波音777的動力之源普惠PW4000發動機設計特點

陳光/文

雙轉子、高涵道比渦扇發動機PW4000,是美國普惠公司在JT9D- 7R4和 PW2037渦扇發動機的基礎上發展的一種全新發動機。PW4000發動機上採用了許多先進的技術。為了便於替換JT9D-7R4發動機,PW4000的外廓尺寸與JT9D -7R4一樣,發動機上兩個安裝平面間的距離也做成一樣。

轉子支承與支點結構

PW4000發動機沿用了JT9D-7R4發動機上轉子的支承方式,但在低壓轉子上1號軸承後增加了一個滾棒軸承,即1 1/2號軸承(見圖1),據稱是為了在起飛大負荷狀態下將風扇葉尖的彎曲度降到最小。

圖1、 JT9D-7R4和PW4000支承方案的比較

JT9D發動機的兩個轉子成功地採用了四支點支承方式,在高涵道比渦扇發動機中支點數是最少的,從而有利於簡化結構,提高了工作可靠性;但低壓轉子兩個支點(即1號、4號)間的距離太長,約3m,長逾3m 的低壓渦輪軸加工十分困難。

增加112軸承不僅縮小低壓轉子支點間的距離,有利於防止長逾3m的低壓渦輪軸變形,而且也縮小了低壓渦輪軸的長度。

為了減小發動機外傳振動,高壓轉子前支點(2號支點)的滾珠軸承採用了彈性支座與擠壓油膜。

彈性支座做成折返桿式結構(見圖2)以縮短髮動機長度;擠壓油膜則採用了JT9D發動機中的形式,即油膜兩端用漲圈封嚴(另一些發動機上的擠壓油膜兩端不封嚴),它除了減小外傳振動外,還起到彈性支座限制撓度過大的作用。

圖2、折返桿式彈性支座與擠壓油膜

低壓渦輪後軸承外環處也採用了擠壓油膜。PW4000的轉子支承方式與支點結構設計能改善發動機性能,特別是能減緩發動機性能衰減,延長壽命,因而在 V2500發動機上全部採用了這種設計。

低壓轉子的滾珠軸承設在風扇盤之後成為1號軸承。風扇盤上的後軸(見圖3)未直接與低壓渦輪軸相連,而是通過中介軸與低壓渦輪軸相連的,中介軸與風扇後軸、低壓渦輪軸均用套齒聯軸器相連。

1號軸承內環未裝在直徑較小的中介軸上,而是套裝在風扇後軸位於聯軸器的後端,風扇軸在此處並不傳遞扭矩,也不傳遞軸向力。這種將軸承不裝在傳遞大扭矩、大軸向負荷的軸上的做法,是一種提高低壓渦輪軸安全性的設計。

將滾珠軸承設在風扇盤之後是除 RB211系列發動機外高涵道比渦扇發動機中普遍採用的方案,它能在低壓軸一旦折斷時將風扇保持在發動機內。

圖3、 PW4000風扇、增壓壓氣機支承結構

風扇與低壓壓氣機、高壓壓氣機和防喘系統

PW4000發動機的單級風扇盤上固定著4級低壓壓氣機(即增壓壓氣機),這是目前高涵道比渦扇發動機的常規設計。風扇葉片仍然保留有一個減振凸台,雖然對凸台的設計做了許多改進,但與無凸台的葉片相比,在性能、強度和加工性等方面仍略為遜色。葉片前緣由原先常規的尖頭改成橢圓,提高其抗外物撞擊能力。

做成弧線形的低壓壓氣機氣流通道,在末級動葉後有放氣環(見圖3)。隨氣流吸入的塵埃在離心力作用下從氣流中分離出來並從放氣環中甩出,使進入核心機的空氣較為純潔。這不僅可以減少對各級葉片前緣的磨蝕,也能防止塵埃堵塞渦輪葉片的冷卻小孔。

風扇和高壓壓氣機之間的中介機匣是主承力機匣,也是最複雜的構件。它的中心部分是由合金鋼鑄成的帶9個承力支板的同心三層圓環。外涵道中的9個承力支板單獨鑄成後焊在中心部分外環上。這種用鑄、焊結合製造複雜構件的辦法,也是新一代發動機中為減少零件數常採用的措施。

