大涵道比雙轉子和三轉子布局的設計對比分析

雙向旋轉布局和三個轉向布局是螺旋發動機的常見配置方法。這兩種布局可以實現相同的總體性能參數。然而，由于內部的設計思想不同，一些部件的設計體現了技術的優越性。通過兩種布局形式的對比,不僅可以更好的了解兩者的技術特點,更重要的是從技術特點中總結出解決技術難題的不同思路。目前,在世界航空發動機領域內,美國的通用電氣公司(GE)和普惠公司(PW)、英國的羅羅公司(RR)以及烏克蘭的進步設計局在這兩種布局方式上都進行了深入的研究與實踐,并取得了很高的技術水平,形成了許多成熟產品并取得了很大的市場成功。在國內,雖然我國渦扇發動機的設計研究起步較晚,但是隨著發動機產品研制工作的不斷開展,國內對于雙轉子布局的研究已經比較深入;而對于三轉子布局的研究多集中于對國外新產品、新技術介紹,但是對其設計思路和技術特點的研究并不深入,更缺乏設計實踐。本文旨在通過對采用兩種布局方案的成熟產品進行對比,從核心氣流流路與承力機匣兩個角度分析兩種布局方案的具體設計特點,以期為這方面的方案設計提供一些參考。1競爭性發動機大推力量級民用航空發動機的市場競爭激烈,許多飛機產品都有上述世界3大航空發動機生產商所研制的貨架產品,以供航空公司根據自己的使用傳統、后續維護便利性以及成本等因素進行選裝。這些為同一款飛機而設計的競爭性發動機產品,由于其推力、耗油率、安裝結構基本一致,比較適合做不同結構布局的對比分析,其中比較典型的有波音777飛機所采用的“Trent800”、“GE90”和“PW4084”,以及波音787所采用的“Trent1000”和“GEnx”發動機。本文選擇能夠代表目前不同布局最先進技術的“Trent1000”和“GEnx”進行對比分析,兩款發動機的基本參數見表1。2設計要點及轉子轉速為了對兩款發動機的承力結構布局有一個直觀的對比,將兩發動機的總體結構圖沿其旋轉軸線各去掉一半后,采用相同比例上下拼合在一起形成結構對比圖,如圖1所示。根據參考文獻中一型三轉子發動機方案的設計研究結果(該發動機方案與Trent1000參數及尺寸基本一致)估計Trent1000的設計點風扇轉速約為3000r/m、中壓轉速約為7800r/m、高壓轉速約為12000r/m。由于在一定的氣動設計水平和材料下,為了保證風扇的高效率和低噪聲,風扇的葉尖線速度有一定的范圍,為了保證高壓壓氣機的壓縮能力和渦輪部件離心應力水平(AN2值),高壓轉子的最大葉尖的線速度也在一定的限制范圍內;參考對于Trent1000轉子轉速的估計以及GEnx和Trent1000的轉子部件尺寸,估計GEnx的風扇轉速約為3000r/m、高壓轉速約為10000r/m。盡管這種估計的精度有限,但對于兩種布局結構設計的理解也有重要的參考作用。2.1壓氣機的流路設計兩發動機的核心流路對比簡圖如圖2所示,對比分析兩流路主要有以下特點:(1)雙轉子的增壓級流路顯著高于三轉子的中壓壓氣機流路。為提高燃油經濟性,大涵道比渦扇發動機的發展趨勢是盡可能地提高內涵氣流的壓力比和溫度比以實現更高的熱效率;同時擁有更高的剩余能量來驅動更大尺寸的低壓轉子,以實現更高的涵道比以獲得更高的推進效率。對于雙轉子布局而言,由于增壓級與低壓轉子一起旋轉其轉速很低,因此抬高增壓級的流路半徑可以獲得更高的線速度,有助于提升做功能力。但是從對比結果看,盡管GEnx的增壓級流路半徑已經被抬高至與低壓渦輪相近,但其平均線速度也只有Trent1000的65%,其壓縮能力仍較為有限。(2)雙轉子高/低壓轉接流路彎曲得更厲害。由于增壓級流路較高與高壓壓氣機進口形成了較大的落差,為了實現流路的連接并且保證氣流不發生分離,在此處采用一個較長較大的轉接流路;同樣的高、低壓渦輪之間也存在同樣的問題。三轉子布局由于中壓轉子轉速比低壓轉子轉速高很多,因此其流路半徑較低,再加上中壓壓氣采用了近似等內徑的流路,最末兩級又進一步降低流路半徑,所以其風扇后和高壓前兩處轉接流路過渡更緩和。盡管三轉子布局多一個中壓渦輪,葉片機之間的過渡流路較雙轉子布局多一個,但是其過渡流路總軸向長度與雙轉子的過渡流路軸向長度基本一致,這樣更大的落差就使雙轉子的流路顯得彎曲的更劇烈。(3)高壓壓氣機1級動葉輪轂比很低。GEnx發動機的高壓壓氣機采用了近似等外徑的設計,可以在強度允許的范圍內使每級葉片的線速度均較高以獲得高的壓縮能力;同時盡管增壓級的流路半徑較大,但是受限于低壓轉子的轉速其增壓能力仍有限,因此高壓壓氣機進口空氣的體積流量依然很大,所以高壓1級的輪轂比就顯著低于三轉子發動機的中壓壓氣機1級和高壓壓氣機的1級。