陈光/文
3 发动机设计特点 3.1 转子支承方案
GE90为双转子高涵道比涡扇发动机,由单级宽弦风扇、3级增压压气机、10级高压压气机、头部为双环腔的全环形燃烧室、2级高压涡轮、6级低压涡轮组成。两个转子共用5个支点支承在3个承力框架上:低压转子有3个支点,即风扇转子用2个支点悬臂支承(支点在风扇盘后),2个轴承装在中介机匣上;低压涡轮转子在位于第4级轮盘后的短轴上有1个支点,其轴承装在涡轮后轴承机匣中。
低压涡轮轴插入风扇轴中,作为低压涡轮的前支点。高压转子用2个支点、3个轴承支承:高压压气机前支点采用滚珠/滚棒双轴承并列结构,滚珠轴承装在弹性支座中,滚棒轴承装在刚性较强的弹性支座上如图3所示,这是采用了 CF680C2、CFM56 5的设计(参见“CF680C2发动机结构设计分析”),此2轴承均固定在中介机匣上;
高压涡轮后支点采用滚棒轴承,支承在高、低压涡轮间的承力框架上,类似于CF6 50系列的结构。
图3、采用滚珠、滚棒轴承并列结构的GE90高压压气机前支点
3.2 风 扇
3.2.1 复合材料的风扇叶片
GE90风扇的直径是目前最大者,为3.1242m,共22片叶片,每片叶片高1.2192m,采
用了宽弦无凸肩的设计,叶尖弦长0.5334m,榫头宽0.304m。风扇采用了小增压比(约1.52)、低叶尖切线速度(371m/s)的设计。采用低的叶尖切线速度有助于获得较好的抗鸟撞击能力与低的噪声值。最大爬升速度下的空气流量为1450kg/s。
由于叶片很长,若采用金属材料,即使是空心的,叶片也会很重,叶片榫根处以及轮盘强度问题也难以解决。为此,GE公司利用了它为 GE36“无涵道风扇”UDF(见图4)发展的复合材料宽弦风扇叶片的经验,在 GE90上采用了复合材料风扇叶片。GE90风扇叶片的高度与弦长仅比 GE36的稍大些。
图4、GE公司的“无涵道风扇”发动机
风扇叶片的叶身与叶根用IM7中长碳纤维与增强的85517环氧树脂组成的称为“大力神”8551 7/IM7复合材料制成一体。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3MRAF191胶粘在叶片前缘上。为避免工作中复合材料脱层,在叶尖与后缘处用 Kevlar细线进行了缝合,如图5所示。
图5、GE90 复合材料的风扇叶片
用复合材料做成的风扇叶片具有以下特点:重量轻、成本低、抗振性能特别是抗颤振性能特好,具有特别好的损伤容限能力。一般钛合金叶片如在根部出现裂纹,在工作中裂纹将很快地扩展,影响叶片的正常工作。但复合材料做的叶片,即使出现大的缺口,也不会扩展。
复合材料的风扇叶片抗大鸟撞击能力不如钛合金的好,为此风扇设计成小的叶尖切线速度(371m/s),相应的压比也小。据分析,外物打在叶片上的撞击能量与叶尖切线速度的二次方成正比。另外,复合材料叶片受到外物撞击时在弹性变形下,能将撞击能量吸收并在叶身上重新分布,使它仍然具有能承受较大的外物击伤能力。
GE90的风扇叶片根部为三角形的燕尾型榫头,榫头承受压力的表面上涂有低摩擦系数的耐磨材料。叶片允许在榫槽中偏摆一定的角度,当叶片受到外物打击时,能按作用力方向偏摆,减缓了对叶片的冲击。允许的偏摆角度设计成能承受相邻的从根部断裂的叶片断片对它的撞击。
由于具有了以上这些特点,使 GE90的复合材料风扇叶片也具有能承受大的外来物(例如3.63kg的大鸟)撞击的能力。GE90的复合材料风扇叶片还设计成当从叶根断裂被甩出撞到包容环上时,在径向冲击的压缩负荷作用下容易碎裂变成几块碎片。这种设计对包容环特别有利,另外也会减弱碎块对其他叶片造成的损伤程度。
英国罗·罗公司于20世纪60年代末研制 RB211时,风扇叶片曾采用复合材料;但是这种叶片没有通过抗鸟打击的考核,最后不得不改用钛合金。为此,给人们留下了风扇叶片用复合材料做是不可靠的印象。
GE公司于20世纪60年代末期发展 TF39发动机,也曾将碳素纤维与树脂合成的复合材料用于风扇叶片,也是由于未能通过吞入0.68kg的鸟试验而失败。GE公司在此之后一直未曾间断对复合材料的应用研究工作,并先后在F103(风扇叶片)、QC-SEE(风扇叶片)等发动机上采用,特别是装有复合材料风扇叶片的 UDF在地面台架和飞行试车台上进行了超过700h的试验.并通过了吞入3.63kg大鸟的试验,所有这些为在 GE90上采用复合材料的风扇叶片打下了坚实的基础。但是,GE公司为了确保发动机研制计划的顺
利进行,除了开展大量的吸鸟实验以发展一种真正能为适航当局批准投入航线使用的复合材料叶片外,其合作伙伴———法国SNECMA公司还同时在发展一种备用的钛合金风扇叶片。
复合材料另一被认为有碍它发展的问题是腐蚀问题;对此 GE公司做了认真分析,并采取措施来提高复合材料叶片抗腐蚀的性能,取得了较好的结果。例如在叶片上涂聚氨酯防腐涂层,采用较小的叶尖切线速度。
因为腐蚀率与叶尖切线速度的三次方成正比,与其他高切线速度的风扇叶片相比,腐蚀率约低50%,因而不仅能防止多种物质(水、燃油、滑油、防冰剂、丁酮和液压油等)的腐蚀,且叶身被这些物质造成的磨损也较小。涂层工作寿命大于10000h(不可再涂)。
涂聚氨酯的具体做法是:在叶片表面上先涂0.10mm厚的 AF32腈类酚醛底层,然后涂上0.05mm厚的环氧树脂类的黏合剂,最后再涂上0.4572mm厚的聚氨酯。这种涂层的性能在缩型的复合材料风扇叶片装于 CFM56 3上进行的吞水试验中得到验证。试验是在起飞状态下进行的,吞水量为空气流量的4%,试验70min,试验后叶片无腐蚀迹象。
GE90复合材料风扇叶片开始采用小鸟(重113g)作吸鸟实验,1991年4月通过了吸入1.81kg大鸟的试验,随后于1991年5月20日又通过了重3.62kg的模拟大鸟的吞入试验。试验后,叶片稍有损伤,但证明这种复合材料风扇叶片能满足 FAR33部中关于在吸入1.81kg大鸟后发动机仍能安全停车的要求。因此,1991年10月,停止了GE90备用钛合金风扇叶片的发展工作。GE90的复合材料风扇叶片通过多种试验,并按试验结果做了一些修改,于1994年11月4日通过了在发动机上吞入3.632kg大鸟的考核试车。装复合材料风扇叶片的GE90发动机于1995年2月2日取得了FAA颁发的适航证。
投入使用6年后(230万发动机飞行小时),风扇叶片经历了30多次吸鸟事件,其中包括一次重量达1.362kg以上的鸟,而发动机仍可正常工作。至2005年,经过近10年的使用考验,证明 GE90的复合材料风扇叶片的设计是成功的,因此 GE公司为波音787研制的 GEnx发动机上,也采用了复合材料的风扇叶片。
