空客A340發動機 羅羅遄達500設計特點解析：陳光談航發171

1 A340 500/ 600四發客機

空中客車公司於1997年初決定在四發客機 A340 300的基礎上,發展兩型載客量加多、航程加大的 A340 500/ 600民用客機。由於載客量與航程均加大,所以機身、翼展及起飛總重均有較大的增加,參見表1。

據該公司對市場作的預測,到2020年,這種新型的四發客機約需750架,所需的發動機約3500台。

表1、A340-300、-500、-600系列客機主要數據

用於這兩型飛機的發動機推力級要低於用于波音777、A330發動機的推力。一般四發客機中發動機總推力約為飛機起飛總重的25%左右,如按28%計,則單台發動機推力約需250kN;

加上這種新型飛機對發動機在經濟性與使用性上有些特殊的要求,目前無現成的發動機可供選用。

為此,羅·羅公司決定在遄達系列發動機的基礎上,為 A340 500/ 600客機衍生髮展一種高涵道比(大於8.0)、高總壓比(約46)、推力為250kN級的發動機,即遄達500發動機。空中客車公司已選定遄達500為 A340 500/ 600客機的唯一發動機。

2 遄達500發動機的發展思路

羅·羅公司從20世紀60年代後期發展三轉子高涵道比渦扇發動機起,一直沿著三轉子發展的道路,採用衍生改進的辦法,由其第1個型號 RB21122B(1972年4月裝在 L1011三發客機上投入營運)開始,分兩支即推力縮小與推力增大方向發展,前者有 RB211 535、535C和535E4;後者則有:524、524B、524C、524D和524G/H。

推力增大型中最後型號於1989~1990年投入營運的 RB211524G/H,推力已是22B型的1.44倍,而耗油率卻降低了10%。

進入20世紀90年代,為滿足大型雙發客機 A330、波音777的要求,羅·羅公司又在 RB211524G/H 的基礎上,加大風扇直徑,發展了遄達700、800系列發動機,隨後又衍生髮展了用於 A380的遄達900系列。

在衍生髮展遄達500時,為了達到降低耗油率的目標,選用了高的涵道比與總壓比,為此,採用了遄達700的風扇,中、高壓壓氣機、渦輪與燃燒室則由遄達800按比例縮小而成。表2示出了遄達發動機各系列的主要參數。

表2、各系列遄達發動機的主要參數

3 遄達500發動機總述

遄達500發動機由單級大直徑風扇、8級中壓壓氣機、6級高壓壓氣機、具有瓦塊式火焰筒的環形燃燒室、單級高壓渦輪、單級中壓渦輪和5級低壓渦輪等組成,如圖1所示。

用於A340 500的推力為236kN(53000lbf),稱為遄達553;用於 A340 600的推力為250kN(56000lbf),稱為遄達556,兩者結構完全一樣,零組件及附件具有100%的通用性。

在不同的飛機上使用時(即採用不同推力時),僅需在燃油控制器上更換數據輸入插頭。

圖1、遄達500發動機結構圖

發動機設計成最大起飛推力可達到276kN,以滿足飛機日後發展之需。另外,設計中還留有較大的溫度裕度;對於遄達553,熱天起飛時,渦輪燃氣溫度有90℃裕度;對於遄達556,有70℃的裕度,這對提高發動機可靠性、耐久性及降低維修費用都帶來好處。

遄達500所用的附件絕大部分與裝在遄達700、800的相同,例如,裝在風扇機匣上的附件共有23件,其中僅有5件是新的,有5件是與遄達700通用,13件與遄達700、800通用。裝在核心機上的14件附件中,5件是新的,7件與遄達700通用,2件與遄達700、800通用。

顯然,這將減少發動機研製的經費、周期、風險並可提高發動機可靠性。

遄達500中,由於將涵道比由波音747用的發動機 RB211 524G/H的4.3提高到8.5

左右,總壓比由33提高到44,使耗油率可降低6.5%,後面將論及的渦輪載荷減輕,所有葉片均採用三維氣動設計,這兩項又使耗油率各降低1.5%、1.0%,所以它耗油率比 RB211524G/H 的低8%。

4 遄達500發動機部件特點

4.1 風扇系統

單級風扇由5級低壓渦輪驅動,26片鈦合金寬弦風扇葉片採用了遄達800風扇葉片的結構,即帶芯部肋條的空心葉片,每片葉片是通過超塑性成形、擴散連接而製成的。

這種結構的葉片不僅重量輕,而且抗外物打傷能力較強、抗振動性能也好。

遄達500風扇直徑同於遄達700的,即2.476m,但葉片的氣動設計卻是按遄達800的風扇葉片按比例縮小且根據遄達500的循環要求進行剪裁而成,因而提高了效率。

羅·羅公司以往的一些發動機如 RB211 535E4、遄達700和遄達800中,風扇的包容環做成在鋁合金制、帶槽道的薄環上,纏繞近百層 Kevlar織成的條帶。

但是在遄達800系列中的推力最大型號遄達8104中,改用了用 Armeco合金鋼製的、帶加強肋條的厚機匣;寶馬—羅·羅公司研製的BR715中也採用了這種結構。遄達500的包容環採用了遄達8104的設計。遄達500進氣流量為880kg/s。

