大涵道比双转子和三转子布局的设计对比分析

大涵道比双转子和三转子布局的设计对比分析

双向旋转布局和三个转向布局是螺旋发动机的常见配置方法。这两种布局可以实现相同的总体性能参数。然而，由于内部的设计思想不同，一些部件的设计体现了技术的优越性。通过两种布局形式的对比,不仅可以更好的了解两者的技术特点,更重要的是从技术特点中总结出解决技术难题的不同思路。目前,在世界航空发动机领域内,美国的通用电气公司(GE)和普惠公司(PW)、英国的罗罗公司(RR)以及乌克兰的进步设计局在这两种布局方式上都进行了深入的研究与实践,并取得了很高的技术水平,形成了许多成熟产品并取得了很大的市场成功。在国内,虽然我国涡扇发动机的设计研究起步较晚,但是随着发动机产品研制工作的不断开展,国内对于双转子布局的研究已经比较深入;而对于三转子布局的研究多集中于对国外新产品、新技术介绍,但是对其设计思路和技术特点的研究并不深入,更缺乏设计实践。本文旨在通过对采用两种布局方案的成熟产品进行对比,从核心气流流路与承力机匣两个角度分析两种布局方案的具体设计特点,以期为这方面的方案设计提供一些参考。1竞争性发动机大推力量级民用航空发动机的市场竞争激烈,许多飞机产品都有上述世界3大航空发动机生产商所研制的货架产品,以供航空公司根据自己的使用传统、后续维护便利性以及成本等因素进行选装。这些为同一款飞机而设计的竞争性发动机产品,由于其推力、耗油率、安装结构基本一致,比较适合做不同结构布局的对比分析,其中比较典型的有波音777飞机所采用的“Trent800”、“GE90”和“PW4084”,以及波音787所采用的“Trent1000”和“GEnx”发动机。本文选择能够代表目前不同布局最先进技术的“Trent1000”和“GEnx”进行对比分析,两款发动机的基本参数见表1。2设计要点及转子转速为了对两款发动机的承力结构布局有一个直观的对比,将两发动机的总体结构图沿其旋转轴线各去掉一半后,采用相同比例上下拼合在一起形成结构对比图,如图1所示。根据参考文献中一型三转子发动机方案的设计研究结果(该发动机方案与Trent1000参数及尺寸基本一致)估计Trent1000的设计点风扇转速约为3000r/m、中压转速约为7800r/m、高压转速约为12000r/m。由于在一定的气动设计水平和材料下,为了保证风扇的高效率和低噪声,风扇的叶尖线速度有一定的范围,为了保证高压压气机的压缩能力和涡轮部件离心应力水平(AN2值),高压转子的最大叶尖的线速度也在一定的限制范围内;参考对于Trent1000转子转速的估计以及GEnx和Trent1000的转子部件尺寸,估计GEnx的风扇转速约为3000r/m、高压转速约为10000r/m。尽管这种估计的精度有限,但对于两种布局结构设计的理解也有重要的参考作用。2.1压气机的流路设计两发动机的核心流路对比简图如图2所示,对比分析两流路主要有以下特点:(1)双转子的增压级流路显著高于三转子的中压压气机流路。为提高燃油经济性,大涵道比涡扇发动机的发展趋势是尽可能地提高内涵气流的压力比和温度比以实现更高的热效率;同时拥有更高的剩余能量来驱动更大尺寸的低压转子,以实现更高的涵道比以获得更高的推进效率。对于双转子布局而言,由于增压级与低压转子一起旋转其转速很低,因此抬高增压级的流路半径可以获得更高的线速度,有助于提升做功能力。但是从对比结果看,尽管GEnx的增压级流路半径已经被抬高至与低压涡轮相近,但其平均线速度也只有Trent1000的65%,其压缩能力仍较为有限。(2)双转子高/低压转接流路弯曲得更厉害。由于增压级流路较高与高压压气机进口形成了较大的落差,为了实现流路的连接并且保证气流不发生分离,在此处采用一个较长较大的转接流路;同样的高、低压涡轮之间也存在同样的问题。三转子布局由于中压转子转速比低压转子转速高很多,因此其流路半径较低,再加上中压压气采用了近似等内径的流路,最末两级又进一步降低流路半径,所以其风扇后和高压前两处转接流路过渡更缓和。尽管三转子布局多一个中压涡轮,叶片机之间的过渡流路较双转子布局多一个,但是其过渡流路总轴向长度与双转子的过渡流路轴向长度基本一致,这样更大的落差就使双转子的流路显得弯曲的更剧烈。(3)高压压气机1级动叶轮毂比很低。GEnx发动机的高压压气机采用了近似等外径的设计,可以在强度允许的范围内使每级叶片的线速度均较高以获得高的压缩能力;同时尽管增压级的流路半径较大,但是受限于低压转子的转速其增压能力仍有限,因此高压压气机进口空气的体积流量依然很大,所以高压1级的轮毂比就显著低于三转子发动机的中压压气机1级和高压压气机的1级。