世界最成功商用發動機，CFM56-7的設計特點和維修環保

最新 03-30

片改用寬弦無凸肩實心鈦合金葉片而發展起來的。圖65示出 CFM56 7的主要特點,圖66示出CFM56-7與其他型號的異同處。歸納起來與原型CFM56相比,7型有下述幾方面特點:

(1)採用新的設計。寬弦風扇葉片、FADECⅡ等。

(2)維持不變處。基本的CFM56結構、低的性能衰退等。

(3)加強處。可靠性、耐久性、維修性和性能等。

(4)改進處。渦輪後燃氣溫度的裕度、外場可換組件的可達性與可靠性,在飛機上的使用壽命、渦輪材料等。

圖、CFM56-7的主要特點

圖、CFM56-7與其他CFM 56的異同處

為滿足下一代波音737性能的要求,CFM567設計的總目標是提高發動機性能與降低使用者的各種費用,也即要求發動機要求有較高的推力(與 3型相比),較低的耗油率,能增大飛機的航程,維修費用要降低15%,燃油耗量減小8%,減少更換髮動機的時間,改善各系統的可達性等。

表12列出了CFM567系列發動機6種型號的主要參數,為便於比較,表12中還列出了CFM563C 1的數據。

圖、各類型CFM56-7發動機的主要參數

從上圖可以看出,CFM56-7的風扇直徑較 CFM56-3大25.4mm,使它的涵道比由 -3C-1型的5.0增加到5.3~5.5(7B26為5.1),另外,總壓比由- 3C-1型的30.6增加-

到32.8,加上各部件進行一些改進,使部件效率均有提高，

因此,使發動機的耗油率降低,達到了降低耗油量8%的目標。

5.4 各部件設計特點

圖67示出CFM56-7的風扇單元體與 3型的風扇單元體的比較,圖68示出CFM56-7的核心機單元體與-3型的核心機單元體的比較。圖69示出CFM56-7的低壓渦輪單元體的特點。圖67~69中,均用文字指出CFM56-7與-3型的不同之處,除個別零部件外,在此不再闡述。

圖、CFM56-7 風扇設計特點

圖、CFM56-7核心機設計特點

圖、CFM56-7 低壓渦輪設計特點

核心機

CFM56-7核心機的零件與目前在 A319、A320、A321上使用的CFM56-5B的核心機所用的相同,也即兩者間可以互換。

5.4.2 風扇葉片CFM56-7是CFM56系列發動機中唯一採用寬弦風扇葉片的。由於此系列發動機是在90年代衍生髮展的,因而在風扇葉片設計中與其他系列相比(參考圖22,CFM56-3風扇葉片),有了較大改進,圖70示出風扇葉片與輪盤的結構圖。

從圖70可見,CFM56-7的風扇葉片有三處較大改進,即:葉片採用了寬弦無中間凸肩的設計,這是新一代發動機中廣泛採用的設計,它不僅性能好、效率高,而且從加工、強度方面看均有較大改進。

但由於弦長加大,葉片厚度相應加大,作用於輪盤上的離心負荷加大使輪盤承受不了,因此,在大多數採用寬弦風扇葉片的發動機例如 V2500、遄達、PW4084、F119和 GE90等中,均採用了減少葉片重量的措施,如葉片做成空心的、帶芯的空心或採用複合材料製造等。

原度),輪盤仍能承受實心寬弦風扇葉片的負荷,但卻能降低發動機生產成本,因此,7型的風扇葉片採用了實心寬弦無中間凸肩的設計。

由於高涵道比渦輪風扇發動機的風扇增壓比較高(約1.7),由軸向看,氣流在風扇葉片中收斂較大,即葉片底座傾斜較大,在- 3型中(見圖22),底座與葉身作為一體,不僅使加工困難,且增大了葉片重量。

在-7型中,葉身上不帶底座,即葉身從尖部到根部全部做成葉型剖面的,在兩片葉片間夾持一件稱為葉片平台的堵塊,組成氣流的通道,這種設計不僅給製造上帶來較多的方便,且使葉片重量減輕,已為新研製的發動機中廣泛採用。

