|陈光谈航发237：燃烧室简介、涡轮和总体结构简介

陈光/文
燃烧室简介——双环腔燃烧室
为了降低燃烧室的排污,GE90采用了双环腔燃烧室,如图10所示。发动机启动———慢车状态只向外环腔供油,此时在外环腔中的油/空气比高,气流速度低,燃烧维持时间长,能降低CO、HC排放值,且使启动快、高空点火容易、不易熄火。
在其他状态向两个环腔同时供油,油/空气比低,气流速度高,燃烧维持时间短,使得NOx及烟量低。这种双环腔燃烧室还用于CFM56低污染发动机上。

图10、双环腔燃烧室(GE90)
分级燃烧室
宝马罗·罗公司与普惠公司则采用了前后排列的分级燃烧室来解决污染问题。图11示出宝马于BR715低污染改型发动机中的分级燃烧室,它的NOx排放值将低于国际民航组织CAEPI70%。

图11、分级燃烧室结构图
多孔铸造与浮壁火焰筒
GE90发动机采用了由GTD222合金精密铸造的火焰筒,筒壁上用激光钻出无数小孔,孔与壁面间有不同的夹角,对火焰筒形成了发散冷却,冷却效果好,对燃烧也有利,因此火焰筒长度是同等推力级发动机中最短者。
普惠公司研制出浮壁式火焰筒。它是在火焰筒与燃烧的混合气相接触的筒壁上,铆焊上一段段的类似瓦片的衬块,衬块与筒壁间有一定缝隙流过冷却空气。这种结构改善了火焰筒筒壁的工作条件,延长了寿命,与燃气接触的衬块可以更换。它最初用于V2500,后来不仅用于民用发动机PW4084(波音777飞机用)上,而且也用于军用发动机F119上,是一种有使用前景的结构。
罗·罗公司为A340500/600研制的遄达500发动机中也采用了浮壁式火焰筒。
反转的高低压涡轮
在涡轮风扇发动机中,采用反转的高低压涡轮结构,能减少飞机作机动飞行时作用于机匣及飞机上的陀螺力矩,而且有可能取消低压涡轮导向器,参与F22竞争的两种发动机F119、YF120均采用了反向转动的涡轮结构,但F119仍然有低压涡轮导向器,YF120则无。
用于A380的遄达900的高压涡轮与中压涡轮转向相反,这是民用发动机中采用反转转子的首批发动机之一。随后,在为B787研制的GEnx与遄达1000发动机中,也采用了反转的设计。
复杂、高效的冷却高压涡轮叶片
为提高发动机性能,涡轮前燃气温度不断上升,例如在F119中已高达1850~1950K,这不仅需要采用更耐高温的第三代单晶材料,而且要采用冷却效果更好的冷却结构,图12示出的用于遄达800系列发动机中的高压涡轮工作叶片即为其代表。
在这种叶片上,叶身冷却通道分隔成五腔,冷却空气在这些空腔中折转;为增加冷却效果,腔壁上做有许多横向肋条。进入叶片内腔的冷却空气分高低压两路流入,低压空气由叶冠上开的小孔流出,并在两个叶冠上后部的斜向肋条组成的收敛通道中膨胀,回收一部分能量。
高压空气流过腔道后,由前缘与叶身及尾缘处的气膜孔流出,形成对叶片的气膜冷却。叶冠内也做有多排冷却槽道,对叶冠进行强制冷却。

图12、复杂结构的高压涡轮工作叶片结构图
导热系数低的热障涂层
在涡轮工作叶片表面喷涂热障涂层,可大大减少由燃气传给叶片材料的热量,也是一种提高涡轮前燃气温度的有效措施。目前美国研制的热障涂层材料已能满足IHPTET计划中第Ⅱ、Ⅲ阶段的要求。
总体结构
图13示出了用于第四代战斗机F22用的F119发动机简图。由图13中可以看出,高压转子后支点采用了中介支点,即高压涡轮后轴通过中介轴承支承于低压涡轮轴上,中介轴承的内环装于高压涡轮后轴上,外环装于固定在低压涡轮轴上的轴承座中。

图13第四代战斗机F22用发动机F119简图
高压转子后端通过中介支点支承于低压转子的总体布局,能减少1个承力框架与滑油腔,发动机长度也可减小,在GE公司的军、民用发动机(如F101、F110、F404和CFM56等)中采用较多;
但普惠公司以往的军、民用发动机(例如F100、JT9D、PW2037与PW4000等)中却从不采用,直到20世纪90年代后期才在PW8000(民用)与F119上采用。这一事实说明今后发动机中将会采用这种总体布局。
在高、低压涡轮反向转动的设计中,高压转子后支点采用中介轴承时,该轴承油腔的封严较为困难,须采用一些特殊措施防止滑油外泄。例如,采用浮动薄膜封严环,能降低热端部件处油腔的泄漏量60%。
新材料、新工艺在发动机中的应用
阻燃钛合金
高压压气机机匣一般不能采用钛合金,即使工作温度低于材料的许用温度。这是为了防止钛制工作叶片或其断片与钛机匣碰磨引起钛着火。
为此,一些国家积极研制不易燃烧的钛合金或称阻燃钛合金。研究表明,在钛合金中加入大于20%的钒与大于13%的铬,能阻止钛的燃烧且具有高的机械性能。
目前美国已成功地将命名为合金C(AloyC)的Ti35V15Cr用于制造FI19的高压压气机机匣、加力筒体及尾喷管鱼鳞片;英国正在研制价格低廉的Ti25V15Cr(2~3)Al的阻燃钛合金。
它是将合金中加入少量的铝,而减少昂贵的钒含量,据称它的成本约为合金C的l/4,估计很快能应用到发动机中;我国航空材料研究院参与了此项开发研究工作。