遄达1000是罗·罗公司为波音787“梦幻”客机研制的高涵道比与高总压比、低油耗与低污染及低噪声的新一代发动机。
为了满足21世纪“绿色航空”的要求,遄达1000是罗·罗公司遄达系列发动机中最新型号,它不仅继承并发展了遄达系列发动机的设计,采用了其研制与使用中的经验与教训,而且还采用了最新发展的一些先进技术,使得遄达1000不仅性能达到较高的水平,而且研制周期短。
遄达1000与 GEnx是21世发展的最新发动机,它们的设计概念与采用的技术,代表了大型民用高涵道比涡扇发动机的最高水平,值得我们学习与借鉴。
2 遄达1000发展特点
遄达1000是罗·罗公司为波音787“梦幻”客机研制的高涵道比、低油耗、低污染与低噪声的三转子发动机,其涵道比为10.8~11,总压比为52.1,是当今涵道比与总压比最高的发动机。
2004年4月6日波音公司宣布,B787选用罗·罗公司的遄达1000与 GE公司的 GEnx为其动力,将普惠公司排除在外。
遄达1000是罗·罗公司遄达系列发动机中继遄达600(由于 MD 11飞机下马而取消)、遄达700(A330)、遄达800(B777)、遄达500(A340 500,600)与遄达900(A380)后的第六个型号,除沿用了前几型号的设计特点并采用了公司发展的最新技术外,其涵道比及总压比,不仅在各型遄达中是最大的,而且在当今所有在役发动机中也是名列前茅,使其耗油率比遄达900低4%,比遄达前身 RB211 524G/H 低12%。
全球有六个著名公司参与了遄达1000的风险与收益共享合作伙伴,其中有:卡尔顿锻造公司(风扇机匣)、古德里奇公司(发动机控制系统)、汉胜公司(附件传动系统)、ITP公司(低压涡轮)、川畸重工业株式会社(中压压气机单元体)以及三菱重工业株式会社(燃烧室和低压涡轮叶片),六个合作伙伴投入的资金占研制经费的35%,因此可以说,遄达1000是一个国际合作研制的项目。
遄达1000如图1所示,由单级风扇、8级中压压气机、6级高压压气机、单级高压涡轮、单级中压涡轮与6级低压涡轮组成。为满足三型 B787的推力要求,并考虑飞机今后发展的需要,发动机设计推力范围为236kN(53000lbf)~370kN(70000lbf),空气流量为1290kg/s。共有A、C、D、E、H、J与 K七个序列型号。
图1、遄达1000发动机
3 总体设计
遄达1000发动机三个转子共有8个支点,其支承方案同于 RB211,图2所示为 RB211支承方案图。从图可以看出:低压转子为0 2 1三支点支承方案,中压转子为12 0三支点支承方案,高压转子为1 0 1二支点支承方案。
三个转子的止推轴承集中置于中、高压压气机间的中介机匣处,分别为3、4、5号轴承,以利于将各转子的轴向力集中外传,但这种安排使风扇轮盘后的轴承(1号)只能用滚棒轴承,当风扇轴在特殊情况下折断后,风扇轮盘会被甩出发动机(RB211曾发生过几次,大多数高涵道比大推力涡扇发动机中,1号轴承采用滚珠轴承)。
为此,在风扇轴中设置有一“保持轴”,保持轴前端的凸边紧靠轮盘上的挡边,后端装在3号轴承即风扇滚珠轴承后端,其作用是一旦风扇轴折断,风扇轮盘被保持轴保持在发动机内而不被甩出。
图2、遄达1000发动机转子支承
在八个支点中,1号支点采用了两个滚棒轴承,这是罗·罗公司 RB211与遄达系列发
动机中第1次采用的设计,它是保存原有型号中已有的1号滚棒轴承,在其后增加了1个外径较小的滚棒轴承,如图3所示。
初步分析,增加1个滚棒轴承是为了承担在风扇叶片从根部断裂时产生的过大冲击载荷,如同在 GE90115B与 GEnx中将风扇后的滚珠轴承(号)改用直径很大的滚棒轴承以承受1叶片断裂时的过大冲击载荷一样,参见本书《GE90-115B设计特点分析》一文。
4 风 扇
遄达1000的风扇(如图4所示)采用了小的轮毂比(约0.25),在空气流量一定时,可降低风扇直径,加大涵道比,减轻重量,但轮盘直径较小,如图5所示。为了能安装20片叶片,叶片榫根采用了遄达系列发动机的独特设计,即榫根在长度方向不是平直的,而是作成圆弧形,如图6所示,这种设计使叶片的榫根与轮盘的榫槽加工均较复杂。
图4、遄达1000风扇部件
风扇叶片的叶尖采用了小的切线速度,以降低噪声。叶片作成带后掠的掠形,称为弯刀形叶片,如图7所示,用最新发展的三维气动方法设计的,以提高效率。Ti6/4合金风扇叶片结构采用了罗·罗公司的第3代设计,即 DB/SPF(扩散连接/超塑性成形)作成的带中间桁条的空心叶片。
风扇叶片后缘与分流环前缘间留有较大的间距,以便将随气流流入发动机的细小砂石、雨水等甩向外涵道。斜置的出口导向叶片与风扇叶片间留有很大的间距,以降低噪声,这是先进发动机中经常采用的设计。叶片表面采用了激光冲击强化 LSP处理,以提高叶片的抗疲劳性能。
这种强化技术最初用于 GE公司的军用发动机上,后用于普惠公司的F119发动机(F22用)中,遄达1000是大型民用发动机中首先应用LSP的机种。
图5、小轮毂比风扇的特点
图6、圆孤形榫根
图7、装在风扇盘上的风扇叶片
两叶片间的通道是前大后小呈锥形,在以往苏制发动机中,常将轮盘也作成锥形,叶片的榫根作成斜的(即叶身与榫根间不呈直角),这样,在工作时,离心力沿榫槽槽向的分力很大,需用很大的销钉等防止叶片从榫槽中逸出。
但是欧美发动机中,叶片的榫根均作成与叶身垂直,轮盘中的榫槽作成直的,气流通道则采用特殊的措施来达到,例如遄达系列发动机中,采用了在两叶片间于根部处安装倾斜的铝制堵片,如图4所示。
风扇部件中包容叶片的机匣一般称为包容环,它应在最大转速下工作出现叶片从根部断裂时,断片不能击穿机匣,而应包容在机匣内,以免穿出机匣的断片造成损害不可估量的二次损伤事件。
早期的发动机中,采用较厚的合金钢作成带加强环的环形机匣成为包容环,显然,这种结构重量较大。20世纪80年代中期,GE公司在CF680C2中,第1次用 Kevlar制的织带缠在合金钢制的环形机匣上七、八十圈,形成重量轻厚度大的包容环;后来罗·罗公司在20世纪90年代初期,将 Kevlar制的织带缠在铝合金制的薄形环形机匣上,为了增加铝机匣的刚性以保持足够的圆度,同时减轻重量,在机匣上铣出许多槽道,形成纵横交错的加强肋条。
但是,在21世纪初,罗·罗公司在发展遄达900时,一改以往的设计,采用了由 Ti6/4锻制的带加强环的环形机匣,遄达1000也这采用了这种结构,如图4所示。罗·罗公司称,这种设计不仅具有足够的包容能力,而且重量还轻。
风扇轮盘作成与 GEnx的轮盘一样,即相当于带3个轮盘的混合式转子。图8所示为罗·罗公司风扇叶片为提高效率所作的改进以及达到的效果。
图8、罗·罗公司风扇叶片设计改进途径
