徐 雪

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所 預(yù)研總體部，沈陽 110015)

GEnx和Trent1000發(fā)動機(jī)流路與承力機(jī)匣對比分析

徐 雪

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所 預(yù)研總體部，沈陽 110015)

為了更好地了解大涵道比發(fā)動機(jī)的雙轉(zhuǎn)子布局和三轉(zhuǎn)子布局的設(shè)計特點，選取了波音787客機(jī)的兩款備選發(fā)動機(jī)GEnx和Trent1000作為對象開展對比分析。通過對兩款發(fā)動機(jī)的內(nèi)涵流路、承力機(jī)匣和轉(zhuǎn)子支承3方面的設(shè)計特點對比分析，發(fā)現(xiàn)通過引入中壓轉(zhuǎn)子使得三轉(zhuǎn)子布局的中壓和高壓轉(zhuǎn)子的葉片機(jī)都獲得了更有利的轉(zhuǎn)速與結(jié)構(gòu)尺寸；三轉(zhuǎn)子布局在承力機(jī)匣和中、低壓渦輪軸等結(jié)構(gòu)比雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的設(shè)計更復(fù)雜；兩種布局都無法解決風(fēng)扇和低壓渦輪最佳工作轉(zhuǎn)速的矛盾。

渦扇；流路；承力機(jī)匣；羅羅公司；通用電氣公司

雙轉(zhuǎn)子布局和三轉(zhuǎn)子布局是渦扇發(fā)動機(jī)常用的布局方式，兩種布局雖然都可以實現(xiàn)同樣的總體性能參數(shù)；但是由于其內(nèi)在設(shè)計思想迥然不同，在具體部件的設(shè)計上就體現(xiàn)出來了技術(shù)優(yōu)缺點。通過兩種布局形式的對比，不僅可以更好的了解兩者的技術(shù)特點，更重要的是從技術(shù)特點中總結(jié)出解決技術(shù)難題的不同思路。

目前，在世界航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，美國的通用電氣公司(GE)和普惠公司(PW)、英國的羅羅公司(RR)以及烏克蘭的進(jìn)步設(shè)計局在這兩種布局方式上都進(jìn)行了深入的研究與實踐，并取得了很高的技術(shù)水平，形成了許多成熟產(chǎn)品并取得了很大的市場成功[1]。在國內(nèi)，雖然我國渦扇發(fā)動機(jī)的設(shè)計研究起步較晚，但是隨著發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制工作的不斷開展，國內(nèi)對于雙轉(zhuǎn)子布局的研究已經(jīng)比較深入；而對于三轉(zhuǎn)子布局的研究多集中于對國外新產(chǎn)品、新技術(shù)介紹，但是對其設(shè)計思路和技術(shù)特點的研究并不深入，更缺乏設(shè)計實踐。本文旨在通過對采用兩種布局方案的成熟產(chǎn)品進(jìn)行對比，從核心氣流流路與承力機(jī)匣兩個角度分析兩種布局方案的具體設(shè)計特點，以期為這方面的方案設(shè)計提供一些參考。

1 對比機(jī)型的選擇及其基本參數(shù)

大推力量級民用航空發(fā)動機(jī)的市場競爭激烈，許多飛機(jī)產(chǎn)品都有上述世界3大航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)商所研制的貨架產(chǎn)品，以供航空公司根據(jù)自己的使用傳統(tǒng)、后續(xù)維護(hù)便利性以及成本等因素進(jìn)行選裝。這些為同一款飛機(jī)而設(shè)計的競爭性發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，由于其推力、耗油率、安裝結(jié)構(gòu)基本一致，比較適合做不同結(jié)構(gòu)布局的對比分析，其中比較典型的有波音777飛機(jī)所采用的“Trent800”、“GE90”和“PW4084”[2-3]，以及波音787所采用的“Trent1000”[4]和“GEnx”[5]發(fā)動機(jī)。本文選擇能夠代表目前不同布局最先進(jìn)技術(shù)的“Trent1000”和“GEnx”進(jìn)行對比分析，兩款發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)見表1[6]。

表1 Trent1000和GEnx的基本參數(shù)對比

注：葉片機(jī)各部件級表示為：風(fēng)扇級數(shù)+中壓壓氣機(jī)或增壓級的級數(shù)+高壓壓氣機(jī)級數(shù)/高壓渦輪級數(shù)+中壓渦輪級數(shù)+低壓渦輪級數(shù)。