這樣的流路設計給結構設計留出的空間十分狹小,這不僅對于1級轉子的結構強度設計提出了較高的要求,而且也給高壓前軸頸、軸承和密封等結構的設計帶來了較高的難度。(4)兩低壓系統的流路設計十分接近。無論是雙轉子還是三轉子,其低壓系統的流路設計都采用了單級大風扇和多級大直徑的低壓渦輪,整個流路呈啞鈴形,這使得低壓渦輪重量和體積增加,通常占到發動機的20%以上。原因是這兩種布局都沒有克服風扇和低壓渦輪對于最適宜轉速的矛盾;風扇設計需要低轉速以實現高效率、大流量、低噪聲,而低壓渦輪設計希望高轉速以獲得較少的級數、緊湊的結構和更高的效率。這個矛盾唯有通過取消這兩個部件轉速相等的限制來實現,齒輪傳動風扇是方式之一。2.2entxwb常見系統由于多了一個轉子,Trent1000在轉子支承上采用了4個承力機匣,除了渦輪后機匣之外,其余3個機匣與雙轉子的GEnx發動機相比都有獨特之處。(1)風扇機匣:與帶增壓級的雙轉子發動機相比,三轉子發動機的風扇機匣緊貼在風扇轉子之后,為了拉開風扇轉/靜子的軸向間隙以降低噪聲,最近10年新設計的Trent系列發動機都采用了向后傾斜的風扇出口葉柵。這樣的結構特點也使得在飛/發之間采用風扇機匣作為主安裝點時可以方便的將風扇轉子的載荷經過風扇機匣直接傳遞給機翼掛架,此結構設計在Trent1000之后RR公司研制的TrentXWB中得到了應用(TrentXWB將風扇后的軸承改為大直徑的球軸承)。(2)中介機匣:Trent1000的中介機匣位于中壓和高壓壓氣機之間,如圖3所示。除了TrentXWB之外其余型號的中介機匣內部都集中了3個轉子的止推軸承,同時又涉及到3個轉子之間的滑油供油、空氣系統和機械功率輸出等功能。GEnx的中介機匣的結構與CFM56等發動機的中介機匣基本一致而且由于流路設計上高壓壓氣機前S彎流路較長,給結構設計提供了較充裕的空間。無論從設計空間還是從功能需求看三轉子發動機的中介機匣都較雙轉子的更難設計,但是三轉子布局也使一些獨特的設計成為可能。Trent1000為了應對波音787客機采用全電功率提取之后的顯著增加的機械功率提取需求(達到單臺發動機提取功率500kW一級),采用了可變機械功率提取位置的設計,即在起動階段由起動機通過機械系統直接帶動高壓轉子,在巡航狀態下改由中壓轉子負責機械功率輸出。這種方案不僅可以使巡航狀態下高壓轉子的負荷可以保持在高效率區間內,還可以降低在地面滑行狀態下發動機的油耗。(3)高/中壓渦輪間承力框架:Trent1000的渦輪間承力框架布置于高/中壓渦輪之間,如圖4所示,與GEnx發動機布置在高/低壓渦輪之間的承力框架相比,其溫度負荷和環境壓力都要高很多,因此其空氣系統封嚴以及熱防護設計難度更大。不僅如此,由于Trent1000的高/中壓渦輪間承力機匣的流道內支板集成了中壓渦輪導向葉片功能,所以其設計難度比GEnx更大。從以上分析可以看出,三轉子的Trent1000不僅比雙轉子布局的GEnx多出了一個承力機匣,而且其中介機匣和高中壓渦輪間承力框架的設計難度要更高;但是通過從1970年開始的RB211系列發動機和Trent系列發動機的不斷積累,這種設計也可以做到十分成熟可靠。2.3轉子支點的位置轉子數目的不同帶來的最直接的差異就是轉子支撐結構設計,兩發動機的轉子支撐結構對比簡圖見圖5。(1)雙轉子的低壓渦輪軸支點跨距較大。通過圖5中的各個轉子支點的大致跨距可以看出,Trent的三個轉子的轉子支點布置的比較均勻,尤其是細長的中壓渦輪軸和低壓渦輪軸兩側的支點跨距均比GEnx的相同位置值小,即使是考慮到渦輪軸直徑的因素,也還是雙轉子的低壓渦輪軸的長徑比更大。這在渦輪軸的加工方面和在機動載荷作用下低壓渦輪軸的變形控制方面都帶來了難度。為了應對后一種因素,可以采用將低壓渦輪的后支點布置在低壓渦輪軸與低壓渦輪轉子組合件的重心附近,從而降低機動載荷產生的彎矩,從圖2中可以看出GEnx的5號軸承位置的選定應該有這樣的考慮。(2)三轉子的高壓轉子十分緊湊。從圖5中不難看出,三轉子的高壓轉子支點跨距很小,整個轉子級數較少,十分緊湊,重量輕轉動慣量和氣動負荷小。對于轉速最高的高壓轉子而言,簡單緊湊的轉子不僅對于其轉子動力學設計有好處,對于防止由機動飛行載荷帶來的或由推力造成的核心機機匣彎曲變形造成的高壓壓氣機葉尖碰磨也有益處,對于發動機的起動也有一定優勢。3轉子優化設計通過歸納上述對比分析的結果可以看出三轉子布局相對于雙轉子布局具有以下幾方面的特點:(1)通過引入轉速介于低壓和高壓之間的中壓轉子,緩解了增壓級增壓能力與低壓轉子轉速之間的矛盾;這使得在壓縮部件方面三轉子的中/