硬核航發寶馬-羅羅BR715航空發動機整體葉盤應用簡介和GE試驗風扇介紹

最新 04-02

在民用大型發動機中,20世紀90年代也開始採用整體葉盤結構。寶馬羅·羅公司於1994年啟動的、為波音717客機研製的BR715高涵道比渦扇發動機(如圖17所示)中,在如圖18所示的風扇後兩級增壓壓氣機,全部採用整體葉盤結構,且兩級焊接在一起形成整體轉子。

它的整體葉盤是在5坐標數控銑床上加工的。由於BR715發動機是第一種採用整體葉盤的發動機,有的航空公司對它的可靠性與維修性尚有懷疑,因此它還有第二個備選方案,即增壓壓氣機的轉子採用常規的帶榫根的結構,到底採用整體葉盤與否,由用戶即航空公司決定。BR715發動機還曾是我國 AE100飛機的候選發動機之一。

圖、BR715發動機結構簡圖

1995年,GE公司著手將用於 F-16 與F-15 戰鬥機的 F110-GE 129 發動機進行改進,以延長發動機的壽命,提高熱端部件的檢查間隔時間等。改進的發動機命名為F110 GE129R。在F110 GE 129R 中,主要的改進是採用了一套新的風扇,如圖15 所示。

新風扇仍保持3級,且進口直徑維持原來在一129型中的尺寸;以便改進型的發動機能換裝在原飛機上,但3級風扇葉片均換用了寬弦葉片,弦長比原型機長50%;另外,所有3級的轉子均採用了整體葉盤。

圖15、F110 GE 129R發動機的風扇轉子

由於新的風扇採用了寬弦與整體葉盤設計,使風扇部件效率提高,在維持發動機推力不變的條件下,渦輪前燃氣溫度可降低,使熱端部件的檢查間隔時間由4000TAC循環(戰術空軍循環TacticalAirCombatCycles或總積累循環)提高到6000TAC循環,每飛行小時的使用成本可節約$250.0,發動機在壽命期內的計劃返修可少3次;如保持渦輪前燃氣溫度, 則推力可增加5.8%。

由於3級風扇採用了整體葉盤,使轉子的零件數只是F110GE 129型的/ ;由於採用寬弦葉片,使葉片前緣得到加強,13提高了葉片抗外來物擊傷的能力;新的風扇葉片在設計中,採用了三維氣體動力學計算技術,提高了風扇的喘振裕度。

該項改進工作得到美國空軍的支持,改進後的試驗工作始於1995年11月,到1996年3月已試驗了120h,美國空軍和GE 公司已為改進的研製工作投資二千萬美元,改進的發動機於1998年投入批生產。

F110-GE-129R的風扇實際上是在GE公司為B-2轟炸機研製的F118-GE -100發動機風扇的基礎上發展的,這主要指葉型設計方面是按 F118 的,至於 F118的風扇轉子是否採用整體葉盤,還沒有查出。

Fl00-PW -229A發動機

在 GE 公司對Fl10 GE 129 的風扇進行改進的同時,普惠公司也對其用於 F 15 與 F 16戰鬥機的F100 PW 229發動機的風扇做了類似的改進,即將3 級風扇的葉片改為寬弦設計,轉子採用整體葉盤,但不同的是僅後兩級採用整體葉盤,第1 級仍用常規的帶榫根的設計。改進後的發動機命名為F100 PW 229A。新的風扇部件效率增大,葉片的強度加大,

除提高了葉片的抗外來物擊傷能力外,在維持原F100 PW 229型推力不變的前提下,渦輪前燃氣溫度可降低49℃,熱端部件的檢查間隔周期也由4000TAC 循環提高到6000TAC 循環,如維持渦輪前燃氣溫度不變,則發動機推力可提高10%。改進的風扇試驗工作始於1995年夏,到1996年3月已試驗了280h,換裝新風扇的發動機已試車110h,改型的發動機於1999年定型並投產。

圖16、GESFAR試驗風扇的第1級風扇轉子

GE公司的試驗風扇

GE 公司在1996年中,又進行了一項新的風扇部件試驗,該新風扇具有高速、小展弦比與前掠葉片的特點。由結構設計看,它採用了整體葉盤結構。試驗的風扇由兩級組成,第1級採用了前掠結構,第2 級原採用了常規的設計,將要重新設計,以使帶掠葉片的優點能充分發揮出來。

高速、小展弦比與前掠葉片具有抗進氣畸變能力大(約大80%),喘振裕度大(約大幾個百分點),進氣流量大(約大10%)因而推力也會大,效率高等特點。此新的試驗風扇如圖16所示,已於1996年4~6月在美國俄亥俄州懷特巴特森美國空軍基地壓氣機試驗台上試驗,該兩級壓氣機試驗台稱為 GE 公司前掠氣動研究試驗台(GESFAR 試驗台),此項試驗工作得到美國空軍及海軍的資助,試驗的整體葉盤由高強度鈦合金製成,其葉尖直徑為508~635mm,空氣流量約為100kg/s。

Fl19 PW 100發動機

美國普惠公司為F 22戰鬥機研製的推重比為10.0的Fl19 PW 100發動機中,3級風扇與6級高壓壓氣機的轉子,全部採用了整體葉盤,是目前唯一的一種在風扇與壓氣機中全部採用整體葉盤結構的發動機。

第1級風扇葉片做成空心的,是用鈦合金採用擴散連接方法做成的,用線性摩擦焊將空心葉片焊到輪盤上形成整體葉盤,使該級轉子重量減少了32kg。

圖18 、BR715發動機增壓壓氣機結構圖

圖19、SNECMA公司的P.A.T.計劃的驗證核心機結構圖

SNECMA的P.A.T.計劃

法國國營航空發動機研究製造公司(SNECMA)於1991年開展了一項為發展新型民用發動機核心機的技術驗證計劃,即技術活動計劃(Pland"ActionTechnologique,P.A.T.計劃),為該計劃設計的技術驗證機中,其11級壓氣機中的8級與9級採用了整體葉盤結構,如圖19所示,這實際上也是為整體葉盤結構在大型民用發動機中推廣應用進行的技術探索。

從以上兩例說明,整體葉盤結構在大型民用發動機中也將有廣泛採用的前景。至於小型發動機,在20世紀80年代中期以來,新發展的一些小發動機中,整體葉盤結構在風扇、壓氣機中仍然是常採用的設計,例如PW500系列發動機就是一例。除PW500外,FJ44、CFE738與PW300等20世紀80年代後期與20世紀90年代發展的小型發動機,也都採用了整體葉盤結構。