2 兩種布局的技術(shù)特點分析

為了對兩款發(fā)動機(jī)的承力結(jié)構(gòu)布局有一個直觀的對比，將兩發(fā)動機(jī)的總體結(jié)構(gòu)圖沿其旋轉(zhuǎn)軸線各去掉一半后，采用相同比例上下拼合在一起形成結(jié)構(gòu)對比圖[7]，如圖1所示。根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]中一型三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)方案的設(shè)計研究結(jié)果(該發(fā)動機(jī)方案與Trent1000參數(shù)及尺寸基本一致)估計Trent1000的設(shè)計點風(fēng)扇轉(zhuǎn)速約為3 000 r/m、中壓轉(zhuǎn)速約為7 800 r/m、高壓轉(zhuǎn)速約為12 000 r/m。由于在一定的氣動設(shè)計水平和材料下，為了保證風(fēng)扇的高效率和低噪聲[8]，風(fēng)扇的葉尖線速度有一定的范圍，為了保證高壓壓氣機(jī)的壓縮能力和渦輪部件離心應(yīng)力水平(AN2值)，高壓轉(zhuǎn)子的最大葉尖的線速度也在一定的限制范圍內(nèi)；參考對于Trent1000轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估計以及GEnx 和Trent1000的轉(zhuǎn)子部件尺寸，估計GEnx的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速約為3 000 r/m、高壓轉(zhuǎn)速約為10 000 r/m。盡管這種估計的精度有限，但對于兩種布局結(jié)構(gòu)設(shè)計的理解也有重要的參考作用。

圖1 Trent1000和GEnx的承力結(jié)構(gòu)對比圖

2.1 核心流路設(shè)計對比

兩發(fā)動機(jī)的核心流路對比簡圖如圖2所示，對比分析兩流路主要有以下特點：

圖2 Trent1000和GEnx的流路對比簡圖

(1)雙轉(zhuǎn)子的增壓級流路顯著高于三轉(zhuǎn)子的中壓壓氣機(jī)流路。為提高燃油經(jīng)濟(jì)性，大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢是盡可能地提高內(nèi)涵氣流的壓力比和溫度比以實現(xiàn)更高的熱效率；同時擁有更高的剩余能量來驅(qū)動更大尺寸的低壓轉(zhuǎn)子，以實現(xiàn)更高的涵道比以獲得更高的推進(jìn)效率[9]。對于雙轉(zhuǎn)子布局而言，由于增壓級與低壓轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)其轉(zhuǎn)速很低，因此抬高增壓級的流路半徑可以獲得更高的線速度，有助于提升做功能力。但是從對比結(jié)果看，盡管GEnx的增壓級流路半徑已經(jīng)被抬高至與低壓渦輪相近，但其平均線速度也只有Trent1000的65%，其壓縮能力仍較為有限。

(2)雙轉(zhuǎn)子高/低壓轉(zhuǎn)接流路彎曲得更厲害。由于增壓級流路較高與高壓壓氣機(jī)進(jìn)口形成了較大的落差，為了實現(xiàn)流路的連接并且保證氣流不發(fā)生分離，在此處采用一個較長較大的轉(zhuǎn)接流路[10]；同樣的高、低壓渦輪之間也存在同樣的問題。三轉(zhuǎn)子布局由于中壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高很多，因此其流路半徑較低，再加上中壓壓氣采用了近似等內(nèi)徑的流路，最末兩級又進(jìn)一步降低流路半徑，所以其風(fēng)扇后和高壓前兩處轉(zhuǎn)接流路過渡更緩和。盡管三轉(zhuǎn)子布局多一個中壓渦輪，葉片機(jī)之間的過渡流路較雙轉(zhuǎn)子布局多一個，但是其過渡流路總軸向長度與雙轉(zhuǎn)子的過渡流路軸向長度基本一致，這樣更大的落差就使雙轉(zhuǎn)子的流路顯得彎曲的更劇烈。

