2014年05月21日

近50年中大涵道比涡扇发动机风扇叶片的变迁从TF39到GE9X

  1970年JT9D(用于B747,1970年2月投入使用)与TF39(用于C-5A,1970年6月投入使用)先后投入使用,到将于2020投入使用的GE9X(用于B777X),由发动机投入使用时间看,正好是50年。这50年中,大涵道比涡扇发动机的发展,令人眼花缭乱,其中风扇叶片的变化,属于变化最大的构件之一。

  TF39是世界上第1型大涵道比涡轮风扇发动机,也是唯一的将增压压气机装在风扇前的发动机,于1964年进行了首次试车(用于B747的JT9D于1966年12月首次试车)。

  TF39是在J79的基础上衍生发展的,是将J79的压气机第1级去掉作为核心机,其前端装上1级风扇,风扇前再装1级增压压气机,称之为1级风扇(图1),由6级低压涡轮驱动。

  将增压压气机置于风扇前,是TF39独特的设计,其它所有的大涵道比涡轮风扇发动机增压压气机均设在风扇之后。图2示出TF39前视图,清晣可见风扇前的增压压气机,围绕增压压气机叶片的叶片是风扇进口导叶。

  由图1可见,将外涵气流与内涵气流分开的分流环尖部距风扇叶片叶根较近,说明由风扇叶片流出的空气大部分流入外涵道,仅少量的空气流入内涵道即进入核心机,其涵道比为8,不仅是当时(上世纪6、70年代)是最高的,而且在其后20多年中始终维持最高的纪录,直到1995年才被GE90(涵道比为9)超过。

  除TF39外,其它的大涵道比涡轮风扇发动机中,增压压气机均装在风扇叶片后,将风扇后的空气进一步增压然后流入核心机的。在TF39中,经过前置增压压气机增压后的空气,仅一部分流入核心机,另一部分流入外涵。

  其它大涵道比涡扇发动机中,风扇前均无进口导向叶片,在TF39中,由于风扇前有增压压气机及包容气流通道的环罩,其后有增压压气机出口导向叶片,带出口导向叶片的罩环通过36个叶片与风扇机匣相连,这36个叶片成为风扇外部的进口导向叶片。

  风扇叶片薄而长,又处于发动机进口处,在设计中需解决2大问题,一是叶片振动问题,二是抗外物特别是飞乌撞击的问题,在大涵道比涡扇发动机发展初期很长一段时间中,基本上是在叶身距叶尖三分之一附近处,增加一个凸肩(个别的有2个凸肩),如图1、2所示。个别发动机中将风扇叶片做成带冠的,如图3所示。

  世界上最初投入使用的JT9D风扇叶片采用了展弦比为4.6的窄弦设计,叶身上做有2个凸肩(图1),到了JT9D-7R4,将展弦比减小成3.8后,叶身上只做一个较大的凸肩(图2),其它发动机均只带一个凸肩。

  在带1个凸肩的风扇叶片中,两侧的凸肩端面分别与相邻叶片的凸肩端面相抵住形成一整环,如图4中左图所示。

  这样,叶片由无凸肩的一端夹紧变为两端夹持,增加了刚性,提高了自振频率;另一方面,一旦叶片振动起来,相邻的凸肩端面间相互干摩擦,吸收振动能量,达到减振的目的。

  由于凸肩端面在工作中会与相邻叶片凸肩相互高速摩擦,为此,需在凸肩端面上喷涂耐磨涂层,一般是用等离子喷涂史太里特硬质合金。风扇叶片带凸肩形成整环后,增加了抗外物特别是鸟的撞击能力。

  风扇叶片釆用叶身凸肩后会带来一些问题。首先,带凸肩后,叶片加工变得困难得多;其次,凸肩不仅增加了叶片质量,使叶根处承受的应力增加很多,而且在凸肩与叶身转接处,凸肩对叶身还作用一个附加的弯矩,使该处应力状况变为复杂。

  更重要的是,凸肩对风扇的性能影响较大,因为气流流过凸肩时,在其后会产生紊流区,不仅缩小了有效的气流通道面积,而且使压力损失加大,图5示出了其示意图。这会使风扇效率降低,直接使发动机耗油率上升,还会使风扇的喘振裕度变小。

  因此,自从带凸肩的长风扇叶片出现后,就开始想采取措施来取消它,但困难很大,只是到了上世纪80年代初期,才取得初步成效。

  如果将风扇叶片由大展弦比改成小展弦比后,叶片变宽,当然厚度也会相应增加,这样就变成又宽又厚的叶片,振动与抗外物打击的问题当然就会迎刃而解。但是又宽又厚的叶片质量会大辐增加,叶片的榫根与轮盘的强度受不了,在大涵道比涡扇发动机发展的前10-20年过程中,罗罗公司首先解决了降低宽弦风扇叶片质量的问题。

