在20世紀90年代後期,普惠公司推出了推力範圍為120~160kN 的齒輪傳動渦扇發動機PW8000,後因某些原因終止了發展,但其在減速器的開發研製工作,為今日的 PW1000G研製開發打下了一定的基礎。
進入21世紀後,在“綠色航空”的要求下,各航空發動機公司均提出了用於旅客機的低耗油率、低噪聲與低排放的新一代發動機的研製計劃,普惠公司在這種形勢下,提出“齒輪傳動渦輪風扇發動機 GTF”的計劃,他們認為在採用了最新的 TALON燃燒室的 GTF,能完全滿足最新的噪聲與排放標準,且保有較大的裕度,能成為支線客機及幹線客機的動力。
GTF提出後,受到航空界的廣泛注意,2007年10月,日本三菱公司選用了 GTF為該公司下一代支線客機 MRJ70/90的動力,隨後加拿大龐巴迪公司選用了 GTF為該公司下一代支線客機 C系列(C110及C 130)的動力。
2008年7月範堡羅航展期間,普惠公司宣佈將GTF命名為“潔淨動力”PW1000G,並將用於 MRJ的發動機命名為PW1214G(推力為14000lbf級),將用於 C系列的發動機命名為PW1524G(推力為24000lbf級)。截至2009年6月,普恵公司已得到250臺發動機的定貨。
圖2、 PW1000G裝在B747SP飛行試車臺的位置
2009年8月19日普惠公司在莫斯科航展上宣市,PW1000G的驗證機已完成了406小時的地面臺架試車,120小時的空中試車(在普惠的B747SP飛行臺上進行了12次45小時試車,在空客的 A340 600飛行臺上進行了27次75小時試車)。這些成功的驗證飛行,無疑降低了這種發動機進入商業運營的風險。
圖2所示為PW1000G在普惠公司的B747SP飛行試車臺安裝情況。一般新發動機安裝到飛行試車臺時,是將原有的1臺發動機卸下,換上需試車的新發動機。但是,為了進行PW1000G飛行試驗,B747SP上仍保留原有的4臺發動機,而在機身上部專門伸出了一個短翼,要試車的PW1000G吊裝在此短翼下。
表2列出了PW1000G兩個系列發動機的主要參數。
除MRJ及C系列外,最近,俄羅斯新研製的 MS 2客機及空客的 A320neo客機也選用了PW1000G,因此,PW1000G已有4個系列,即PW1200G用於日本的MRJ客機,推力最小,為67~76kN;PW1500G用於巴西的 C系列客機,推力為93~104kN;PW1100GJM用於空客的 A320neo,PW1400G用於俄羅斯的 MS2,後兩系列的推力相同,為110~150kN。
表2、PW1000G兩個系列發動機的主要參數
4 PW1000G總體結構
PW1000G由1級風扇、傳動風扇的減速器、3級低壓壓氣機、8級高壓壓氣機、採用 Talon 技術的環形燃燒室、2級高壓渦輪及3級低壓渦輪組成,如圖3所示。
與傳統的高涵道比渦扇發動機不同的是,風扇與由低壓壓氣機及低壓渦輪組成的低壓轉子間裝有一套減速器,因此,轉子支承的方式有它獨特之處,如圖4所示。
圖3 、PW1000G
風扇轉子與低壓轉子沒有直接相連,是懸臂地支承於並列的兩個圓錐滾子軸承1上的,這種用圓錐滾子軸承支承的方式,實屬少有。由於風扇轉速較低,為採用圓錐滾子軸承提供了可能性,在常規的高涵道比渦扇發動機中,風扇轉速較高,是無法採用這種軸承的。
高壓轉子的支承方式與普惠常用(如JT9D、PW4000)的不相同,為10 1的2支點支承方式,高壓壓氣機前一個滾珠軸承3,通過低、高壓壓氣機間的中介機匣將轉子的負荷傳出;
