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中途夭折的齿轮传动风扇发动机 普惠PW8000陈光谈

作者:雾炮机    来源:未知    发布时间:2019-12-31 15:59    浏览量:

  美国普惠公司于1998年2月中公布了一项新型发动机的发展计划———齿轮传动风扇的PW8000高涵道比涡轮风扇发动机,它由单级风扇、3级增压压气机、5级高压压气机、1级高压涡轮和3级低压涡轮组成(见图1),低压涡轮首先驱动增压压气机,然后通过减速器传动风扇。

山东环保机械设备   在该发动机中,将采用一些新发展的技术,使它具有级数少、效率高、排污低、噪声低、直接使用费用低和维修成本低等特点。

  图1、PW8000发动机结构图

山东环保机械设备   PW8000发动机是为了发展一种比PW6000推力更大的发动机,以便参与波音737、A319和A321等系列客机市场的竞争。PW6000是普惠公司为120座级客机提出的研制型号,其风扇直径为1。4224m,涵道比为5。4,推力为68。00~100。00kN,它是A318客机的候选发动机。

  ?齿轮传动的风扇

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  当前,在推力大(大于70.00kN)的高涵道比涡扇发动机中,风扇均由低压涡轮直接驱动,一般在风扇转子后还装有3~5级增压压气机,以增加发动机的总压比及内涵的空气流量。

  这种设计具有固有的缺点即增压压气机、低压涡轮均未在它们的最佳转速下工作,使得发动机级数加多。

  这是因为在高涵道比涡轮风扇发动机中,风扇直径很大,使风扇转子工作于较低的转速下,由于风扇(加上增压压气机)是由低压涡轮直接驱动的,因而使增压压气机、低压涡轮的转速大大低于它们的最佳工作转速,因此为达到发动机总体的设计要求,只得增加增压压气机及低压涡轮的级数。

  在三转子发动机中,风扇、中压压气机和高压压气机均在最佳转速下工作,因而使它的级数比双转子发动机的少。如果在双转子发动机中,在低压涡轮、增压压气机与风扇间装一个减速器,首先使前二者工作于它们的最佳转速,然后通过减速器,将转速降低到风扇的最佳转速来驱动风扇工作,这样这三个部件均工作于最佳转速下,自然使级数减少。

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山东环保机械设备   但是在大型涡扇发动机中,目前尚未有采用减速器来传动风扇的设计,这是因为这种减速器需在高的输入转速(10000r/min左右)、高的传动功率(30000~40000kW以上)下安全、可靠地工作,在现有的技术条件下,是非常难做到的。

  目前仅有3~4种小型涡扇发动机(见表1)采用齿轮传动的风扇,且基本是在涡轴发动机的基础上改型而成的,也即在改型中出于无奈才不得不采用的。

  表1、齿轮传动风扇的涡扇发动机

  在齿轮传动风扇的发动机中,减速器工作于高转速、高负荷下,不仅体积与重量大,结构复杂,而且齿轮、支承齿轮的轴承均在恶劣条件下工作,因此是一个故障多发、可靠性差的部件,它大大地限制了这种结构在大发动机中的应用。

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  普惠公司于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,目前已取得突破性的进展,研制成了一台传动功率为23860kW (32000hp)、减速比约为3∶1(输入转速9160r/min,输出转速3250r/min)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640kg,即每100hp重0.98kg)、可靠性高和传动效率高达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。这种减速器已被PW8000选用作为传动它的风扇的减速器,使PW8000成为大推力级发动机中第1种采用齿轮传动风扇的高涵道比发动机。

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  该减速器已通过了一千余小时的部件试验,并在发动机上进行了1000h全尺寸试车,另外还在发动机上,对传动功率比PW8000的大25%即29850kW(40000hp)的减速器进行了一百余小时的试车,为PW8000的研制、开发打下了好的基础。

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山东环保机械设备   PW8000风扇直径为1.930~2.006m,有20片展弦比为2.2、无中间突肩的实心宽弦叶片,由于风扇工作于较低的转速下,叶尖处的周向速度较低,为24m/s(PW4084

  为413.3m/s、遄达800为478.4m/s、GE90为376.3m/s),此速度较低,对减小噪声有利,但叶尖处对空气的做功不利。

  为此,普惠公司利用先进的计算机流体动力学 CFD对叶尖进行了处理,使它具有较先进的性能。风扇的包容环采用了目前大型发动机中广泛采用的、在铝制带格栅的环形机匣上缠绕多层由Kevlar织成的条带的设计(在 PW6000中未采用此种设计)。

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