硬核航空 遄達XWB發動機中、高壓氣機和風扇設計特點解析

在傳統的RB211/遄達發動機中，中壓渦輪一直採用單級設計，但在遄達XWB中，中壓渦輪改成了雙級，這是因為發動機的總壓比高達52.0，中壓渦輪採用雙級後，可降低渦輪級負荷，以提高效率。但在遄達1000中，總壓比還稍高於遄達XWB的，為52.1，其中壓渦輪仍採用了單級。

高壓渦輪工作葉片不帶冠

在羅羅公司研製的發動機中，包括斯貝、RB199以及傳統的RB211/遄達等發動機，高壓渦輪工作葉片無一例外帶冠，而在普惠與GE公司的發動機中，高壓渦輪工作葉片均不帶冠。

圖5、遄達XWB風扇盤後攺用滾珠軸承

由提高渦輪效率看，由於高壓渦輪工作葉片短，帯冠後減少葉尖相對漏氣損失的作用更為顯著，從而可提高效率。但高壓渦輪工作葉片處在高轉速、高燃氣溫度的工作條件下，帶冠後對葉片榫根的強度帶來較大問題，羅羅發動機的高壓渦輪工作葉片做成帶冠的，說明它的渦輪工作葉片的材料較好。

但是，在遄達XWB推力最大的型號即遄達XWB-97中，高壓渦輪工作葉片沒有採用帶冠結構，這是由於為了增大推力，提高了渦輪前燃氣溫度，此時如再帯冠葉片榫根的強度承受不了。遄達XWB的另二型號即 -75與 -84中，高壓渦輪工作葉片仍然帶冠。

鳳扇（圖6）直徑在遄達系列發動機中最大，為2.997m，比GEnx還大0.178m，僅比GE90的小，空氣流量約為1440 kg/s。風扇採用了小的輪轂比（約0.25），在空氣流量一定時，可降低風扇直徑，加大涵道比，減輕重量。但輪盤直徑較小，為了能安裝所需的葉片數，葉片榫根採用了圓弧形。

圖6、遄達XWB風扇

風扇葉片葉尖採用小的切線速度，以降低雜訊。葉片後掠，稱為彎刀形葉片（圖7），採用最新的三維氣動方法設計，以提高效率。Ti6/4合金風扇葉片結構採用了羅羅公司的第3代設計，即DB/SPF(擴散連接/超塑性成形)作成的帶中間桁條的空心葉片。

風扇葉片後緣與分流環前緣間留有較大的間距，以便將隨流入發動機氣流的細小砂石、雨水等甩向外涵道。斜置的出口導向葉片與風扇葉片間留有很大的間距，以降低雜訊，這是先進發動機中經常採用的設計。斜置的出口導向葉片還起到風扇與中壓壓氣機間中介機匣的傳力構件。

風扇包容機匣採用了遄達900與遄達1000上的結構，即做成由Ti6/4鍛制的帶加強環的環形機匣。羅羅公司稱，這種設計不僅具有足夠的包容能力，而且重量還輕。風扇後機匣由複合材料做成，這是遄達系列發動機第一次在風扇後機匣上採用複合材料。

圖7、風扇葉片前視圖

風扇輪盤作成與遄達1000的輪盤一樣，即相當為帶3個輪盤的混合式轉子

風扇後的分流環前緣通有熱空氣進行防冰，如圖8所示，對分流環前緣加溫後的熱空氣由前緣縫隙中流出，並隨內涵氣流流入中壓壓氣機中。對分流環進行防冰的設計，在其它發動機包括遄達系列前幾種型號中均未採用過。

圖8 分流環用熱空氣防冰

中、高壓壓氣機

與遄達1000一樣，遄達XWB中壓壓氣機為8級，高壓壓氣機為6級，參見圖9。中壓壓氣機中前4排靜子葉片做成可調節的（遄達1000中為前3排）。

中壓壓氣機和高壓壓氣機的主要特徵為採用新近發展的子午流道抬高（『risingline』）氣動設計技術，以改善速度分布，並在設計中採用全三維分析手段。

在中、高壓壓氣機轉子中，笫1次採用了整體葉盤結構。2005年前後，羅.羅來華宣傳用於B787的遄達1000時，針對GEnx（用於B787的另一型發動機）高壓壓氣機中採用了三級整體葉盤結構，特彆強調在遄達1000中沒有採用整體葉盤結構，似乎整體葉盤不適用於民用大涵道比渦扇發動機，但事隔幾年後，在遄達XWB中，中、高壓壓氣機中不僅採用了整體葉盤，而且還用較多篇幅宣傳採用整體葉盤給發動機帶來的眾所周知的各種好處。顯然，今後整體葉盤將在民用大涵道比渦扇發動機中廣泛採用。

圖9 遄達XWB中、高壓壓氣機

由於遄達XWB總壓比高達52，高壓壓氣機（圖10）輪盤均由鎳基合金做成，前三級為整體葉盤結構，且焊成一整件，後2級與後軸焊為一體，在單體的第4級盤處用短螺栓將整個轉子連接成一件。後三級的工作葉片用環形燕尾榫頭與輪盤連接。與遄達1000一樣，壓氣機中採用了雙層機匣的結構，且對應工作葉片葉尖的機匣作成整環，以保證工作中，各級葉片葉尖有較均勻的間隙。

遄達XWB沿用了遄達900與遄達1000的高、中壓壓氣機轉子反轉設計。

圖10 高壓壓氣機前三級為鎳基合金整體葉盤且焊成一體

2.4 燃燒室

遄達XWB燃燒室採用了遄達系列發動機所用的羅.羅笫5階段燃燒室設計，火焰筒採用了可拆換瓦片的浮壁式結構，如圖11所示。瓦片採用了強製冷卻的設計，可減少冷卻空氣量，有較合適的出口溫度場，提高了效率並減少 NOx 排放。

雖然羅.羅公司在幾個技術驗證技術計劃如ANTLE, EFE, ALEXSYS等中採用貧油燃燒室，這種貧油燃燒室雖然具有改善NOx排放的特點，但結構較複雜，維護費用高，以及對耗油率與CO2略有影響，因此，在遄達XWB中仍然採用了遄達系列發動機中採用的笫5階段燃燒室，即富油燃燒室設計。

羅.羅的第5階段燃燒室實際上是串聯燃燒的分級燃燒室，圖10中示出了燃燒室中的燃燒情況，即前面是富油燃燒級（R），中間為快速猝熄級（Q），後面為貧油燃燒級（L）。燃油與空氣沒有預先混合，燃油由氣動霧化噴咀噴出後，全部燃油和部分空氣進行富油燃燒，通過降低燃燒溫度來減少富油燃燒區的NOx，然後富油燃氣快速與二股氣流混合形成快速猝熄，然後在燃燒室後段進行貧油燃燒。在這種燃燒室中，形成了兩個明顯的燃燒區：富油燃燒區以及混合和降溫貧油燃燒區。

圖11 遄達XWB燃燒室

遄達XWB採用了先緩擴後突擴的雙級擴壓器，高壓壓氣機出口導向葉片與緩擴擴壓器鋳成一體。燃燒室機匣採用Waspaloy鍛製成一體，再經機械加工而成，一改傳統設計中的由板料焊接而成的作法，這種設計己在一些最新發展的發動機中採用。

遄達XWB燃燒室能使燃油充分燃燒，排污低，發動機的耗油率低，據羅.羅的分析，遄達XWB-84 的耗油率比GE90-115B低10%。

遄達系列的燃燒室具有巡航效率高以及高空再點火好的能力，排污低且重量輕、成本低。

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