中均采用同向转动的设计。

表2、遄达系列发动机中高压涡轮所用的材料与涂层

图17、高压涡轮与中压涡轮同向转动与反向转动比较

9 中压涡轮(如图18所示)

单级中压涡轮的工作叶片为带冠与空心冷却的结构,CMSX4单晶材料铸成,采用全三元流设计,叶片数(114片)比遄达800(126片)的少 12片。

MarM002精铸的导向叶片作成空心的,以便通过轴承座(高压涡轮后轴承与中压涡轮轴承)的承力构件。围绕机匣装有主动间隙控制的异形导管。

表3所列为遄达系列发动机中压涡轮零、组件的材料与涂层材料。

图18、中压涡轮

表3、遄达系列发动机中压涡轮零、组件所采用的材料与涂层

10 低压涡轮

低压涡轮为6级,如图19所示。由于涵道比在遄达系列发动机中最高(11.0),因此低压涡轮级数是遄达系列发动机中最多的(700、800与900分别为4、5与5级)。

工作叶片采用了大展弦比、高升力与实心的设计,并带冠,带冠的主要作用是解决叶片的振动问题。在气动设计中还采取了减少端壁损失的措施。

镍合金加工的整环机匣外围绕着冷却用的导管,用以主动间隙控制。涡轮后轴承机匣采用锻件机械加工而成。

为了保证工作中有较均匀的叶尖间隙,机匣作成整环的,为此,轮盘与轮盘间通过作在轮盘上的鼓环用短螺栓连接,形成沿轴向分成6段的可分解的转子。第5级轮盘带有向前的锥形辐板,在中心处向后形成低压涡轮后轴,辐板通过圆孤端齿连轴器与低压涡轮轴连接,这一结构是遄达系列发动机常用的设计。

图19、低压涡轮

11 中压转子驱动附件传动机匣

在双转子与三转子发动机中,附件传动机匣由高压转子驱动,已是不容置疑的准则,但是在遄达1000中,却违背了这一准则,附件传动机匣却由中压转子驱动。

这是因为 B787是一种“准全电”飞机,飞机用电量大,要求每台发动机驱动2套台每套250kW变频交流发电机,在遄达1000中,如由高压转子驱动发电机,会使高压压气机负载加大,喘振裕度大减,在工作中极易出现喘振。附件传动机匣如由中压转子驱动,则将减轻高压压气机的负载,会增大高压压气机喘振裕度。

图20所示为两种情况下的喘振裕度。由改善高压压气机的工作,遄达1000采用了由中压转子驱动附件传动机匣的设计。

图20、附件由中压或高压转子驱动对高压压气机喘振裕度的影响

B767采用的交流发电机,在发动机启动时是当作启动机来用的,即它是一种“启动 发电机”,采用中压转子驱动附件传动机匣,发动机启动时,由启动机驱动中压转子,发动机很难启动甚至不能启动,为此,在遄达1000的附件传动装置中,启动 发电机通过一套带自动离合器(超越离合器)的双轴传动装置,与中压转子及高压转子连接(如图21所示)。

从图可以看出,中压转子功率轴1与启动 发电机相连接,启动发动机时,通过离合器3使中压转子功率轴1与高压转子传动齿轮5合闸,两者形成一体,驱动从动齿轮6,从动齿轮6是装在驱动高压转子的传动轴上的,从而使启动 发电机驱动高压转子。

当发动机启动后,高压转子转速很快上升,当达到慢车转速,离合器自动脱闸,启动 发电机与高压转子分离,此时,中压转子驱动套在固定齿轮6的红色传动轴内的黄色传动轴,此轴下端装有主动齿轮3,由于齿轮3是与固定在中压传动轴1上的从动齿轮2啮合的,因而驱动启动 发电机,使其作为发电机发电。

遄达1000采用中压转子驱动附件传动机匣的措施,不仅能提高高压压气机喘振裕度,中压压气机的喘振裕度也得到改善,另外,在航程大于9200km时可至少节省燃油6%,发动机还易于启动。

图21、带超越离合器的启动 发电机与中、高压转子传动的传动装置

12 噪 声

遄达1000采用了下述措施:高的涵道比,使排气速度降低;降低的风扇叶尖切线的速度;风扇叶片与出口导向叶片间距很大,出口导向叶片倾斜安置,使风扇噪声降低;外涵道内壁面上装有吸声效果好的声学衬垫;内外涵道出口处均采用了加强热气流与大气掺混的锯齿型喷管(如图22所示)等,使发动机噪声低,满足最新规范要求。

图22、内外涵道出口处的锯齿型喷管

13 结束语

遄达1000于2004年10月完成初步设计,2005年春完成详细设计,2005年11月第一件组件交货,2006年2月14日首台发动机进行台架试车,2007年6月18日,发动机装到罗·罗公司的B747飞行试验台开始了飞行试验,2007年8月7日取得欧洲航空安全局 EASA与美国联邦航空局FAA的适航证。原计划2008年投入使用,由于飞机研制计划延误,直到2011年10月26日,装有遄达1000的B787才在日本全日空航空公司投入使用。

在遄达1000研制过程中,有9台发动机进行地面试验,10台发动机进行空台试验与装在B787飞机上试飞。

从2004年10月完成初步设计,到2007年8月取得适航证,耗时不足三年,其研制进度是较快的。遄达1000能在很短时间内研制成功,主要是由于它是在已投入使用的遄达系列发动机基础上衍生发展的。

例如,它的中、高压压气机、燃烧室及涡轮均是从遄达900按比例缩小而成的;另外,采用该公司最新发展并经验证过的一些先进技术,以及多台发动机的广泛试验等。这种不断总结研制与使用经验,以及开展广泛的先进技术的预研工作,并将这些经过验证的技术用于新机的研制中的作法,很值得我们借鉴。