AE100提供的三种发动机总体布局设计比较 |陈光谈航发85-搜狐

陈光/文

20世纪90年代,我国开展了AE100支线客机的研制工作,当时普惠公司、CFMI公司和罗·罗宝马公司分提出了PW6000,CFM56 9和BR715等三型发动机参与为 AE100提供动力的竞争。

图1、图2和图3分别示出这三型发动机简图。本文从结构设计中的几个主要问题对这三型发动机做了分析比铰,为当时选用发动机提供参考。

图1、PW6000发动机结构图

1 总体布局

三型发动机在总体布局即转子支承方案上,在前3个支点(风扇后滚珠轴承①、滚棒轴承②和高压压气机前滚珠轴承③)完全采用了同样的支承方案,3个支点均支承于中介机匣上,但是在4号(高压涡轮处滚棒轴承)与5号(低压涡轮滚棒轴承)支点的布局即支承方式却采用了两种不同的设计。

CFM56-9和 PW6000是将高压涡轮转子通过中介轴承(4号支点)支承于低压转子上,低压涡轮转子后轴通过5号支点支承于后轴承机匣中,参见图1和图2。

在PW6000中,两个转子的转向相反,而CFM569中,两个转子同向转动。这种支承方案是GE公司在军用发动机中惯用的设计,从 F101开始,到它的衍生型 F110和 F404均采用这种设计。

图2、CFM56 9发动机结构图

CFM56由于核心机采用了 F101的技术,因此,也沿用了这一设计。法国 SNECMA与 GE 公司联合研制了CFM56,掌握了这套技术,因而在它的军用发动机 M88 中以及后来提出的民用发动机 CFM88中,均采用了这一方案。在这种布局中、发动机的承力机匣和滑油油腔均可少一个,使发动机零件数目减少,发动机长度缩短,带来的好处较多。

但是刚性较好的高压转子支承于刚性相对而言稍差的低压转子上,对转子动力学、中介轴承的润滑封严等会带来些问题,特别是低压转子工作好坏会直接影响高压转子的工作。因此要求在三支点低压转子中采用刚性联轴节,这就要求三支点同心度要求高。

另外,中介轴承工作时,由于外环是支承于高压转子上,会使游隙加大,易出现滑蹭现象,这就需要研制时,经过试验分析,确定其最恰当的装配游隙。GE公司由于长期在多型发动机上采用这一方案,对此,它们已有丰富的设计、使用经验,因此不会带来什么问题。

但是普惠公司多年以来一直将4号支点置于高压涡轮与高压压气机间的涡轮轴上。轴承外环支承于固定于燃烧室的内机匣上,通过燃烧室头部的带叶栅的扩压器将负荷传至燃烧室外机匣上。

该公司的军用发动机F100、民用发动机JT9D、PW2037、PW4000以及它参与研制的 V2500均采用这种方案。这种方案使发动机的承力机匣、油腔各多1个,显然,零件数目要多(仅多1个油腔而言,就需两套石密封件以及供、回油管)。另外,高压涡轮是悬臂支承的,对转子动力学不利,叶尖间隙也要相应大些,对性能起到坏的作用;轴承的 DN值也要大些。

但是,这种方案中,两个转子分别支承,互不影响,较前者为好。

图3、BR715发动机结构图

PW6000一反普惠公司的传统设计,改用了GE 公司的设计,显然,是为了减少发动机零件数,简化结构而采取的措施。这样的大改,势必在研制初期,会带来一些问题,正像普惠公司指责罗·罗公司在波音777发动机采用 ACC(主动间隙控制)技术时说的那样,“ACC对我们(普惠)是成熟的设计,而你罗·罗公司则是头一遭,没有任何经验,会遇到许多问题”,估计PW6000会在总体方案中遇到一些问题。

BR710对4,5 号支点布局的处理,采用了另外一种设计,即罗·罗公司的传统设计。在这种设计中,高压涡轮后的4号轴承,低压涡轮2级盘前短轴上装的5号轴承均装在位于低压涡轮1级导向器的承力框架的支座上。这种布局用在 RB21l各系列(22B、535E4和524),遄达800,BR199,EJ200等多型发动机上,它最大的特点是避免了普惠公司的承力机匣、油腔多,高压涡轮悬臂支承与 GE公司两转子会相互影响的缺点。

但是,由于承力框架的承力构件要由导向叶片芯部穿过,导向器叶片要做作弦长大,厚度大(以 535E4为例,低压涡轮1导的弦长约为高压涡轮导向叶片弦长的3.2倍),使发动机长度较长,涡轮气动损失略有上升。