  对于小尺寸的大涵道比涡扇发动机而言,风扇尺寸小,质量轻,可釆用实心的宽弦叶片,例如CFM56-7B、BR715等。

  叶冠是涡轮工作叶片常用的设计,但在F101与CFM56-2发动机的风扇叶片上采用了,它们的叶冠上还做有2道封严齿。采用带冠的风扇叶片,不仅可以解决叶片的振动问题,而且可以减少叶尖间隙处的漏气损失,提高风扇效率。但是叶冠不仅增加榫根处的载荷,而且在叶冠与叶尖交界处还存在较大的弯曲应力。

  为此,采用带冠叶片时,需加大叶栅稠度,以增加叶片数,缩小叶冠周向尺寸,降低叶冠质量,例如,CFM56-3(风扇叶片不带冠)风扇叶片数为36片,而CFM56-2的风扇叶片却多达46片。

  带冠的风扇叶片不被采用的主要原因不仅在于前述的叶片强度问题,还在于抗外物打击的能力不如采用中间减振凸肩的好,因此风扇叶片带冠的设计沒有得到推广。

  上世纪80年代初期, 罗罗公司发展了一种带蜂窝的夹层结构宽弦风扇叶片,如图6所示。这种叶片由两片经过化学铣削成型的钛合金面板,夹上由钛合金蜂窝制成的芯板,在高温炉中经过扩散连接处理将三者连接成一体,然后在模中扭转成最终型面。

  这种风扇叶片既具有较好的抗振,抗外物打击的能力,质量又轻,首先用于RB211-535E4发动机,该发动机于1984年10月装在B757飞机上投入使用。随后,V2500等发动机的风扇叶片也采用了这种设计。

  RB211-535E4采用的宽弦无凸肩风扇叶片,由于取消了凸肩,使风扇性能有明显的改善,在巡航条件下,风扇转子的绝热效率可提高2%~4%,风扇轮毂处的效率也提高2%~4%,喘振裕度也得到改善。由于风扇效率的提高,发动机耗油率可降低4%以上。

  罗罗公司是最初解决取消风扇凸肩的公司,但是也花费了14年時间,而普惠与GE公司,直至1995年才将没有风扇凸肩的发动机投入使用,花费了近25年时间,可见要取消风扇叶片上的凸肩,是多么难的工作。

  1990年年初,波音公司提出在5年中研制一款新型双发、双道通、能执行任何航线飞机的需要,要求研制出推力特大(370-450kN,当时发动机最大推力为275kN)与可靠性极高的发动机。

  三大发动机公司均为B777提供了发动机,即普惠公司的PW4084、GE公司的GE90与罗罗公司的遄达800,这三型发动机最大特点之一就是釆用了宽弦风扇叶片,但为了减轻风扇叶片质量,三公司采取了不同的措施。

  罗.罗公司是在RB211-535E4风扇叶片的基础上,发展了它的第2代空心宽弦风扇叶片,它的叶型剖面示于图7中。这种称之为DB/SPF(扩散连接/超塑性成型)的叶片的外型仍然由钛合金的两面板组成,但两面板间不是夹有蜂窝芯板,而是由薄片形成的桁架与面板连接组成了一种质量轻且承力特性好的结构。

  它的制造过程示于图8中,首先将2个面板与中间组成桁架的薄板,装在扩散连接的夹具中,将中间薄板分别在不同的与两表板连接起来,然后将它置于加热的阴模中,使3层板均处于超塑性状态,在面板间通以高压惰性气体,于是两面板在气体压力作用下压向阴模槽中,形成叶型,而中间薄板则被拉成桁架形式。

  这种叶片由于中间薄板参与受力,因此,面板可以作得薄些,其质量比带蜂窝芯的叶片轻1/3。遄达800是第2型用此种叶片的发动机,这种叶片最初用于遄达700(A330飞机用),罗罗公司的后续产品如遄达900(用于A380)、遄达1000(用于B787)与遄达XWB(用于A350XWB)均釆用这种叶片。

  普惠公司的风扇叶片是用钛合金做成空心的。它也是用两个面板用扩散连接法连接起来的,在两面板的内侧,先铣出一些纵向槽,形成空穴如图9(C)所示。这种叶片与罗罗的叶片相比,显然结构要简单得多,当然,其质量也最重, 用于F-22的F119发动机也釆用了这种结构的风扇叶片。图9示出了三种钛合金空心风扇叶片的结构简图,a、b为罗罗的产品,c为普惠的产品。

  GE公司的GE90发动机,其风扇叶尖直径是当时最大的,达3.142m, 叶片高达1.22m,叶尖处的弦长0.53m,榫头宽0.305m。这么大的叶片,如采用钛合金制,即使做成空心的,其质量也将很大,榫头处的强度也难解决,而且发动机的质量也将很大,,于是GE公司决定用复合材料来做叶片。

  用于B777的三种发动机风扇叶片,采用了不同减轻叶片质量的措施,从表1可见,罗.罗公司的DB/SPF叶片最轻,复合材料的叶片次之,普.惠公司的叶片最重。