图1、遄达800风扇叶片采用的SPF/DB制造的空心夹层叶片

(3)复合材料的风扇叶片。GE公司则采用了复合材料来做叶片。整个叶片(包括叶根)用IM7中长碳纤维与增强的8551 7环氧树脂组成的称为“大力神”85517/IM7复合材料制成。

在叶身的压力面上,涂有聚氨酯防腐蚀涂层,叶背上涂有一般的聚氨酯涂层。为提高叶片抗大鸟撞击的能力,将钛合金薄片用3M@F191胶粘在叶片前、后缘与叶尖处。

表3、三种型号发动机风扇叶片参数比较

复合材料制作的风扇叶片抗鸟撞击能力不如钛合金叶片,为此,选用了较低的叶尖切线速度 U(371m/s),相应的压比也小(1.52),因为外来物打击在叶片上的撞击能量是与切线速度U的平方成正比的。另外,采用小的切线速度 U,对叶片的抗腐蚀能力也有好处,因为腐蚀率与切线速度 U的3次方成正比。表3列出了三种型号风扇叶片的特性参数。

复合材料的风扇叶片具有:重量轻、成本低、抗振性能特别是抗颤振性能好以及特别好的损伤害限能力等特点。

图2、三种空心风扇叶片结构

3.1.2 包容环

考虑到风扇处于发动机进口端,外来物,特别是大鸟、轮胎碎片等易被发动机吸入后撞击到风扇叶片,叶片有可能折断,断片如击穿机匣会对飞机的飞行安全带来严重危害,因此,航空发动机除了要具有良好的性能外,还要具有很好的包容能力。即不能让风扇叶片断裂后的碎片击穿机匣。该机匣被命名为包容环。

为波音777研制的三型发动机,其包容环基本采用相同的结构,如图3所示。即在铝制的机匣外壁面上缠以几十层用 Kevlar织成的条带,条带外面再包以环氧树脂。

铝机匣主要用于保持一定圆度的环腔,为此,在其外表面纵横铣出许多减重的槽道。这种包容环包容能力强,厚度虽很大,但由于主要是由复合材料制作，因此重量很轻已被许多新发动机采用。

图3、用 Kevlar帜带缠绕的包容环

3.2 高压压气机

GE90发动机的高压压气机共10级,增压比为23,平均级压比为1.368,是当时已投入使用的民用发动机中最高者,因此,它的叶尖切线速度也最大,达到455m/s且采用了小的展弦比(1.49)参见表4。

它是将 GE公司的E3高压压气机按流量放大1.73倍而发展来的。E3高压压气机经过150h部件试验与109h整台发动机试验,表明它有高的效率(0.86),好的启动性能,过渡状态下不会喘振,设计转速下的喘振裕度为19%。

GE90除直接采用 E3的气动设计外,还在后几级采用主动间隙控制技术以及减小级间静子叶片内环与转子鼓环间的容腔,以减小气流回流损失(遄达发动机也采用了后一设计),因此,其性能还优于E3。

表4、四种型号发动机高压压气机参数

3.2.1 整环机匣

PW4084高压压气机与其他高涵道比涡扇发动机一样,在后几级处采用了双层机匣,外机匣作为承力构件,内机匣作为气流通道的包容涵道,但是不同的是,其内机匣做成整环结构(外机匣仍是作为对分的),以保持其圆度,使叶尖间隙均匀,特别在工况变化时仍能保持均匀的间隙,改善压气机性能。

当然,这么做,给压气机的装配带来困难,为此,沿轴线方向做成多段(一级一段),通过安装边用短螺栓连接,同时,在机匣内相对工作叶片时叶尖处还装有一整圈的外罩环,扇形段的静子叶片则卡在相邻的两罩环间。

这种整环设计,虽然使结构设计变复杂、重量加大但对压气机工作性能带来较大好处,因此PW4084的原型机PW4000也在1996年的改进计划中采用。这种结构最先用于V2500发动机。目前,宝马—罗·罗公司的BR715发动机上也采用了这一设计。

3.2.2 弯曲的静叶

PW4084高压压气机静子叶片做成沿径向不是呈直线形而是弯曲的,如图4所示,这种称之为 NSATAR的弯曲设计,能缩小上下端壁处的分离区,因此,可减小气动损失。

图4、PW4084采用的弯曲静子叶片与常规叶片气动损失的比较

3.2.3 静叶不对称安排

PW4084在发展过程中,曾出现过高压压气机第1级工作叶片由于振动应力过大而断裂的故障,在改进中,除对工作叶片叶型做了适当修改外,还将其前(1排)、后(3排)的静叶在上下机匣中不对称地安装,叶片安装数见表5。这种不对称安装静叶后,使工作叶片上的应力平均降低了30%。

表5、PW4084高压压气机静子叶片安装数

3.3 燃烧室

3.3.1 浮壁式火焰筒

PW4084燃烧室中采用浮壁式的火焰筒,如图5所示,这种结构沿用了V2500双层结构,火焰筒内层做成瓦片状,其上钻有多个小孔,通过几个焊接螺栓固定于整体结构的外层上,两层之间留有一定缝隙,以便二股空气流过。据普惠公司称,这种火焰筒的寿命比PW4000的高2倍。

3.3.2 双环腔与多孔铸造火焰筒的燃烧室

GE90采用了一种全新结构的燃烧室,如图6所示,头部做成双环腔,每个环腔中均有30个喷嘴,低工况时,仅外环腔供油,高工况时,双环腔全部供油,喷嘴的开关由FADEC根据推力、飞机飞行状态来控制,具体供油方式为:启动40个喷嘴,慢车30个喷嘴,起飞、巡航60个喷嘴,空中慢车40个喷嘴,着陆30个喷嘴。

采用双环腔头部主要是为了减少发动机的有害排放物,且能改善发动机的启动性能与空中再次点火能力。

图5、 PW4084浮壁式火焰筒

另外,GE90火焰筒是铸造的,这可能是铸造方法第1次在火焰筒中的应用,它采用了GTD222材料,这种材料是GE公司燃气轮机部为 MS7000燃机第1级涡轮导向叶片发展的材料,具有较好的焊接性与成形性,火焰筒上没有采用常见的气膜冷却环结构,而是用激光钻出不同角度的多个斜孔,如图7所示,二股空气通过这些斜孔流入火焰筒内部时,对火焰筒起到非常有效的冷却,冷却效率高达90%,而一般气股冷却的冷却效率约为70%,使用于冷却火焰筒的空气量减少40%,也使燃烧室出口温度较为均匀,燃烧室长度也可缩短。GE90在与其推力相当的发动机中,燃烧室最短。

图6、GE90双环腔燃烧室

图7、 GE90钻斜孔的铸造火焰筒

这种多孔火焰筒据称已在 GE公司先进军用发动机F414中采用。返回搜狐，查看更多