由於增壓壓氣機轉速低、直徑小,4級工作葉片裝在整體的鼓環中形成鼓式轉子,在裝第4級葉片的鼓環內有一個小輪盤,以增加鼓環開口處的剛性。由於氣流在增壓壓氣機中是呈弧線流動的,為提高部件效率,工作葉片不像在—般壓氣機中徑向地裝在鼓環上,而是與氣流方向呈正交地安裝在鼓環上,也即葉片斜著裝在鼓環上(見圖3)。這種「正交葉片」在高涵道比渦扇發動機的增壓壓氣機中廣泛被採用。增壓壓氣機葉片採用了可控擴散葉型。

高壓壓氣機

11級高壓壓氣機的增壓比約為11.0,平均級增壓比為1.234,比V2500發動機的1.349要小得多。葉片與低壓壓氣機的一樣,採用了可控擴散葉型。這不僅減少了損失,提高了效率,而且還可減少葉片數。此外,由於前緣厚度增加,抗塵砂磨蝕的能力也提高了。

高壓轉子為焊接結構。後3級鎳基合金盤與後軸焊成一體,第2~8級鈦合金盤焊成一體,第1級盤和前軸(均為鈦合金)做成單件,然後在第1~2級和第8~9級盤間分別用短螺栓連接以組成整體轉子(見圖4)。在PW2037發動機上,前軸與第1級盤是做成一體的。據介紹,第1級盤與前軸是做成一體還是做成單件,取決於轉子直徑大小、級數多少和重量因素。

圖4 、PW4000高壓壓氣機THERMATIC轉子

第5~11級動葉採用環形燕尾槽固定方式(JT9D-7R4上仍採用軸向燕尾槽固定方式)。這種固定方式容易加工、便於外場維護和單獨更換,因而在 V2500等發動機上採用了。

前8級工作葉片用鈦合金製成,後3級採用鎳基合金,靜葉則全部採用鎳基合金。為了避免鈦合金動葉與鈦合金壓氣機機匣碰擦引起鈦著火,在JT9D-7R4上,與鈦工作葉片的葉尖對應的機匣內壁上嵌有橡膠帶,而在 PW4000上則改為鑲嵌鋼襯套,而且襯套內表面上覆以易磨塗層。

PW4000發動機上採用了叫做 THERMATIC的高壓轉子系統(見圖4)。第5級後的空氣先流入集氣環 A腔中,通過可控制的閥門流入幾片空心的第5級靜葉中,再由第5和6級輪盤間的導氣環進入轉子內腔進行加溫,然後向後流入高、低壓渦輪間,對第2級高壓渦輪盤的後端面和第1,2級低壓渦輪盤進行冷卻。

在低空、大工況(即起飛、爬升)下工作時,第5級空氣進入轉子內腔對轉子冷卻以避免葉尖與機匣相碰,同時還對低壓渦輪等處進行冷卻;

當高度超過5000m,N2達到80%~90%(即進入巡航狀態)時,閥門關閉,無冷卻空氣進入,轉子受熱膨脹,縮小了葉尖間隙和封嚴環間間隙,此時冷卻渦輪的空氣量減少,發動機的效率得到提高。

這種設計不僅能主動地控制葉尖間隙,而且還能控制渦輪的冷卻空氣量。其他發動機尚未採用過這種設計。

第4級以後的機匣做成雙層。外層機匣與燃燒室機匣相連,是承受負荷的構件;內層機匣作為氣流通道的包容環並固定靜葉。

這種布局在高涵道比渦扇發動機上也是常見的。前4級採用可調靜葉,機匣外部要求裝調節裝置,加上本身直徑相對較大,所以第4級以前的機匣按單層設計。

防喘系統

PW4000雖是雙轉子發動機,但由於總增壓比高達29.7,在啟動、過渡和小功率狀態下易進入喘振。為此,在低壓壓氣機出口和高壓第5級處分別裝有序號為2.5及2.9的放氣活門。

另外,高壓壓氣機進口靜葉及第1~4級靜葉是可調的。2.5放氣活門是由液壓控制、前後移動的圓環操縱的。圓環向前移動時,放氣環打開,低壓壓氣機後的一部分空氣排入外涵道。

它是根據油門桿位置、N1、N2、進口溫度、Ma和飛行高度等參數由電子式發動機調節器(EEC)控制:啟動時,活門打開,當 N2接近70%時開始關小,達到80%N2時關閉;加速、減速時,活門打開;反推裝置工作時,活門部分開啟;當喘振余度降低到一定值時,活門全部打開。

氣壓操縱的2.9放氣活門有兩個,一個用於啟動(右),另一個用於啟動及穩定,均系活塞式結構,由EEC按 N2的摺合轉速控制。

啟動時,兩個活門打開;當轉速達到慢車 N2值時,活門關閉;當高度超過5000m,發動機減速時,左側活門打開180s以防喘振;如在180s內重新加速或未加速而達到180s時,活門關閉;如喘振余度降低到一定值時,左側活門打開。