(3)高壓壓氣機(jī)1級動葉輪轂比很低。GEnx發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)采用了近似等外徑的設(shè)計，可以在強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)使每級葉片的線速度均較高以獲得高的壓縮能力；同時盡管增壓級的流路半徑較大，但是受限于低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速其增壓能力仍有限，因此高壓壓氣機(jī)進(jìn)口空氣的體積流量依然很大，所以高壓1級的輪轂比就顯著低于三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的中壓壓氣機(jī)1級和高壓壓氣機(jī)的1級。這樣的流路設(shè)計給結(jié)構(gòu)設(shè)計留出的空間十分狹小，這不僅對于1級轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計提出了較高的要求，而且也給高壓前軸頸、軸承和密封等結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來了較高的難度。

(4)兩低壓系統(tǒng)的流路設(shè)計十分接近。無論是雙轉(zhuǎn)子還是三轉(zhuǎn)子，其低壓系統(tǒng)的流路設(shè)計都采用了單級大風(fēng)扇和多級大直徑的低壓渦輪，整個流路呈啞鈴形,這使得低壓渦輪重量和體積增加，通常占到發(fā)動機(jī)的20%以上[11]。原因是這兩種布局都沒有克服風(fēng)扇和低壓渦輪對于最適宜轉(zhuǎn)速的矛盾；風(fēng)扇設(shè)計需要低轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)高效率、大流量、低噪聲，而低壓渦輪設(shè)計希望高轉(zhuǎn)速以獲得較少的級數(shù)、緊湊的結(jié)構(gòu)和更高的效率[12]。這個矛盾唯有通過取消這兩個部件轉(zhuǎn)速相等的限制來實現(xiàn)，齒輪傳動風(fēng)扇是方式之一[13-15]。

2.2 承力機(jī)匣設(shè)計對比

由于多了一個轉(zhuǎn)子，Trent1000在轉(zhuǎn)子支承上采用了4個承力機(jī)匣，除了渦輪后機(jī)匣之外，其余3個機(jī)匣與雙轉(zhuǎn)子的GEnx發(fā)動機(jī)相比都有獨特之處。

(1)風(fēng)扇機(jī)匣：與帶增壓級的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)相比，三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇機(jī)匣緊貼在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子之后，為了拉開風(fēng)扇轉(zhuǎn)/靜子的軸向間隙以降低噪聲[16]，最近10年新設(shè)計的Trent系列發(fā)動機(jī)都采用了向后傾斜的風(fēng)扇出口葉柵。這樣的結(jié)構(gòu)特點也使得在飛/發(fā)之間采用風(fēng)扇機(jī)匣作為主安裝點時可以方便的將風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的載荷經(jīng)過風(fēng)扇機(jī)匣直接傳遞給機(jī)翼掛架，此結(jié)構(gòu)設(shè)計在Trent1000之后RR公司研制的TrentXWB中得到了應(yīng)用(TrentXWB將風(fēng)扇后的軸承改為大直徑的球軸承)。

(2)中介機(jī)匣：Trent1000的中介機(jī)匣位于中壓和高壓壓氣機(jī)之間，如圖3所示。除了TrentXWB之外其余型號的中介機(jī)匣內(nèi)部都集中了3個轉(zhuǎn)子的止推軸承，同時又涉及到3個轉(zhuǎn)子之間的滑油供油、空氣系統(tǒng)和機(jī)械功率輸出等功能。GEnx的中介機(jī)匣的結(jié)構(gòu)與CFM56等發(fā)動機(jī)的中介機(jī)匣基本一致而且由于流路設(shè)計上高壓壓氣機(jī)前S彎流路較長，給結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了較充裕的空間。無論從設(shè)計空間還是從功能需求看三轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的中介機(jī)匣都較雙轉(zhuǎn)子的更難設(shè)計，但是三轉(zhuǎn)子布局也使一些獨特的設(shè)計成為可能。

圖3 Trent1000的中介機(jī)匣內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Trent1000為了應(yīng)對波音787客機(jī)采用全電功率提取之后的顯著增加的機(jī)械功率提取需求(達(dá)到單臺發(fā)動機(jī)提取功率500 kW一級[17])，采用了可變機(jī)械功率提取位置的設(shè)計，即在起動階段由起動機(jī)通過機(jī)械系統(tǒng)直接帶動高壓轉(zhuǎn)子，在巡航狀態(tài)下改由中壓轉(zhuǎn)子負(fù)責(zé)機(jī)械功率輸出。這種方案不僅可以使巡航狀態(tài)下高壓轉(zhuǎn)子的負(fù)荷可以保持在高效率區(qū)間內(nèi)，還可以降低在地面滑行狀態(tài)下發(fā)動機(jī)的油耗[17]。

