波音777滿足180分鐘 “雙發客機延程飛行”的關鍵:遄達800發動機

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遄達800也是遄達家族初期發展的三系列之一,是在遄達700型發動機的基礎上衍生發展而來,風扇直徑達到了,2.794米 (比遄達700風扇直徑加大了0.604米)。

遄達800發展用於波音777是滿足美國聯邦航空管理局 (FAA)等適航當局的180分鐘 “雙發客機延程飛行” (即ETOPS-180)要求的可靠性極高的航空發動機。

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遄達800是羅羅公司產出的被其稱為引領市場的航空發動機,於1995年1月取證,1996年4月投入商業運營遄達800用於驅動波音777-300、 波音777-200和波音777-200ER飛機。

遄達800目前有以下二級序列發動機:

遄達875,推力為334kN(75000lbf);

遄達877,推力為343kN(77000lbf);

遄達884推力為374kN(87000lbf);

遄達895,推力為423kN(95000lbf);

裝備遄達800發動機的波音777飛機佔到了波音777基本訂貨量的41%。

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遄達800在同級別航空發動機中重量最輕,推重比最高。新一代的寬弦風扇和先進的三轉子結構設計使遄達800在役壽命更長、維修成本更低。

新的單元體化設計高壓系統最先就應用在了遄達800發動機上,並在驗證後推廣到了遄達家族的其他成員,使整個遄達家族發動機均得以獲益。

遄達800的涵道比達5.7~6.2,具有1級風扇、8級中壓壓氣機、6級高壓壓氣機、1級高壓渦輪、1級中壓渦輪和5級低壓渦輪 (如圖1)

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圖1、遄達800航空發動機剖視圖

遄達800發動機的設計特點

(1) 三轉子結構

與遄達600和遄達700相同,遄達800也是三轉子結構設計。圖2為遄達800與GE90發動機結構對比。

(2) 風扇葉片

遄達800 發動機的風扇葉片為擴散連接/超塑性成形空心夾層葉片。羅羅公司發展了新一代的夾芯結構,即芯部用桁條結構取代了蜂窩芯部,採用擴散連接/超塑性成形的工藝來製造。桁條參與承力,因而使風扇葉片的重量比應用蜂窩時還輕15%。

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圖2、遄達800與GE90發動機結構對比

表1是用於驅動波音777飛機的三種型號發動機風扇葉片參數對比,由表中參數可以看出,遄達800發動機的風扇葉片與GE90的複合材料風扇葉片和PW4084鈦合金相比各具特色,綜合性能相差不大。

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表1、用於驅動波音777飛機的三種型號發動機風扇葉片參數對比

(3) 凱芙拉包容環

遄達800發動機的包容環與GE90和PW4084的包容環結構相同,即在鋁合金機匣外壁面上纏以幾十層用凱芙拉材料織成的條帶,條帶外再包以環氧樹脂。


鋁合金機匣主要用於保持一定圓度的環腔,為此,在其外表面縱橫銑出許多減重的槽道,這種包容環包容能力強,厚度雖很大,但由於主要是由複合材料製造,因此整體重量很輕,已被許多新型號發動機採用。

(4) 發電機取功途經

為了滿足附加的電力需求,遄達系列發動機傳統上採用的是從高壓壓氣機提取功率的途徑。圖3顯示了遄達800航空發動機結構和發電機取功的示意圖。

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圖3、遄達800航空發動機結構和取功示意圖

(5) 高壓渦輪帶冠葉片

遄達800發動機的高壓渦輪葉片採用的依然是羅羅公司的傳統設計,即帶冠葉片。葉冠上不僅帶有葉尖封嚴用的篦齒,還有回收冷卻空氣能量的沿軸向肋條 。


肋條做成渦輪葉形,2個葉冠的肋條組成一個收斂通道,冷卻葉片後的冷卻空氣由葉冠上的小孔流到該通道,經轉變、膨脹加速向尾緣流出,與此同時,產生一個推動葉片轉動的力,可回收冷卻空氣的一部分能量 (如圖4所示)。


引入葉片的冷卻空氣有高、低壓兩股,高壓空氣與其他發動機類似,即通過預旋導流葉片將燃燒室內的二股空氣引入。而低壓空氣則是前股氣流經轉子、 靜子間封嚴篦齒環由內向外的漏出氣體。這兩項均是為了充分利用冷卻空氣能量的措施。

另外,在葉冠上還鑽有許多排角度不同的孔道,用以通過冷卻空氣,對葉冠進行冷卻 (如圖4所示)這種結構在以往的發動機中還未見過,雖能充分利用冷卻空氣的能量和提高冷卻效果,但使葉片的整體結構變得非常複雜,加工難度大增。

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圖4、遄達發動機高壓渦輪工作葉片


(6) 低壓渦輪正交葉片

遄達800發動機低壓渦輪的氣流通道做成向內、外擴散的喇叭形,因而在各截面處的氣流不是平行流動的,上半部是向外傾斜的,下半部則是向內傾斜的 為了提高氣動效率,葉片的葉身採用了 “正交”設計,以保證各截面處的葉身與氣流方向是直角,其結果是葉片沿高度方向不是直線的,而是呈彎曲狀,除低壓渦輪外,遄達系列發動機的中壓壓氣機都採用了正交設計。

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圖5、遄達800高壓渦輪葉冠上的冷卻孔 (局部剖開)

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圖6、遄達800低壓渦輪採用的正交葉片

(7) 軸向預載軸承

遄達系列發動機的原型機RB211-524G/H以及該系列發動機中的其他型號發動機,在使用中曾出現過低壓轉子止推軸承 (為中介軸承)軸向負荷換向,因而引起該軸承出現打滑引起的滑蹭損傷的事件。


在正常工作條件下低壓轉子的軸向負荷是向後的,但經常在某些飛行狀態下, 該負荷變為向前。在由後向改變為向前的換向過程中,此滾珠軸承出現輕載—零載—輕載的變化,很容易出現滑蹭損傷。

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雖然,早期曾將此滾珠軸承的保持架定位方式由軸承外環處改為軸承內環上, 部分地解決打滑問題。後來,又在RB211-524G/H上將卸載腔的封嚴半徑加大,以消除作用於軸承的載荷變向問題,看來問題並未徹底解決。

為此,在遄達家族發動機 (包括遄達700和遄達800系列發動機)上,在低壓渦輪後軸滾棒軸承之後加裝了一個預載軸承。該結構固定於後軸的軸承內環,僅後端有突環能承受向後的軸向載荷,而前端沒有突環,所以此軸承不能受向前的軸向力;軸承的外環前端面作用有一預載彈簧,始終對外環作用有向後的載荷,這樣使轉子始終受有向後的載荷,作用於轉子止推軸承的載荷不會變向 ,從而防止了軸承的打滑。

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(8) 燃油調節器

遄達800發動機的燃油調節器與遄達700發動機相同,為羅羅公司的第三代全權限數字式電子控制 (FADEC)系統

(9) 遄達800發動機葉片應用激光噴丸工藝

2001年,激光噴丸技術有限公司為羅羅公司在遄達800發動機葉片上進行了激光噴丸工藝的效益展示,成為首例在全球商用飛機發動機上應用激光噴丸工藝的案例。


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