高壓渦輪後裝有滾棒軸承4,通過高、低壓渦輪間承力框架外傳負荷。低壓轉子採用0 1 1的2支點支承方式,即低壓渦輪後的滾棒軸承5支承於渦輪後軸承機匣上,低壓壓氣機後軸支承於滾珠軸承2上,低壓渦輪軸前端通過套齒與低壓壓氣機內伸的過渡短軸內套齒剛性地相連。
由於高壓壓氣機只有8級,穿過高壓壓氣機中的低壓渦輪軸相對較短,因此2支點的支承方式還是適宜的。
5 風 扇
一級風扇葉片採用最新3D氣動技術設計成掠形寬弦無凸肩葉片,採用了低的葉尖切線速度,低的增壓比(1.4),可提高效率,降低噪聲,且能大大提高葉片的抗外物打擊能力。葉片是用鈦合金還是用複合材料普惠正在選擇中(《飛行國際》網站2009年5月20日報導)。
風扇輪盤通過中心的套齒與支承於一對圓錐滾子軸承的風扇軸相連,減速器的輸出軸也連接到風扇軸上。風扇機匣用複合材料製成,這是繼 GEnx後採用複合材料製作風扇機匣的又一發動機,複合材料作風扇機匣不僅零件數少,重量輕,維修性好,而且有較強的包容能力。
風扇葉片後緣與分流環間有較大的間距,便於將空氣中的砂石雨水等甩到外涵。出口導向葉片不僅距風扇葉片後緣遠,而且是斜置的,以降低風扇的噪聲。
6 傳動風扇的減速器
傳動風扇的減速器為簡單的星形傳動系統,如圖5所示。減速器輸入軸以外套齒與位於減速器中心的太陽齒輪相連接,圍繞太陽齒輪有5個沿圓周均勻分佈的行星齒輪,行星齒輪下端與太陽齒輪相齧合,上端與環形齒輪相齧合。
行星齒輪用中心軸通過平軸承(或稱軸頸軸承)支承於行星齒輪支承架中,支承架由前後兩塊帶五個連接柱的圓盤組成,連接柱插入兩行星齒輪齒間的空檔中,通過螺栓將前後圓盤牢固地連成一體。
行星齒輪支承架再通過支承架彈性座連接到機匣上,採用彈性結構是為了將整套減速器與發動機機匣孤立起來,當飛機作機動動作時,飛機的過載不會影響齒輪系統的正常工作。
為了提高齒輪的強度及抗衝擊負荷的作用,齒輪的齒作成人字形,為了便於加工與裝配,環形齒輪沿長度方向作成兩段,通過短螺栓連接成一體。減速器的輸入軸也作成具有一定彈性的結構,其作用是當低壓轉子與減速器不同心時,不會對齒輪系統的工作帶來不利的影響。
圖5、傳動風扇的減速器簡圖
採用這種簡單傳動的星型減速器時,輸出軸與輸入軸的轉向是相反的,即風扇轉子與低壓轉子轉向相反。
行星齒輪沒有采用常用的滾動軸承,而採用了平軸承支承於支承架中,這樣可減輕減速器的重量(普恵介紹稱可減重180餘千克),為驗證平軸承的工作可靠性,進行過2萬多次啟動停車循環的磨損試驗,試驗後軸承的最大磨損處的磨損量小於塗層厚度的25%,證明平軸承有良好的抗磨性,能滿足發動機的要求。
發動機的滑油系統設計中,將由散熱器流出的溫度較低的滑油首先供給減速器,從減速器流出的溫度較高的滑油再輸送到其它地方,這樣,發動機只需用一種牌號的滑油。
7 低壓壓氣機
3級低壓壓氣機(在PW1214G中為2級)處於高轉速下工作,不僅效率高,增壓比也大(約為2.3)。第1級與第2級靜子葉片作成可調的,三級均採用整體葉盤結構,通過短螺栓將第2級整體葉盤與第1級、第3級整體葉盤相連接,組成了可拆卸的轉子,以適應整環設計的機匣。
圖6、高壓壓氣機
8 高壓壓氣機
8級高壓壓氣機(如圖6所示)的增壓比為14,平均級壓比為1.39,是較先進也能達到的設計(PW8000雖為1.643,但困難較多,GE90為1.368)。前4排靜子葉片作成可調節的,第4~7級靜子葉片是懸臂地固定於機匣上。整個高壓壓氣機機匣作成雙層,外機匣傳遞負荷,內機匣作為氣流通道的包容機匣。
