高、低壓渦輪和支承與封嚴 三型發動機設計特點解析

陳光/文

3.4 高壓渦輪

3.4.1 帶冠葉片

遄達800的高壓渦輪葉片採用了羅·羅公司的傳統設計,即帶冠葉片,如圖8所示。普惠、GE公司的軍民用發動機還沒有採用過這種結構,遄達的葉冠上不僅作有葉尖封嚴用的篦齒,還沿軸向作有回收冷卻空氣能量的肋條。

肋條做成渦輪葉形,2個葉冠的肋條組成一收斂通道,冷卻葉片後的冷卻空氣由葉冠上的小孔流到該通道經轉變、膨脹加速向尾緣流出,與此同時,產生一推動葉片轉動的推動力,回收了冷卻空氣的一部分能量;

另外,引入葉片的冷卻空氣有高、低壓兩股,高壓空氣是與其他發動機類似,即通過預旋導流葉片將燃燒室內二股空氣引入。而低壓空氣則是前股氣流經轉子、靜子間封嚴篦齒環由內向外的漏出氣體。

這兩項均是為了充分利用冷卻空氣能量的措施。另外,在葉冠上還鑽有多排角度不同的孔道,用以通過冷卻空氣對葉冠進行冷卻,參見圖8右上小圖。這種結構在以往的發動機中還未見到過。

圖8、遄達800的帶冠高壓渦輪葉片

3.4.2 封嚴鼓環加盤

PW4000系列發動機中,兩級高壓渦輪盤間夾有一帶篦齒的鼓環,起到級間封嚴作用,如圖9所示,但是在PW4084上,渦輪轉子結構基本同於PW4000,但卻在封嚴環內做了一個很薄的大圓盤(見圖10),用以加強鼓環,提高發動機的結構完整性與耐久性,這種帶盤的封嚴環已在一些新型發動機中採用,例如 GE90的兩級高壓渦輪盤間,也採用了類似的帶盤的封嚴環。

圖9、PW4000兩級高壓渦輪盤間的封嚴環

圖10、PW4084渦輪盤間的帶盤的封嚴環

3.5 低壓渦輪

3.5.1 正交葉片

遄達800低壓渦輪氣流通道做成向內、外擴散的喇叭形,因而在各截面處的氣流不是平行流動的,上半部是向外傾的,下半部則是向內傾的,為了提高氣動效率,葉片的葉身採用了「正交」設計,即各截面處的葉身基本與氣流方向是直角,其結果葉片沿高度方向不是直線的,而是呈彎曲狀,如圖11所示,除低壓渦輪外,遄達的中壓壓氣機也採用正交設計。

3.5.2 大直徑低壓渦輪

如前所述,GE90風扇採用了低壓比、低切線速度設計,因而,低壓轉子轉速較低(2300r/min),為了使每級低壓渦輪作功量較大,減少級數,GE90將低壓渦輪直徑選用得較大,這樣,在較小直徑的高壓渦輪與大直徑低壓渦輪間的通道做得非常陡,如圖12所示,這是在其他發動機中很少採用過的。

圖11、遄達800低壓渦輪正交葉片

圖12、GE90低壓渦輪結構圖

3.6 支承與封嚴

3.6.1 刷式封嚴

PW4084最初設計時並未採用刷式封嚴(簡稱刷封),但在1992年後,開始在高壓壓氣機與高壓渦輪間採用。

目前,在該區域共採用了四套刷式封嚴件,包括高壓壓氣機、高壓渦輪葉片根部處各一套,此兩處溫度高,切線速度大,說明刷式封嚴已能在較高的工作溫度與高的切線速度下長期工作。

由於刷式封嚴有較好的封嚴效果,能較顯著地提高發動機性能,因此普惠公司在1996年內把刷式封嚴裝置換裝到現有的PW4000系列發動機中(相同位置處),以提高它們的性能,如圖13所示。

GE90則在低壓渦輪後處採用了四套刷式封嚴件。

圖13 PW4084高溫部件中採用四套刷式封嚴裝置

3.6.2 滾珠、滾棒軸承並用

GE90在高壓壓氣機前軸處採用了滾珠、滾棒軸承並列作為1個支點的結構設計,如圖14所示,這種設計最初用於 CF680C2發動機中,後來在 CFM565中也採用了,但是普惠、羅·羅兩公司的大多數發動機中尚未採用這種結構。

