陈光/文
3.4 高压涡轮
3.4.1 带冠叶片
遄达800的高压涡轮叶片采用了罗·罗公司的传统设计,即带冠叶片,如图8所示。普惠、GE公司的军民用发动机还没有采用过这种结构,遄达的叶冠上不仅作有叶尖封严用的篦齿,还沿轴向作有回收冷却空气能量的肋条。
肋条做成涡轮叶形,2个叶冠的肋条组成一收敛通道,冷却叶片后的冷却空气由叶冠上的小孔流到该通道经转变、膨胀加速向尾缘流出,与此同时,产生一推动叶片转动的推动力,回收了冷却空气的一部分能量;
另外,引入叶片的冷却空气有高、低压两股,高压空气是与其他发动机类似,即通过预旋导流叶片将燃烧室内二股空气引入。而低压空气则是前股气流经转子、静子间封严篦齿环由内向外的漏出气体。
这两项均是为了充分利用冷却空气能量的措施。另外,在叶冠上还钻有多排角度不同的孔道,用以通过冷却空气对叶冠进行冷却,参见图8右上小图。这种结构在以往的发动机中还未见到过。
图8、遄达800的带冠高压涡轮叶片
3.4.2 封严鼓环加盘
PW4000系列发动机中,两级高压涡轮盘间夹有一带篦齿的鼓环,起到级间封严作用,如图9所示,但是在PW4084上,涡轮转子结构基本同于PW4000,但却在封严环内做了一个很薄的大圆盘(见图10),用以加强鼓环,提高发动机的结构完整性与耐久性,这种带盘的封严环已在一些新型发动机中采用,例如 GE90的两级高压涡轮盘间,也采用了类似的带盘的封严环。
图9、PW4000两级高压涡轮盘间的封严环
图10、PW4084涡轮盘间的带盘的封严环
3.5 低压涡轮
3.5.1 正交叶片
遄达800低压涡轮气流通道做成向内、外扩散的喇叭形,因而在各截面处的气流不是平行流动的,上半部是向外倾的,下半部则是向内倾的,为了提高气动效率,叶片的叶身采用了“正交”设计,即各截面处的叶身基本与气流方向是直角,其结果叶片沿高度方向不是直线的,而是呈弯曲状,如图11所示,除低压涡轮外,遄达的中压压气机也采用正交设计。
3.5.2 大直径低压涡轮
如前所述,GE90风扇采用了低压比、低切线速度设计,因而,低压转子转速较低(2300r/min),为了使每级低压涡轮作功量较大,减少级数,GE90将低压涡轮直径选用得较大,这样,在较小直径的高压涡轮与大直径低压涡轮间的通道做得非常陡,如图12所示,这是在其他发动机中很少采用过的。
图11、遄达800低压涡轮正交叶片
图12、GE90低压涡轮结构图
3.6 支承与封严
3.6.1 刷式封严
PW4084最初设计时并未采用刷式封严(简称刷封),但在1992年后,开始在高压压气机与高压涡轮间采用。
目前,在该区域共采用了四套刷式封严件,包括高压压气机、高压涡轮叶片根部处各一套,此两处温度高,切线速度大,说明刷式封严已能在较高的工作温度与高的切线速度下长期工作。
由于刷式封严有较好的封严效果,能较显著地提高发动机性能,因此普惠公司在1996年内把刷式封严装置换装到现有的PW4000系列发动机中(相同位置处),以提高它们的性能,如图13所示。
GE90则在低压涡轮后处采用了四套刷式封严件。
图13 PW4084高温部件中采用四套刷式封严装置
3.6.2 滚珠、滚棒轴承并用
GE90在高压压气机前轴处采用了滚珠、滚棒轴承并列作为1个支点的结构设计,如图14所示,这种设计最初用于 CF680C2发动机中,后来在 CFM565中也采用了,但是普惠、罗·罗两公司的大多数发动机中尚未采用这种结构。