除第8級工作葉片是裝在輪盤上的環形燕尾槽的結構外,其他7級均採用整體葉盤結構,加上低壓壓氣機中三級整體葉盤,PW1000G上共採用了10級整體葉盤,是當今用整體葉盤最多的發動機,為此,需發展能在轉子上修理葉片的技術。輪盤與另一級鼓環間的連接方式,未採用普惠的傳統作法(JT3D與JT9D的螺栓連接,PW4000的焊接連接),而採用了緊度連接,如圖7所示,前級的鼓環用較大的緊度裝於後級盤的圓孔中,裝配時將輪盤加溫到一定的溫度,鼓環用乾冰將其降溫,然後將鼓環壓入,在兩者間產生較大緊度,這種方法連接成的轉子是不可拆卸的。實際上,這種連接方法在蘇聯的發動機中應用較多,只是蘇方還在兩者間裝入多個徑向銷釘。
圖7、轉子採用緊度連接的結構
9 燃燒室
PW1000G採用了普惠公司多年發展的低排放 TALON(TechnologyforAdvancedLow NOX)燃燒室,這種燃燒室已先後在 PW4098(TALONⅠ),PW4156、PW4168 及 PW6000 (TALON Ⅱ)上採用,只是在PW1000G中採用最新的發展型 TALONX,它的 NOX排放值不僅能滿足最新的CAEP/6的要求,而且還有較大裕度,如圖8所示。
圖8、各型TALON燃燒室 NOX排放與CAEP標準的關係
10 渦 輪
PW1000G的2級高壓渦輪與3級低壓渦輪是反轉的,如圖9所示,這種反轉設計近期已被多種發動機採用。從工作原理上講,高、低壓渦輪反轉時低壓渦輪可不用導向葉片,但在實際設計中,只有 YF120軍用發動機中沒有采用低壓渦輪導向葉片,其它軍、民用發動機仍然採用。
在PW1000G中,對高、低壓渦輪間的承力框架中的支板葉型,作了較好的分析與優化設計,因而取消了低壓渦輪導向葉片,已成為第1型不用低壓渦輪導向葉片的民用發動機,這種設計,少了一排葉片,不僅使發動機的零件數減少,重量減輕,而且也減短了發動機長度。
在PW1000G中,由於採用了傳動風扇的減速器,使低壓渦輪能在最優的高轉速下工作,不僅使氣動效率提高了約1.5%,而且大大減少了級數(約減少3級),使發動機長度與重量均降低較多,普惠估算,重量比常規設計的發動機低約270千克。
圖9、高、低壓渦輪
高壓渦輪葉片中,採用了高升力葉型設計,並採用葉尖吹氣技術以減小葉尖間隙中的漏氣量。
11 維修性
在PW1000G研製中,除保證發動機有好的性能、可靠性與耐久性外,也注重了發動機的維修性設計。
例如,整臺發動機分為5個大單元體;對有限壽命零件(LLP)的設計壽命為20000h;風扇葉片與傳動風扇的減速器的零件均按無壽命限制設計;將風扇出口導向葉片及傳動風扇的減速器設計為為外場可拆換組件(LRU);設有34個孔探口可在外場對所有葉片進行檢查,還有10餘個可修磨葉片的孔座等,另外還在計算機上用三維圖形軟件排列外部管路,並利用人素工程驗證操作工人的可操作性,如圖10所示。
圖10、在計算機上布外部管路,驗證工人的可操作性
12 結 語
由於PW1000G採用了突破傳統構型的獨特的傳動風扇的減速器以及先進的 TALON燃燒室,使得發動機具有:油耗低(低12%左右),噪聲低(比第4階段要求低20dB),排放低(CO2排放每架飛機每年可減少3000t,NOX排放減少50%),維修成本低(葉片數少410%)等特點,能夠適應新世紀航空業對新技術、低消耗、低排放的需求,對國內外航空業界無疑是一大喜訊。
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