10級高壓壓氣機 GE90發動機結構解析

3.2.2 風扇盤

由於風扇葉片長而寬,採用常規的輪盤就會因輪緣很寬而很重。因此,GE90風扇輪盤做成多盤的盤鼓混合式輪盤,即由3個帶鼓的薄盤焊接而成,如圖6所示。在 GE90的衍生型 GE90 115B中,由於風扇直徑加大、弦長加大,且做成後掠形,葉片葉根處寬度加大,為此其盤鼓混合式輪盤的薄盤增加了1個,成為4個帶鼓的薄盤焊接而成,如圖7所示。

圖6、GE90風扇的盤鼓混合式輪盤

風扇葉片仍採用燕尾型榫頭連接到輪盤上(在早期公布的設計中,風扇葉片是用銷釘連到輪盤上的)。

圖7、GE90-115B風扇的盤鼓混合式輪盤

3.2.3 增壓壓氣機

3級增壓壓氣機鼓式轉子連接到輪盤後緣處,3級工作葉片均裝在鼓中的環形燕尾槽中。第1級處的進口導流葉片做得很高,可將吸入的外物甩出,避免進入核心機。

3.2.4 風扇出口導向葉片

風扇出口導向葉片距風扇葉片較遠,以減小雜訊,這是現代高涵道比渦扇發動機通常採用的減噪措施之一;另外它也作為中介機匣的承力支板,即在中介機匣中心輪轂處,通過導向葉片與外環相連並傳遞負荷。

3.2.5 包容環

包容環仍然採用了CF680C2的結構,即在鋁製機匣上纏繞多層 Kevlar編織條帶。這種結構重量輕,而且包容能力強,已為許多發動機採用(參見「CF680C2風扇的包容試驗」)。

圖8、高壓壓氣機第1級工作葉片的比較

3.3 高壓壓氣機

3.3.1 氣動設計

GE90的高壓壓氣機也是令人矚目的部件之一,因為它的級數少(10級)且具有高的壓比(23),平均級壓比達到1.368,是當時民用發動機中最高者。1989年投入使用的 V2500發動機的高壓壓氣機也是10級,壓比為20,平均級壓比為1.348,低於 GE90的。

但 V2500在發展過程中曾出現過高壓壓氣機喘振問題,不得不修改設計,給人們帶來了高壓比的壓氣機工作不可靠的印象。GE公司在發展GE90時,注意到這個問題,因而採用E3發動機的研製成果,直接將E3的設計按流量放大1.73倍而成,其空氣流量比 E3的增大 69%。

表2、幾種GE公司發動機高壓壓氣機參數比較

GE90高壓壓氣機葉片採用了 E3的小展弦比葉片,比常規的要寬許多。圖8示出了 GE公司幾型民用發動機中高壓壓氣機第1級工作葉片的比較。表2比較。

GE公司於20世紀80年代開展的E3研製工作,其高壓壓氣機為10級,壓比為23,採用了小展弦比、高切線速度與較高的稠度等,使它的性能較穩定,效率高(約86%)。

經過150h部件試驗和109h的整台發動機試驗,證實了它的氣動性好,過渡狀態下不會喘振,設計轉速下的喘振裕度為19%,工作葉片與靜子葉片的振動應力也較低。GE90壓氣機直接採用 E3的設計,使其壓氣機也具有類似E3的性能。表3列出了 GE90與 GEE3的壓氣機有關參數。

表3、GE90與GE E 的壓氣機參數

除此之外,GE90壓氣機後幾級還採用了主動間隙控制技術,在巡航狀態下用熱空氣對後幾級輪盤進行加溫,以保持較小的葉尖間隙。同時,它還減小了級間靜子葉片內環與轉子鼓環間的空腔,以減少氣流迴流損失,使 GE90壓氣機工作特性優於E3。

由於採用了高壓比的高壓壓氣機,還給 GE90的設計帶來兩個好處:在保證發動機總壓比為40時,增壓壓氣機級數僅需3級;相比之下,PW4084總壓比為34.2,由於高壓壓氣機壓比低,增壓壓氣機須採用6級。

另外,為驅動高壓比的高壓壓氣機,高壓渦輪中的焓降大,使進入低壓渦輪的燃氣溫度低。因此,低壓渦輪中不須採用帶冷卻的工作靜子葉片,即使今後加大推力時,也不須採用冷卻措施,僅須改變葉片材料即可。

通過對13台發動機近3000h、8000循環的各種地面以及空中試車,GE90的高壓壓氣機工作一直較好,證實了 GE90的高壓壓氣機設計是成功的,可以消除人們的疑慮。

它的成功還在於壓氣機各級葉片均在GE公司氣動研究試驗中心的低速研究用壓氣機(LSRC)試驗器中,用放大的葉片在低速下(切線速度為96m/s)進行過試驗、分析和修正,從而取得較好的性能(參見「GE公司低轉速研究用壓氣機、渦輪試驗器」)。

3.3.2 壓氣機轉子

整個壓氣機轉子由4段組成,第1、7級盤為單獨的,鈦合金的2~6級盤鼓焊成一體,8~10級 Rene』88DT高溫合金粉末冶金盤焊為一體,然後在兩處用螺栓連成一件。