(3)高/中壓渦輪間承力框架：Trent1000的渦輪間承力框架布置于高/中壓渦輪之間，如圖4所示，與GEnx發(fā)動機(jī)布置在高/低壓渦輪之間的承力框架相比，其溫度負(fù)荷和環(huán)境壓力都要高很多，因此其空氣系統(tǒng)封嚴(yán)以及熱防護(hù)設(shè)計難度更大。不僅如此，由于Trent1000的高/中壓渦輪間承力機(jī)匣的流道內(nèi)支板集成了中壓渦輪導(dǎo)向葉片功能，所以其設(shè)計難度比GEnx更大。

從以上分析可以看出，三轉(zhuǎn)子的Trent1000不僅比雙轉(zhuǎn)子布局的GEnx多出了一個承力機(jī)匣，而且其中介機(jī)匣和高中壓渦輪間承力框架的設(shè)計難度要更高；但是通過從1970年開始的RB211系列發(fā)動機(jī)和Trent系列發(fā)動機(jī)的不斷積累，這種設(shè)計也可以做到十分成熟可靠[19-20]。

圖4 三轉(zhuǎn)子布局的高/中壓渦輪間承力框架內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖[18]

2.3 轉(zhuǎn)子支撐設(shè)計對比

轉(zhuǎn)子數(shù)目的不同帶來的最直接的差異就是轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，兩發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)對比簡圖見圖5。

圖5 Trent1000和GEnx的轉(zhuǎn)子支點設(shè)計對比

(1)雙轉(zhuǎn)子的低壓渦輪軸支點跨距較大。通過圖5中的各個轉(zhuǎn)子支點的大致跨距可以看出，Trent的三個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子支點布置的比較均勻，尤其是細(xì)長的中壓渦輪軸和低壓渦輪軸兩側(cè)的支點跨距均比GEnx的相同位置值小，即使是考慮到渦輪軸直徑的因素，也還是雙轉(zhuǎn)子的低壓渦輪軸的長徑比更大。這在渦輪軸的加工方面和在機(jī)動載荷作用下低壓渦輪軸的變形控制方面都帶來了難度。為了應(yīng)對后一種因素，可以采用將低壓渦輪的后支點布置在低壓渦輪軸與低壓渦輪轉(zhuǎn)子組合件的重心附近，從而降低機(jī)動載荷產(chǎn)生的彎矩，從圖2中可以看出GEnx的5號軸承位置的選定應(yīng)該有這樣的考慮。

(2)三轉(zhuǎn)子的高壓轉(zhuǎn)子十分緊湊。從圖5中不難看出，三轉(zhuǎn)子的高壓轉(zhuǎn)子支點跨距很小，整個轉(zhuǎn)子級數(shù)較少，十分緊湊，重量輕轉(zhuǎn)動慣量和氣動負(fù)荷小。對于轉(zhuǎn)速最高的高壓轉(zhuǎn)子而言，簡單緊湊的轉(zhuǎn)子不僅對于其轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計有好處，對于防止由機(jī)動飛行載荷帶來的或由推力造成的核心機(jī)機(jī)匣彎曲變形造成的高壓壓氣機(jī)葉尖碰磨也有益處，對于發(fā)動機(jī)的起動也有一定優(yōu)勢。

3 小 結(jié)

通過歸納上述對比分析的結(jié)果可以看出三轉(zhuǎn)子布局相對于雙轉(zhuǎn)子布局具有以下幾方面的特點：

(1)通過引入轉(zhuǎn)速介于低壓和高壓之間的中壓轉(zhuǎn)子，緩解了增壓級增壓能力與低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的矛盾；這使得在壓縮部件方面三轉(zhuǎn)子的中/高壓壓氣機(jī)相對于雙轉(zhuǎn)子的增壓級/高壓壓氣機(jī)都獲得了更有利的轉(zhuǎn)速與結(jié)構(gòu)尺寸等設(shè)計要素，在渦輪部件方面避免了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙級高壓渦輪；

(2)三轉(zhuǎn)子布局與雙轉(zhuǎn)子布局相比，單個的葉片機(jī)部件結(jié)構(gòu)上都較為緊湊而簡單；但是其承力機(jī)匣的設(shè)計和中、低壓渦輪軸相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加復(fù)雜，相應(yīng)的整機(jī)裝配、調(diào)整也會更加復(fù)雜；

(3)這兩種布局都無法解決低壓渦輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速之間的矛盾，因此它們都需要采用尺寸巨大且沉重的多級低壓渦輪設(shè)計。

[1]Boeing Company.Current Market Outlook 2010-2029[R/OL][2010-12-28].http://www.boeing.com/commercial/cmo.