这样的流路设计给结构设计留出的空间十分狭小,这不仅对于1级转子的结构强度设计提出了较高的要求,而且也给高压前轴颈、轴承和密封等结构的设计带来了较高的难度。(4)两低压系统的流路设计十分接近。无论是双转子还是三转子,其低压系统的流路设计都采用了单级大风扇和多级大直径的低压涡轮,整个流路呈哑铃形,这使得低压涡轮重量和体积增加,通常占到发动机的20%以上。原因是这两种布局都没有克服风扇和低压涡轮对于最适宜转速的矛盾;风扇设计需要低转速以实现高效率、大流量、低噪声,而低压涡轮设计希望高转速以获得较少的级数、紧凑的结构和更高的效率。这个矛盾唯有通过取消这两个部件转速相等的限制来实现,齿轮传动风扇是方式之一。2.2entxwb常见系统由于多了一个转子,Trent1000在转子支承上采用了4个承力机匣,除了涡轮后机匣之外,其余3个机匣与双转子的GEnx发动机相比都有独特之处。(1)风扇机匣:与带增压级的双转子发动机相比,三转子发动机的风扇机匣紧贴在风扇转子之后,为了拉开风扇转/静子的轴向间隙以降低噪声,最近10年新设计的Trent系列发动机都采用了向后倾斜的风扇出口叶栅。这样的结构特点也使得在飞/发之间采用风扇机匣作为主安装点时可以方便的将风扇转子的载荷经过风扇机匣直接传递给机翼挂架,此结构设计在Trent1000之后RR公司研制的TrentXWB中得到了应用(TrentXWB将风扇后的轴承改为大直径的球轴承)。(2)中介机匣:Trent1000的中介机匣位于中压和高压压气机之间,如图3所示。除了TrentXWB之外其余型号的中介机匣内部都集中了3个转子的止推轴承,同时又涉及到3个转子之间的滑油供油、空气系统和机械功率输出等功能。GEnx的中介机匣的结构与CFM56等发动机的中介机匣基本一致而且由于流路设计上高压压气机前S弯流路较长,给结构设计提供了较充裕的空间。无论从设计空间还是从功能需求看三转子发动机的中介机匣都较双转子的更难设计,但是三转子布局也使一些独特的设计成为可能。Trent1000为了应对波音787客机采用全电功率提取之后的显著增加的机械功率提取需求(达到单台发动机提取功率500kW一级),采用了可变机械功率提取位置的设计,即在起动阶段由起动机通过机械系统直接带动高压转子,在巡航状态下改由中压转子负责机械功率输出。这种方案不仅可以使巡航状态下高压转子的负荷可以保持在高效率区间内,还可以降低在地面滑行状态下发动机的油耗。(3)高/中压涡轮间承力框架:Trent1000的涡轮间承力框架布置于高/中压涡轮之间,如图4所示,与GEnx发动机布置在高/低压涡轮之间的承力框架相比,其温度负荷和环境压力都要高很多,因此其空气系统封严以及热防护设计难度更大。不仅如此,由于Trent1000的高/中压涡轮间承力机匣的流道内支板集成了中压涡轮导向叶片功能,所以其设计难度比GEnx更大。从以上分析可以看出,三转子的Trent1000不仅比双转子布局的GEnx多出了一个承力机匣,而且其中介机匣和高中压涡轮间承力框架的设计难度要更高;但是通过从1970年开始的RB211系列发动机和Trent系列发动机的不断积累,这种设计也可以做到十分成熟可靠。2.3转子支点的位置转子数目的不同带来的最直接的差异就是转子支撑结构设计,两发动机的转子支撑结构对比简图见图5。(1)双转子的低压涡轮轴支点跨距较大。通过图5中的各个转子支点的大致跨距可以看出,Trent的三个转子的转子支点布置的比较均匀,尤其是细长的中压涡轮轴和低压涡轮轴两侧的支点跨距均比GEnx的相同位置值小,即使是考虑到涡轮轴直径的因素,也还是双转子的低压涡轮轴的长径比更大。这在涡轮轴的加工方面和在机动载荷作用下低压涡轮轴的变形控制方面都带来了难度。为了应对后一种因素,可以采用将低压涡轮的后支点布置在低压涡轮轴与低压涡轮转子组合件的重心附近,从而降低机动载荷产生的弯矩,从图2中可以看出GEnx的5号轴承位置的选定应该有这样的考虑。(2)三转子的高压转子十分紧凑。从图5中不难看出,三转子的高压转子支点跨距很小,整个转子级数较少,十分紧凑,重量轻转动惯量和气动负荷小。对于转速最高的高压转子而言,简单紧凑的转子不仅对于其转子动力学设计有好处,对于防止由机动飞行载荷带来的或由推力造成的核心机机匣弯曲变形造成的高压压气机叶尖碰磨也有益处,对于发动机的起动也有一定优势。3转子优化设计通过归纳上述对比分析的结果可以看出三转子布局相对于双转子布局具有以下几方面的特点:(1)通过引入转速介于低压和高压之间的中压转子,缓解了增压级增压能力与低压转子转速之间的矛盾;这使得在压缩部件方面三转子的中/