1~6級葉片裝在輪盤的縱向燕尾槽中,7~10級葉片裝在輪盤的環向燕尾槽中。空氣由8~9級盤間引入轉子,在加速及穩態工況時對轉子中心加熱,使轉子與機匣間易於熱匹配,加大喘振裕度,提高燃油效率,且可減小在加速過程中瞬時渦輪進口溫度的超溫。7~10級輪盤採用 Rene』88DT高溫合金是因為增壓比高使出口處空氣溫度較高的原因。

圖9、GE90發動機的燃燒室

3.4 燃燒室

GE90的燃燒室,如圖9所示,也是採用了E3的設計,與其他發動機相比有兩大特點,即雙環腔頭部與鑄造的多孔火焰筒。

3.4.1 雙環腔頭部

火焰筒頭部做成雙環腔,主要是為了減少發動機的有害物質排放量。內、外環腔中各裝有 30個噴油嘴,發動機低工況下,即由啟動到空中慢車時,僅由外環腔供油。

這時由於油氣比高,氣流速度低,燃油在燃燒室中滯留時間長,燃燒完全,不僅可減少 CO、HC的排放量,而且啟動性能好,空中也有較好的再次點火能力,熄火邊界大等。

發動機在大工況即高於空中慢車狀態時,內、外環腔同時供油。由於內環腔設計成最適於在大工況、高環腔速度下工作,這時頭部的油氣比低,速度較高,滯留時間短,可降低 NOx與發煙量的排放量,並使出口處沿徑向的溫度分布較均勻。以 CF6 80C2為動力載客210名的波音767300雙發客機,巡航時 NOx的排放量為0.91g每英里·乘客;而以 GE90為動力,載客287名的波音777僅為0.6g每英里·乘客,即GE90的 NOx排放量減少了34%,未燃燒的碳氫化合物與一氧化碳減少70%。

由於雙環腔燃燒室 NOx排放量低,因此,CFM565B上也改用了這種設計,與

原型單環腔燃燒室相比,NOx排放量降低了45%。改型已取得FAA與DGAC的適航證,並於1995年初裝於瑞士航空公司的 A321上投入使用。

3.4.2 鑄造多孔火焰筒

GE90的火焰筒是用GTD222鑄造而成的。這是當代第1種採用鑄造火焰筒的發動機。GTD222是 GE公司燃氣輪分部為MS7000燃機第1級渦輪導向葉片發展的材料,具有較好的焊接性與成型性。

火焰筒沒有採用常用的氣膜冷卻環的結構;而是用激光鑽出的不同角度多個斜孔,二股空氣通過這些斜孔流入火焰筒內部時,對火焰筒起到非常有效的冷卻(類似發散冷卻),冷卻效率高達90%(一般氣膜冷卻的冷卻效率約為70%),使用於冷卻火焰筒的空氣量減少40%,也能使燃燒室出口溫度較均勻,減小燃燒室長度。GE90在與其推力相當的發動機中,燃燒室是最短的。

GE90的多孔火焰筒已在GE公司的先進軍用發動機(F120)中採用。在對2台 GE90發動機分別進行1100和2328循環耐久性試驗後,火焰筒情況良好,在近10年的使用過程中,也未出現嚴重故障,表明了這種燃燒室設計的先進性。

3.5 高壓渦輪

3.5.1 材料

高壓渦輪也採用了 GE公司的E3發動機的設計。渦輪葉片用N5單晶鎳基合金鑄成,輪盤採用具有損傷容限能力的粉末冶金 Rene』88DT高溫合金。高壓渦輪設計留有較大的溫度裕度,GE90 B3為127℃,GE90 B1I為89℃。

3.5.2 冷卻系統

高壓渦輪的冷卻系統設計得較有特色。將溫度、壓力較高的空氣由8、9級壓氣機間經轉子中心通到高壓渦輪的兩級輪盤間,對兩級輪盤加溫,使輪盤與靜子間有較好的熱匹配性能。

然後,這股空氣再進入第2級工作葉片對葉片進行冷卻。這套系統可以提高冷卻空氣的冷卻效率。據稱,GE90高壓渦輪工作葉片的金屬溫度比 CF6 80C2的低。以往GE公司的發動機的高壓渦輪盤常常採用多螺栓孔的結構;而 GE90的輪盤不開孔,以提高強度,並減小螺栓頭及螺帽引起的風阻損失。

3.6 低壓渦輪

為了獲得高效率,6級低壓渦輪設計採用了較高的切線速度;但由於風扇葉尖切線速度較低,轉速較低,因而低壓渦輪直徑較大。低壓渦輪比高壓渦輪大出許多,如圖10所示,氣流通道在高壓渦輪出口有一較大的坡度,這在其他發動機上是很少見的。渦輪外徑採用了CF680C2的34°斜度設計。

圖10、GE90 高、低壓渦輪

3.7 噪 聲

GE90的雜訊比較低,能滿足FAR36部第三階段雜訊要求。GE90/波音777能在夜間進入嚴格控制雜訊的機場,例如英國倫敦的希思羅機場。表4列出 GE90在雜訊方面的某些特點。

表4、GE90與改型發動機在噪音設計方面的比較

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