可調靜葉也是按感受的 N1、N2及進口溫度由 EEC通過高壓燃油作動筒進行操縱,以改善發動機啟動性能並防止壓氣機進入喘振。

啟動時,葉片處於關閉的最小位置,轉速達到42%N2時,葉片開始打開,其後葉片隨N2及氣流量的增加而逐漸增大開度。如 EEC探測到喘振余度降低到一定值時,則葉片又轉到關閉位置。

高涵道比渦扇發動機,雖然採用了許多防喘措施,但在工作中仍不時出現喘振。例如PW4000在國內航線上使用中,曾在一段時間內,頻繁出現喘振現象,影響飛機的正常飛行。經過普惠公司與使用單位的艱苦排故工作,排除了喘振故障。

圖、單路式氣動噴嘴

燃燒室、高壓和低壓渦輪

PW4000發動機的全環形燃燒室有24個單路式氣動噴嘴(見圖5)。以前常用的雙路式離心噴嘴頭部嚴重積炭是各型JT9D發動機經常出現的故障,為此,普惠公司發展了這種單路式氣動噴嘴。

據稱,這種噴嘴已在波音757的PW2037渦扇發動機上累計使用了85萬小時,單台發動機的最長使用時間已超過8000h,而且未發現積炭。

帶24個葉片的葉柵式擴壓器與燃燒室外機匣、內機匣前段系用鎳基合金製作並鑄成一體,從而大大減少了零件數。

火焰筒的氣膜冷卻空氣進口做成折返式的(見圖6),使筒壁上開孔處與基體處的溫差縮小,降低了開孔處的熱應力。另外,火焰筒內壁面覆有鎂鋁耐高溫塗層。

圖6、火焰筒折返式冷卻空氣進氣口結構

高壓渦輪

PW4000發動機的渦輪進氣溫度高達1275~1345℃,因此兩級高壓渦輪均設計成氣冷式(見圖7)。第1級靜、動葉的冷卻空氣引自高壓壓氣機末級,採用頭部噴淋式冷卻;

第2級的冷卻空氣引自第8級後,採用衝擊式冷卻,其中靜葉的冷卻空氣量是可調節的,巡航時,冷卻空氣量只有大工況時的50%,從而可提高巡航效率。

兩級靜葉按三元流設計成沿徑向呈彎曲狀以減小端壁損失,葉片表面均有耐高溫塗層。第1級動葉是用PWA1480單晶材料鑄造的,葉尖處經過耐磨處理,對應的外環上等離子噴覆一層可磨的分層陶瓷以減小葉尖間隙。第2級動葉是用PWA1422定向凝固材料鑄造的。

3.2.3 低壓渦輪

4級低壓渦輪均不冷卻,但第1,2級靜葉覆有耐高溫塗層。所有靜葉都設計成沿徑向呈彎曲狀。圖8示出了彎曲形葉片與直形葉片(JT9D 7R4中採用)的比較。由圖8可見,採用彎曲形的導向葉片,端壁損失較小,因而可提高效率。這也是20世紀80年代中研製的發動機常採用的一種結構。

各級輪盤間用短螺栓連接。渦輪後承力機匣的內、外環用可控擴散葉型的葉片連接,葉片數比常規的承力支板數多一倍,起到半級渦輪的作用。

圖、PW4000低壓渦輪彎曲形靜葉與真靜葉的比較

主動間隙控制

高、低壓渦輪上都採用了主動間隙控制技術,即按不同的工況,改變吹向機匣外壁的冷卻空氣量。對於高壓渦輪,當轉速為80%~90%N2、高度超過1500m時,供氣以減小葉尖間隙。對於低壓渦輪,巡航時,供氣閥全開以減小葉尖間隙;起飛時部分打開,停車及小工況時,僅供給少量冷卻空氣以冷卻機匣。

燃、滑油系統

燃油調節器

PW4000是民用發動機中繼PW2037之後採用全功能數字式燃油調節器(FADEC)的第二種發動機。FADEC可以比較精確地控制推力,擴大發動機穩定工作範圍,並能限制超溫、超速,還具有自診斷能力,可降低耗油率約1.5%和維修費用;但其研製費和成本較高。

滑油系統

PW4000採用了傳統的滑油系統設計,是新一代發動機中唯一在回油總管中不設細油濾的發動機。

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