采用滚珠、滚棒并列最大的好处是将该支点处的轴向负荷由滚珠轴承承受,径向负荷则由滚棒轴承承受,这样与用一个滚珠轴承作为1个支点相比,轴承负荷可以减小较多,轴承寿命可以延长,另外,还能使转子与机匣保持较好的同心度,使叶尖有较均匀的叶尖间隙,可改善压气机工作性能。
GE90高压压气机前支点处的滚棒轴承做得较特殊(见图14),它的外环直接与鼠笼式弹性支座的套筒作为一体,这种结构已逐渐在现代发动机中采用,并由轴承厂家提供。
图14、采用滚珠、滚棒轴承并列形式的GE90高压压气机前支点
另外,由图13还可见到装在高压压气机前轴上的主动锥齿(附件传动机构)的齿圈背上的减振环,这是用以抑制主动锥齿振动的有效措施,是首台采用这种结构的外国发动机。
3.6.3 挤压油膜、弹性支座
GE公司在民用发动机CF6、CFM56系列中,原来没有采用挤压油膜、弹性支座,只是在1987年以后,才在CFM563型中低压涡轮后轴承处改型成带挤压油膜。以后在 CFM56-5型沿用了此一改型,但在 GE90中,开始在多处采用弹性支座与挤压油膜。
该发动机共有5个支点6个轴承(3号支点处采用了滚珠、滚棒轴承并用结构,见图13),除1、2号轴承(风扇后滚珠轴承、风扇轴后端的滚棒轴承)外,其余4个轴承中,高压转子前支点(3号)的滚珠、滚棒轴承均采用了弹性支座,且滚棒轴承处还带有挤压油膜;4号支点(高压涡轮后支点,滚棒轴承)采用了挤压油膜;5号支点(低压涡轮后)采用了带挤压油模的弹性支座。
PW4084发动机除继承了PW4000中的3号支点(高压转子前)采用带挤压油股的弹性支座与5号支点(低压涡轮后)采用挤压油膜外,还在1号支点(风扇轮盘后)处采用了弹性支座。
由此可以看出,在高转速转子中采用挤压油膜,弹性支座已是一个发展趋势。
3.6.4 特大直径的滚珠轴承
PW4084风扇盘后的滚珠轴承采用了特大直径的滚珠,每个滚珠的直径为57.15mm(2(1/4)in),GE90风扇直径比 PW4084大,但它的滚珠轴承滚珠直径却小于 PW4084的,为41.275mm(1 6/8in)。特大直径的滚珠由于加工,材料熔炼均较难,因此,大大增加了它的成本。
3.6.5 施加轴向预载的轴承
遄达发动机的原型机RB211 524G/H以及该系列中的其他型号发动机,在使用中曾出现过低压转子止推轴承(为中介轴承)轴向负荷换向因而引起该轴承出现打滑引起的滑蹭损伤的事件。
在正常工作条件下低压转子的轴向负荷是向后的,但经常在某些飞行状态下,该负荷变为向前。在由向后改变为向前的换向过程中,此滚珠轴承出现轻载—零载—轻载的变化,很易出现滑蹭损伤。
虽然,早期曾将此轴承的保持架定位方式由轴承外环处改为轴承内环上,部分地解决打滑问题。
后来,又在 524G/H上将卸荷腔的封严半径加大,以消除作用于轴承的载荷变向问题,看来问题并未彻底解决。
图15、遄达800对低压转子施加预载的预载弹簧及预载轴承
为此,在遄达发动机(包括 700、800系列)上,在低压涡轮后轴滚棒轴承之后加装了一个预载滚珠轴承,如图15所示。该结构类似于斯贝 MK202低压转子滚珠轴承为防止打滑采用的预载轴承(参见“航空发动机的轴承滑蹭损伤与防止措施”),即固定于后轴的轴承内环仅后端有突环能承受向后的轴向载荷,而前端没有突环,所以此轴承不能承受向前的轴向力;
轴承的外环前端面作用有一预载弹簧,始终对外环作用有向后的载荷,这样使转子始终受有向后的载荷,作用于转子止推轴承的载荷不会变向,从而防止了轴承的打滑。
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