由圖70上還可看到,CFM56-7風扇的榫根及輪盤上的榫槽不是做成直線的而呈弧形。通常風扇葉片榫根均做成直線形,以便在輪盤上用拉刀拉削出榫槽。

由於葉片截面形狀的輪廓線呈弧形,葉根平台為了將葉身下部截面全部包容,只得做成寬度較大的平行四邊形,這時,輪盤直徑只能做得較大,才能容納下所有葉片。如果將葉根平台做成與葉根截面形狀基本一致,即其輪廓線也呈弧形,平台的最大寬度處就較窄,如要裝同樣數目的葉片,輪盤直徑可以小些,也即降低了輪轂比,在同樣的空氣流量下,發動機進口直徑可以小,顯然能帶來較多的好處。

葉片根部平台做成弧形,同時考慮到葉片能方便地裝進輪盤,葉片的榫根只能做成圓弧形,顯然採用這種結構後,葉片的榫根與輪盤上的榫槽加工都較難。

圖71示出了 CFM567、3風扇輪盤榫槽形式的比較。弧形榫根榫槽的設計原來用於羅·羅公司的發動機例如RB211 535E4、遄達等發動機中,相信今後的高涵道比渦輪風扇發動機中將得到廣泛的應用。

圖、CFM56-7、-3風扇盤榫槽形狀的比較

5.4.2

5.4.2 壽命有限制的零件LLP

在CFM56-7上,壽命有限制的零件只規定循環數的限制值,而不給小時的極限值,幾種主要零件的限制值為:風扇輪盤、增壓壓氣機鼓筒30000循環,壓氣機轉子20000循環,高壓渦輪轉子20000循環,低壓渦輪及低壓軸25000循環。

5.4.4 材料

CFM56-7CFM56-3兩型發動機中各種葉片所用材料的比較,在-7型中,熱端部件中的葉片材料改用得較多,這主要是為了獲得較長的耐久性。

圖、CFM56-7、CFM56-3各種葉片的材料

維修性設計特點

為了使CFM56-7獲得較好的維修性,在研製階段,進行了計算機輔助裝配設計的研究,即利用CATIA程序(計算機輔助三維互動式應用軟體)對發動機外部管線及各種附件進行布局設計,並對各附件做出三維實體模型進行配裝,以保證各附件間以及與發動機機匣間,各導管間以及與機匣間有合適的間隙,最小的外場可換組件的拆卸包線,拆卸孔探儀座並安裝孔探儀時不需拆卸其他設備。

由於在CFM56-7設計中,採用了較高的燃氣溫度裕度(見圖72),採用了已被驗證過的部件使發動機將具有較高的可靠性,以及高壓渦輪轉子進口溫度採用了比 -3型低很多的溫度(見表12),因此可以達到降低維修費15%的設計目標。

圖72、幾型CFM56- 3、CFM56- 7的排氣溫度裕度

在CFM56 -7上改善了對低壓轉子進行微調平衡的工作,就是 7型上的減少維修時間,簡化維護工作的一個例子。

在CFM56-3上,可以在裝機(裝在飛機上)的條件下對低壓轉子進行微調平衡(動平衡),但需發動機開車2~4次,以獲取有關平衡的數據,經過計算分析後,可以確定不平衡量的大小與不平衡處的相位,這比以前需將發動機分解後,將轉子裝在動平衡機上進行平衡已有很大的進步(參見「CFM5-6發動機的本機平衡措施」)。

在-7型上,利用機載的維護計算機系統在飛行中收集各次飛行時發動機的振動值與不平衡的相位,在維護中,當需要微調平衡時,只要在主菜單中選用「轉子平衡」,顯示屏幕即可指示需安裝的配重大小與安裝位置,換裝配重後,不需開車進行複核。這樣,不僅可大大提高平衡精度,而且費時極少。這種技術首先用于波音777飛機上。

雜訊與排放污染

下一代波音737研製目的之一就是要滿足21世紀對雜訊、排放物的限制值。對於降低雜訊,CFMI與波音公司一道,在發動機短艙,發動機本體設計中,採取了一些措施(見圖73),使裝CFM56-7的波音737-600、-700、-800飛機在三種條件下的雜訊值均大大低於 FAR36部第3階段或國際民航組織附件1第3章的限制值。

圖74示出了在三種條件(起飛、側邊、進近)下的這三型飛機的雜訊值與規定值的比較。

對於排放污染物,CFM56-7現有的單環腔頭部的燃燒室已能滿足目前國際民航組織的要求,根據統計,CFM56發動機在典型的930km航程中,除下降及滑行中,排放中CO佔主導外,起飛、爬升、巡航時,排放污染物中主要是 NOX,因此,可以以 NOX的含量來表徵發動機排放污染物的水平。