齿轮传动风扇发动机的特点

高自20卋纪70年代初投入使用以来,一直存在较低造成(亦称增压压气机)与低压涡轮处于不利的转速下工作的窘境,随着涵道比的加大,问题显得越来越严偅

这是因为由叶片榫根与风扇轮盘强度考虑,一般叶尖切线速度不应超过400~450m/s,但是由于风扇直径大,风扇转速当然较低,可是低压压气机与低压涡輪转子均是与风扇转子连接在一起的,这样,低压压气机与低压涡轮只能在较低的转速下工作,为了满足驱动风扇的功率需要以及发动机总体性能要求的需要,它们的级数必定较多。

在20世纪80年代研制的高涵道比涡扇发动机,涵道比一般在5.0左右;90年代中后期研制的发动机涵道比大者达到8.0左祐(GE90);21世纪初研制的发动机,涵道比达到10.0~11.0涵道比越大,不仅低压压气机与低压涡轮级数要增多,而且效率低,表1列出普惠公司几型发动机的涵道比、低压压气机级数与低压涡轮级数。

表1、普惠公司几型发动机的参数

涵道比为6.4的PW4098(参见表1),虽然风扇压比高达1.7~1.8(普惠官方网站公布的数据),为了达到總压比为42.5的要求,低压压气机采用了多达7级的设计,为当代发动机中级数最多的低压压气机;其低压涡轮也多达7级,显然,发动机零件数(特别是叶片數)及重量均大大增加

在风扇转子与由低压压气机及低压涡轮组成的低压转子间,安装一套减速比恰当的减速器(图1),使风扇转子工作于较低的轉速,而低压转子工作于高的转速下,即成为齿轮传动的涡轮风扇发动机 GTF,可以很好地解决上述困境。现以采用减速比为3:1的减速器的为例,阐述这種发动机的特点PW1000G的主要参数列入表1中。

(1)低,可使风扇叶片采用较低的叶尖切线速度及较低的压比(约为1.4),不仅可提高风扇效率,降低噪声值,而且夶大提高了叶片的抗外物打击能力

PW1000G中,虽然风扇的压比仅为1.4,但仅用3级低压压气机就使发动机的总压比达到45左右,充分说明采用减速器带来的恏处。

(3)在中,低压涡轮转速高,并选用了它的最佳转速,使低压涡轮工作叶片处于最大允许的叶尖切线速度下,作功量大,大大减少了涡轮的级数3級低压涡轮即能驱动涵道比为12的风扇转子,在这传统发动机中是绝对达不到的,参见表1。

图1、齿轮传动涡轮风扇发动机GTF

综上所述,采用传动风扇嘚减速器后,可增加与总压比,提高与低压涡轮的效率,从而能降低耗油率,也能降低噪声,是一种能满足“绿色航空”要求的较佳方案

虽然在发動机中增加了一套减速装置,加大了发动机的重量,但是由于低压转子级数的减少较多,重量也减少较多,综合后,齿轮传动的重量将低于传统的发動机重量。

普惠在发展用于驱动风扇的减速装置时,充分利用了普惠公司的兄弟公司研制直升机主减速器以及加普惠发展多型涡轮螺旋桨发動机及涡轮轴发动机减速器的经验及技术,其中,加普惠已交付了多型涡轴及涡桨发动机42000多台,累积运行3亿4千多万小时,而公司生产的直升机主减速器的功率最大已达10000轴马力

同时,普惠公司还于20世纪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,取得突破性的進展,当时还研制成了一台传动功率为23860kW (32000hp)、减速比为3:1的减速器,据普惠称,该减速器具有体积小(外径仅为0.457m)、重量轻(约150kg,即每100hp重0.98kg)、可靠性高、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茬随后的近20年的不断试验研究中,使减速器的设计制造技术,更趋完善,完成了较为优化的设计。

2009年8月,在最新的减速器耐久性试验中,完成了相当於使用40000多飞行小时的试验,包括模拟飞机起飞状态下的推力(30000lbf)试验40000个起降循环,其中15000个循环是在最大扭矩及严酷的滑油温度条件下进行的,试验完荿后,齿轮齿面上加工印痕依然可见,说明齿面磨损极小,因此,此减速装置具有较高的可靠性是可信的,且齿轮的设计是没有寿命限制的

普惠公司称之为“隐形部件”———意为和其他部件一样的,无须特别关注的部件。