採用滾珠、滾棒並列最大的好處是將該支點處的軸向負荷由滾珠軸承承受,徑向負荷則由滾棒軸承承受,這樣與用一個滾珠軸承作為1個支點相比,軸承負荷可以減小較多,軸承壽命可以延長,另外,還能使轉子與機匣保持較好的同心度,使葉尖有較均勻的葉尖間隙,可改善壓氣機工作性能。

GE90高壓壓氣機前支點處的滾棒軸承做得較特殊(見圖14),它的外環直接與鼠籠式彈性支座的套筒作為一體,這種結構已逐漸在現代發動機中採用,並由軸承廠家提供。

圖14、採用滾珠、滾棒軸承並列形式的GE90高壓壓氣機前支點

另外,由圖13還可見到裝在高壓壓氣機前軸上的主動錐齒(附件傳動機構)的齒圈背上的減振環,這是用以抑制主動錐齒振動的有效措施,是首台採用這種結構的外國發動機。

3.6.3 擠壓油膜、彈性支座

GE公司在民用發動機CF6、CFM56系列中,原來沒有採用擠壓油膜、彈性支座,只是在1987年以後,才在CFM563型中低壓渦輪後軸承處改型成帶擠壓油膜。以後在 CFM56-5型沿用了此一改型,但在 GE90中,開始在多處採用彈性支座與擠壓油膜。

該發動機共有5個支點6個軸承(3號支點處採用了滾珠、滾棒軸承並用結構,見圖13),除1、2號軸承(風扇後滾珠軸承、風扇軸後端的滾棒軸承)外,其餘4個軸承中,高壓轉子前支點(3號)的滾珠、滾棒軸承均採用了彈性支座,且滾棒軸承處還帶有擠壓油膜;4號支點(高壓渦輪後支點,滾棒軸承)採用了擠壓油膜;5號支點(低壓渦輪後)採用了帶擠壓油模的彈性支座。

PW4084發動機除繼承了PW4000中的3號支點(高壓轉子前)採用帶擠壓油股的彈性支座與5號支點(低壓渦輪後)採用擠壓油膜外,還在1號支點(風扇輪盤後)處採用了彈性支座。

由此可以看出,在高轉速轉子中採用擠壓油膜,彈性支座已是一個發展趨勢。

3.6.4 特大直徑的滾珠軸承

PW4084風扇盤後的滾珠軸承採用了特大直徑的滾珠,每個滾珠的直徑為57.15mm(2(1/4)in),GE90風扇直徑比 PW4084大,但它的滾珠軸承滾珠直徑卻小於 PW4084的,為41.275mm(1 6/8in)。特大直徑的滾珠由於加工,材料熔煉均較難,因此,大大增加了它的成本。

3.6.5 施加軸向預載的軸承

遄達發動機的原型機RB211 524G/H以及該系列中的其他型號發動機,在使用中曾出現過低壓轉子止推軸承(為中介軸承)軸向負荷換向因而引起該軸承出現打滑引起的滑蹭損傷的事件。

在正常工作條件下低壓轉子的軸向負荷是向後的,但經常在某些飛行狀態下,該負荷變為向前。在由向後改變為向前的換向過程中,此滾珠軸承出現輕載—零載—輕載的變化,很易出現滑蹭損傷。

雖然,早期曾將此軸承的保持架定位方式由軸承外環處改為軸承內環上,部分地解決打滑問題。

後來,又在 524G/H上將卸荷腔的封嚴半徑加大,以消除作用於軸承的載荷變向問題,看來問題並未徹底解決。

圖15、遄達800對低壓轉子施加預載的預載彈簧及預載軸承

為此,在遄達發動機(包括 700、800系列)上,在低壓渦輪後軸滾棒軸承之後加裝了一個預載滾珠軸承,如圖15所示。該結構類似於斯貝 MK202低壓轉子滾珠軸承為防止打滑採用的預載軸承(參見「航空發動機的軸承滑蹭損傷與防止措施」),即固定於後軸的軸承內環僅後端有突環能承受向後的軸向載荷,而前端沒有突環,所以此軸承不能承受向前的軸向力;

軸承的外環前端面作用有一預載彈簧,始終對外環作用有向後的載荷,這樣使轉子始終受有向後的載荷,作用於轉子止推軸承的載荷不會變向,從而防止了軸承的打滑。

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