4.3 CFM56 5B发动机
从表9示出的CFM565系列的3个型号发展时间来看,5B晚于 5C,但由它的风扇直径看,它是同于 5A的,而 5C是加大的,因而由型别序列排,5B安排在 5C之前。
图55、CFM56-5B主要设计特点
图55示出了CFM565B的设计特点,由图55可见,它的核心机采用了 5C的,低压涡轮采用了 5A的设计,风扇叶片是新设计的,采用了先进的气动设计技术,增压压气机由3级增加1级变成4级,由此带来发动机长度增加了0.1778m。
各支点的轴承、附件传动机匣、控制器及附件均与 5A的相同,只是FADEC的软件按 5B的额定推力做了修订。
为减小发动机的有害排放物 NOX,在 5B上采用了双环腔燃烧室(DAC)进行试验,所谓双环腔燃烧室,是指火焰筒头部做成同心的双环腔(见图56),每环腔中均有各自的喷油嘴,在低工况下,仅仅由外环腔(即副油路)供油。
在中间工况以上,两环腔同时供油。这种设计能使低工况下,外环腔中有恰当的油气比和燃油与空气混合可燃气体有较长的停留时间,从而又降低CO与 HC的污染排放量。在中间工况及大工况时,两环腔中均供油,但均保持贫油状态,停留时间也短,因而可减少大工况下的 NOX排放物。
由试验得出,与原设计的单环腔燃烧室相比,NOX可降低40%左右,因此,这种双环腔燃烧室又称为“绿色燃烧室”。
在 5B型中,原设计仍采用常规的也即单环腔燃烧室,即SAC。为瑞士航空公司1995年投入使用的 A321提供的CFM565B发动机,即采用了 DAC。
在发展 DAC过程中,首先在燃烧室试验台上进行90°扇形段的部件试验。然后于1993年3月装在 5B发动机上进行整台发动机的试验,共进行了8周。然后装在波音707试飞台进行飞行试验,1994年4月完成了飞行试验。
1994年中采用 DAC的 CFM565B2取得美国FAA与法国DGGAC颁发的适航证,并于1995年1月中装在A321中,交付给瑞士航空公司,承担巴黎—苏黎世航线的飞行任务。
图56、CFM56 5B的双环腔燃烧室 NOX排放物与单环腔燃烧室的比较
GE90发动机采用了类似的双环腔燃烧室,与CFM565B2的DAC不同的是,GE90的火焰筒是用 GTD222精铸后电子束打出多个斜孔的。
4.4 CFM56 5C发动机
用于 A340四发客机的CFM565C是 CFM56系列中,风扇直径最大的,因而推力也是最大的发动机。由于 A340是一种远航程飞机,所以它还采用了内外涵气流掺混后再由喷口排出的,称之为长涵道混合流(LDMF)的设计。
图57示出了CFM56 5C设计特点。现就发动机的某些设计特点分述如下:
图57、CFM56-5C的某些设计特点
4.4.1 风扇及增压压气机
从图57可看出 5C风扇叶片直径比 5A大0.1016m,是按三元流设计的,与 5A相比,增大了抗外物打击的能力。风扇出口导向叶片改用复合材料制成。增压压气机由 5A的3级改为4级,鼓筒仍用 5A的环形燕尾槽来固定工作叶片,鼓筒为钛合金整体锻件加工而成。增压压气的工作叶片也是按三元流设计的。
4.4.2 高、低压涡轮
-5C的低压涡轮由-5A的4级增加1级成为5级,且它的锥形短轴由-5A 的在2~3级间处与转子连接改为在3~4级间连接。
涡轮后轴承机匣的承力支板也像在-5A中一样,叶型是用三元流设计的,形成1/2级涡轮。支板数与-5A 一样,是16片，外机匣不像在-3、-5A型中做成多边形 而是做成圆的。
但支板在外 内环间是斜向安置的不像-5A的径向安置。图58示出了-3、-5A、-5C三型发动机中后轴承机匣结构设计的比较。
图58、CFM56 3、5A、5C后轴承机匣的比较
CFM56-5C高压涡轮轮盘材料仍采用-5A的,但压气机出口空气温度比-5A高(总压比由-5A的31.3提高到38.3),涡轮前燃气温度高(高压涡轮后燃气温度在-5A中为915℃,而在-5C中为950~975℃),因此,需改进对轮盘的冷却设计,使它工作正常。
涡轮盘轮缘前端面是由压气机出口CDP处经CDP封严环流来的空气冷却的,气流在CDP封严环向后流过大鼓轴外径与燃烧室内机匣间空腔时,由于大鼓轴的高速旋转会使空气在封严环与燃烧室内机匣连接螺栓处产生大的摩擦生热,使空气温度上升,经过分析与试验,将 CDP封严环由原来5齿台阶形的改为4齿平台式的,并将连接螺栓两端面用形状较为流线型的罩盖上。
这样,可使流到涡轮盘的冷却空气的温度降低30℃,从而使轮盘轮缘处温度降低41℃左右,因而使 5C的涡轮盘仍可采用Incol718合金。
为了提高涡轮叶片的冷却效率,冷却空气流向叶片的预旋喷嘴的叶型做了改进,使冷却空气进入叶片时的温度可降低11℃。
为了提高主动间隙控制(ACC)的效能,高压涡轮外环处的结构做了较大改进,如图59所示。将图59与图37进行比较可以看出,5C型的结构变得更为复杂,其主要目的是使机匣在工作中尽量保持其圆度,以保持较均匀的小叶尖间隙。
图59、CFM56 5C高压涡轮外环处冷却结构
ACC用于冷却涡轮叶片外罩环支承机匣的前后空气导管除将其截面做成方形外,空气在两管中的流动方向相反,这样,可以减少空气在管中流动时温度会逐渐加大的影响。
因为对于支承机匣的某一点来说,前管的空气温度高,后管的空气温度低,两者一平均,沿圆周基本可达到温度一致,参见图60。
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