[2]陳光.航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：238-240.

[3]徐德康.羅羅公司和它的遄達(dá)魔方[J].國際航空,1999(8):11-12.

[4]陳光.遄達(dá)1000發(fā)動機(jī)設(shè)計特點[J].航空發(fā)動機(jī)，2009，35(4)：1-6.

[5]陳光.用于波音787的GEnx發(fā)動機(jī)設(shè)計特點[J].航空發(fā)動機(jī)，2010，36(1)：1-6.

[6]Jane's aero-engines:issue 28[M].London:IHS Jane's,2010:460-472，543-546.

[7]X Xu.The position of a location bearing for the low pressure shaft of a 3-shaft turbofan engine and its influence[D].Cranfield University,2010:28.

[8]張丹玲，郝勇，王德友.中國大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)適航技術(shù)初步研究[J].航空發(fā)動機(jī)，2011，37(4)：58-62.

[9]梁春華.現(xiàn)代高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)[J].國際航空,2005(7):61-63.

[10]陳金國.中介機(jī)匣流路設(shè)計[J].航空發(fā)動機(jī)，1988(1)：1-9.

[11]Vazquez R,Cadrecha D,Torre D.High stage loading low pressure turbines:a new proposal for an efficiency chart[R].ASME,2003-GT-8374.

[12]陳云，王雷，王剛.大涵道比發(fā)動機(jī)多級低壓渦輪氣動設(shè)計[J].航空發(fā)動機(jī)，2013,39(4):51-55.

[13]梁春華.商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)幾項關(guān)鍵新技術(shù)[J].國際航空,2002(9):53-54.

[14]方昌德.大涵道比發(fā)動機(jī)特有關(guān)鍵新技術(shù)[J].國際航空,2008(1):38-40.

[15]胡曉煜.下一代窄體客機(jī)發(fā)動機(jī)最新進(jìn)展[J].航空發(fā)動機(jī)，2010，36(1)：53-57.

[16]李曉娟，金海良，桂幸民.外涵靜子后掠對某風(fēng)扇/增壓級氣動特性的影響[J].航空發(fā)動機(jī)，2013,39(4):26-31.

[17]Rolls Royce Plc.Civil aerospace products online library[EB/OL][2010-11-20].http://www.rolls-royce.com/civil/products/largeaircraft/index.jsp.

[18]Rolls-Royce.The jet engine[M].London:Faber and Faber,2005:221.

[19]王鐘強(qiáng).從RB211到遄達(dá)──羅·羅公司靠拳頭產(chǎn)品發(fā)達(dá)史[J].中國民用航空,1998(8):21-22.

[20]Peter Pugb.The magic of a name the rolls-royce story part three:a family of engines 1987-2002[M].London:ICON BOOKS UK，2002:305.

(責(zé)任編輯：宋麗萍 英文審校：劉紅江)

ComparativeanalysisontheenginelayoutarrangementsoftheGEnxandtheTrent1000

XU Xue

(Preliminary Research and Design Department,AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China)

In order to know better the design characteristics of the two-shaft engine of the high bypass ratio turbofans and those of the three-shaft,GEnx and Trent1000,the two optional engines for the Boeing 787 airliner,are compared and analyzed.After the comparison of the core flow paths,cartridge receivers and rotor-bearing systems,three conclusions are drawn:1)the employment of the intermediate pressure shaft,the turbo-machinery components of high pressure shaft and low pressure shaft in a 3 shaft engine can get more suitable rotational speed and structure dimensions;2)The cartridge receivers and the shaft structures of both the intermediate pressure turbine and the low pressure turbine for a three-shaft engine are more complex than a two-shaft engine;3)Either of the two arrangements cansolve the rotational speed conflict between the fan and low pressure turbine.

turbofan;flow path;cartridge receiver;Rolls Royce Limited;GE

2014-05-26

徐雪(1980-)，男，吉林遼源人，工程師，主要研究方向：航空發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)，E-mail:yushanxu@hotmail.com。

2095-1248(2014)04-0029-05

V235.1

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.04.006