4.2 壓縮系統

遄達500的壓縮系統包括兩個獨立的短壓氣機:由單級中壓渦輪驅動的中壓壓氣機及由單級高壓渦輪驅動的高壓壓氣機。

中壓壓氣機有8級,前3排靜子葉片做成可調節的。中壓、高壓壓氣機的機匣沿用了 RB211、遄達系列的傳統設計,即做成雙層的,內層機匣作為氣流通道的殼體,不參與發動機的承力與傳力系統;外層機匣作為承力構件。

這種雙層機匣可在工作中保持壓氣機葉尖間隙沿圓周始終是均勻的,使性能衰退慢。所有的輪盤均由IMI834鈦合金製成,使中壓、高壓壓氣機轉子均為「全鈦轉子」(高壓壓氣機後幾級工作葉片仍由耐高溫的鎳基合金做),全鈦轉子可以降低發動機的重量。遄達700也採用了這種結構。

中壓、高壓壓氣機均是由遄達800系列中推力為409kN(89000lbf)的遄達892按80%的比例縮小而成,但在各級葉片中,均按三維黏性流進行葉型設計的,以提高兩個壓氣機的效率。

壓氣機採用遄達800系列的縮小結構,主要是為了減少核心機的流量,以適應減小推力滿足遄達500所需而採取的措施。

4.3 燃燒室

遄達500的燃燒室為具有20個氣動噴嘴、2個點火電嘴的環形燃燒室,火焰筒採用了帶「瓦片」的結構,即浮壁式火焰筒,這種結構的火焰筒在羅·羅公司以往的發動機中從未採用過,但早已用在 V2500、PW4084等發動機中。

它是在整環的火焰筒內壁(與燃氣接觸的壁面)上,鉚接上一片一片像瓦片的襯塊,襯塊與火焰筒內壁之間留有一定的縫隙,燃燒室的二股空氣從火焰筒上的小孔流入此縫隙中,對襯塊與火焰筒進行冷卻,冷卻效率高,對組織燃燒有利,使 NOx排污量非常低,能滿足目前及將來的環保要求。

在使用中,如有襯塊被燒壞,還可在外場對單個的襯塊進行更換。

4.4 高壓、中壓渦輪

遄達500的高壓、中壓渦輪均為單級,也是由遄達892按比例縮小而成的,但與壓氣機不同,它是維持葉尖直徑不變,將葉片的環形通道按90%縮小而成,也即葉高縮小得較多,平均葉高處距軸心的距離較大;

加上高壓、中壓轉子轉速均比遄達700/800的高,因此遄達500的高壓、中壓渦輪的氣動負荷小,渦輪效率較高。

高壓渦輪導向器葉片、工作葉片及中壓渦輪導向器葉片均由第三代單晶材料 MSX 4鑄成。

高壓、中壓渦輪葉片均帶冠,這對維持發動機性能、減緩性能衰退有好處。由於高壓渦輪工作葉片高度小,帶冠會比在中壓、低壓渦輪中獲得的效果好。

但在當前的大型發動機中,由於帶冠後對葉根強度帶來問題,因而普惠及 GE公司的發動機高壓渦輪工作葉片均不帶冠,而羅·羅的發動機均帶冠。

高壓渦輪輪盤前加裝了一個「蓋板盤」,以防止高溫對輪盤前端面的加熱,同時可將冷卻渦輪工作葉片的冷卻空氣較好的導入。

這種蓋板盤在各型 RB211、遄達發動機中,均未採用過,遄達500是羅·羅公司在大型發動機中第1種採用者;普惠公司的 PW4084,GE公司的CFM56、GE90上採用了這一結構。

遄達500高壓渦輪設有葉尖間隙控制系統。

4.5 低壓渦輪

遄達500低壓渦輪有5級,全部靜子、轉子葉片均按三元流設計的。也是由遄達892按環形面積縮小而成,採用了高壓、中壓渦輪的同樣縮形方法,因而其效率也較高。

4.6 附件機匣

遄達500的附件機匣由鋁合金鑄成,裝於風扇機匣上,設計成易於維護。附件通過帶安裝邊的端蓋裝在附件機匣上,傳動附件的齒輪及相應的軸承、封嚴環通過傳動軸也裝在端蓋上,在外場可以比較容易地單個更換齒輪、軸承等。

5 研製計劃

羅·羅公司於1997年1月提出遄達500的衍生髮展計劃,6月空中客車公司選中遄達

500作為 A340 500/ 600客機的唯一動力;1999年5月第1台遄達500上台架試車,2000年12月取得適航證,2001年1月A340 600首飛,2001年7月A340 500首飛;2002年8月A340 600投入營運;2003年5月A340 500投入營運。

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