陳光/文
美國普惠公司於1998年2月中公佈了一項新型發動機的發展計劃———齒輪傳動風扇的PW8000高涵道比渦輪風扇發動機,它由單級風扇、3級增壓壓氣機、5級高壓壓氣機、1級高壓渦輪和3級低壓渦輪組成(見圖1),低壓渦輪首先驅動增壓壓氣機,然後通過減速器傳動風扇。
在該發動機中,將採用一些新發展的技術,使它具有級數少、效率高、排汙低、噪聲低、直接使用費用低和維修成本低等特點。
圖1、PW8000發動機結構圖
PW8000發動機是為了發展一種比PW6000推力更大的發動機，以便參與波音737、A319和A321等系列客機市場的競爭。PW6000是普惠公司為120座級客機提出的研製型號，其風扇直徑為1.4224m，涵道比為5.4，推力為68.00~100。00kN，它是A318客機的候選發動機。
齒輪傳動的風扇
當前,在推力大(大於70.00kN)的高涵道比渦扇發動機中,風扇均由低壓渦輪直接驅動,一般在風扇轉子後還裝有3~5級增壓壓氣機,以增加發動機的總壓比及內涵的空氣流量。
這種設計具有固有的缺點即增壓壓氣機、低壓渦輪均未在它們的最佳轉速下工作,使得發動機級數加多。
這是因為在高涵道比渦輪風扇發動機中,風扇直徑很大,使風扇轉子工作於較低的轉速下,由於風扇(加上增壓壓氣機)是由低壓渦輪直接驅動的,因而使增壓壓氣機、低壓渦輪的轉速大大低於它們的最佳工作轉速,因此為達到發動機總體的設計要求,只得增加增壓壓氣機及低壓渦輪的級數。
在三轉子發動機中,風扇、中壓壓氣機和高壓壓氣機均在最佳轉速下工作,因而使它的級數比雙轉子發動機的少。如果在雙轉子發動機中,在低壓渦輪、增壓壓氣機與風扇間裝一個減速器,首先使前二者工作於它們的最佳轉速,然後通過減速器,將轉速降低到風扇的最佳轉速來驅動風扇工作,這樣這三個部件均工作於最佳轉速下,自然使級數減少。
但是在大型渦扇發動機中,目前尚未有采用減速器來傳動風扇的設計,這是因為這種減速器需在高的輸入轉速(10000r/min左右)、高的傳動功率(30000~40000kW以上)下安全、可靠地工作,在現有的技術條件下,是非常難做到的。
目前僅有3~4種小型渦扇發動機(見表1)採用齒輪傳動的風扇,且基本是在渦軸發動機的基礎上改型而成的,也即在改型中出於無奈才不得不採用的。
表1、齒輪傳動風扇的渦扇發動機
在齒輪傳動風扇的發動機中,減速器工作於高轉速、高負荷下,不僅體積與重量大,結構複雜,而且齒輪、支承齒輪的軸承均在惡劣條件下工作,因此是一個故障多發、可靠性差的部件,它大大地限制了這種結構在大發動機中的應用。
普惠公司於80年代投資近3.5億美元,開展了一項用於傳動風扇的減速器的發展、研究工作,目前已取得突破性的進展,研製成了一臺傳動功率為23860kW (32000hp)、減速比約為3∶1(輸入轉速9160r/min,輸出轉速3250r/min)的減速器,據普惠稱,該減速器具有體積小(外徑僅為0.457m)、重量輕(約640kg,即每100hp重0.98kg)、可靠性高和傳動效率高達99.5%等特點。
傳動效率高,不僅功率損失小,而且用於冷卻、潤滑齒輪傳動裝置的滑油溫升僅為27℃,大大減小了用於冷卻滑油的散熱器的體積。這種減速器已被PW8000選用作為傳動它的風扇的減速器,使PW8000成為大推力級發動機中第1種採用齒輪傳動風扇的高涵道比發動機。
該減速器已通過了一千餘小時的部件試驗,並在發動機上進行了1000h全尺寸試車,另外還在發動機上,對傳動功率比PW8000的大25%即29850kW(40000hp)的減速器進行了一百餘小時的試車,為PW8000的研製、開發打下了好的基礎。
PW8000風扇直徑為1.930~2.006m,有20片展弦比為2.2、無中間突肩的實心寬弦葉片,由於風扇工作於較低的轉速下,葉尖處的周向速度較低,為24m/s(PW4084
為413.3m/s、遄達800為478.4m/s、GE90為376.3m/s),此速度較低,對減小噪聲有利,但葉尖處對空氣的做功不利。
為此,普惠公司利用先進的計算機流體動力學 CFD對葉尖進行了處理,使它具有較先進的性能。風扇的包容環採用了目前大型發動機中廣泛採用的、在鋁製帶格柵的環形機匣上纏繞多層由Kevlar織成的條帶的設計(在 PW6000中未採用此種設計)。
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