陈光/文
美国普惠公司于年2月中公布了一项新型发动机的发展计划———齿轮传动风扇的PW高涵道比涡轮风扇发动机,它由单级风扇、3级增压压气机、5级高压压气机、1级高压涡轮和3级低压涡轮组成(见图1),低压涡轮首先驱动增压压气机,然后通过减速器传动风扇。
在该发动机中,将采用一些新发展的技术,使它具有级数少、效率高、排污低、噪声低、直接使用费用低和维修成本低等特点。
图1、PW发动机结构图
PW发动机是为了发展一种比PW推力更大的发动机，以便参与波音、A和A等系列客机市场的竞争。PW是普惠公司为座级客机提出的研制型号，其风扇直径为1.m，涵道比为5.4，推力为68.00~。00kN，它是A客机的候选发动机。
齿轮传动的风扇
当前,在推力大(大于70.00kN)的高涵道比涡扇发动机中,风扇均由低压涡轮直接驱动,一般在风扇转子后还装有3~5级增压压气机,以增加发动机的总压比及内涵的空气流量。
这种设计具有固有的缺点即增压压气机、低压涡轮均未在它们的最佳转速下工作,使得发动机级数加多。
这是因为在高涵道比涡轮风扇发动机中,风扇直径很大,使风扇转子工作于较低的转速下,由于风扇(加上增压压气机)是由低压涡轮直接驱动的,因而使增压压气机、低压涡轮的转速大大低于它们的最佳工作转速,因此为达到发动机总体的设计要求,只得增加增压压气机及低压涡轮的级数。
在三转子发动机中,风扇、中压压气机和高压压气机均在最佳转速下工作,因而使它的级数比双转子发动机的少。如果在双转子发动机中,在低压涡轮、增压压气机与风扇间装一个减速器,首先使前二者工作于它们的最佳转速,然后通过减速器,将转速降低到风扇的最佳转速来驱动风扇工作,这样这三个部件均工作于最佳转速下,自然使级数减少。
但是在大型涡扇发动机中,目前尚未有采用减速器来传动风扇的设计,这是因为这种减速器需在高的输入转速(00r/min左右)、高的传动功率(~kW以上)下安全、可靠地工作,在现有的技术条件下,是非常难做到的。
目前仅有3~4种小型涡扇发动机(见表1)采用齿轮传动的风扇,且基本是在涡轴发动机的基础上改型而成的,也即在改型中出于无奈才不得不采用的。
表1、齿轮传动风扇的涡扇发动机
在齿轮传动风扇的发动机中,减速器工作于高转速、高负荷下,不仅体积与重量大,结构复杂,而且齿轮、支承齿轮的轴承均在恶劣条件下工作,因此是一个故障多发、可靠性差的部件,它大大地限制了这种结构在大发动机中的应用。
普惠公司于80年代投资近3.5亿美元,开展了一项用于传动风扇的减速器的发展、研究工作,目前已取得突破性的进展,研制成了一台传动功率为kW(hp)、减速比约为3∶1(输入转速r/min,输出转速r/min)的减速器,据普惠称,该减速器具有体积小(外径仅为0.m)、重量轻(约kg,即每hp重0.98kg)、可靠性高和传动效率高达99.5%等特点。
传动效率高,不仅功率损失小,而且用于冷却、润滑齿轮传动装置的滑油温升仅为27℃,大大减小了用于冷却滑油的散热器的体积。这种减速器已被PW选用作为传动它的风扇的减速器,使PW成为大推力级发动机中第1种采用齿轮传动风扇的高涵道比发动机。
该减速器已通过了一千余小时的部件试验,并在发动机上进行了0h全尺寸试车,另外还在发动机上,对传动功率比PW的大25%即kW(hp)的减速器进行了一百余小时的试车,为PW的研制、开发打下了好的基础。
PW风扇直径为1.~2.m,有20片展弦比为2.2、无中间突肩的实心宽弦叶片,由于风扇工作于较低的转速下,叶尖处的周向速度较低,为24m/s(PW
为.3m/s、遄达为.4m/s、GE90为.3m/s),此速度较低,对减小噪声有利,但叶尖处对空气的做功不利。
为此,普惠公司利用先进的计算机流体动力学CFD对叶尖进行了处理,使它具有较先进的性能。风扇的包容环采用了目前大型发动机中广泛采用的、在铝制带格栅的环形机匣上缠绕多层由Kevlar织成的条带的设计(在PW中未采用此种设计)。