宝马不但生产车,还曾产喷气发动机 支线客机用的涡扇式发动机|陈光谈航发84

陈光/文

支线客机的涡扇发动机综述

支线客机用的涡扇发动机,除个别外均为高涵道比(5.00~6.20)发动机,以得到较好的使用经济性。

与采用涡桨发动机相比,采用涡扇发动机的支线客机飞行速度可以提高。例如,德国道尼尔公司将 Do328支线客机的发动机,由原采用的 PW119A涡桨发动机换用由PW306衍生的PW308高涵道比涡扇发动机,换装发动机后,飞机的最大巡航速度由620 km/h提高到695km/h (提高12%)。

  

支线客机用的涡扇发动机的主要参数

 

   

在这些涡扇发动机中,除AE3007,BR710,SPW14,PW306和LF507是20世纪90年代新研制的外,其他均为早期发展的发动机。例如:ALF502是美国达信·莱康明公司(现为联信发动机公司)于20世纪60年代末期在 T55涡轴发动机的核心机基础上发展的。

为了使研制工作能顺利进行并得到较好的低压涡轮效率,在低压涡轮与风扇间装有减速器,这在涡扇发动机中是少有的。

“泰”(Tay)是英国罗·罗公司于80年代中期作为“斯贝”的后继机,在斯贝 MK555的基础上发展的。D-36是苏联洛塔夫设计局于70年代初期作为三转子高涵道比涡扇发动机 D-18T的技术验证机而研制的,当它达到验证目标后,转而成为产品投入生产的。D-30则是苏联索洛维也夫设计局于60年代中期在D-20P(50年代中期开始研制的)的基础上研制的。

在90年代研制的发动机中,值得注意的是几家公司联合研制新发动机的做法,这是目前新型发动机(包括某些军用发动机)研制工作的一种趋势。 

例如:BR710是由英国罗·罗公司与德国宝马(BMW)公司组成的宝马/罗·罗有限公司,为支线客机于1991年开始研制并于1996年8月取得适航证的高涵道比涡扇发动机。SPW14是由加拿大普惠公司与法国SNECMA公司联合为支线客机发展的。

PW306是加拿大普惠公司与德国 MTU公司研制的PW300高涵道比涡扇发动机系列中的最新一个型号,于 1991年开始设计,1996年取得适航证。PW300发动机系列在设计中吸取了加拿大普惠公司以往的JT15D、PT6 和PW100等发动机的研制经验,并利用了它们的部件的设计特点。

 

LF507是美国达信·莱康明公司于80年代末期在ALF502 的基础上衍生发展的高涵道比涡扇发动机,于1991年末取得适航证,在改进衍生时,特别强调要降低发动机的维修费用(比ALF502的低20%)与提高可靠性。由于大大提高了可靠性,使发动机热端部件孔探检查周期从2000h(ALF502)提高到6000h。

 

除上述已被支线客机采用的涡扇发动机外,美国普惠公司、CFMI公司和宝马/罗·罗公司还研制用于110~130座支线客机用的推力为82~93kN的高涵道比涡扇发动机,它们分别是:PW6000,CFM569和BR715。

现分别对 AE3007,BR700和CF34等三个系列发动机做简单分析。

 

AE3007

 

AE3007是美国艾利逊公司于1989年年中为支线客机及公务机研制的推力为30kN 级的高涵道比涡扇发动机(图4),1995年取得适航证,1996年投入使用。

它采用了在 AE2100涡桨发动机上经验证过的核心机,由宽弦设计的单级风扇、14级轴流压气机(有6排可调静叶)、带16个喷嘴及2个高能电嘴的环形燃烧室、2级高压涡轮和3级低压涡轮组成的双转子涡轮风扇发动机,其涵道比为5。

在 AE3007原型的基础上,还衍生发展了多种型号。其第1个型号 AE3007起飞推力为34kN,装于巴西航空工业公司(Embraer)ERJ145(50座)于1996年投入使用;随后发展了推力相同的 A,A1和 A1/1型,A型于1997年投入使用,A1及 A1/1于1998年投入使用;2002年投入使用的C型,推力加大为37kN,最新型号7H型其推力为37kN,将用于环球鹰无人侦察机。

                 图4 、AE3007高涵道比小推力涡轮风扇发动机

  

巴西航空工业公司与我国哈尔滨飞机工业集团有限公司、哈尔滨航空工业股份有限公司于2002年12月合资组建了哈尔滨安博威飞机工业有限公司。

哈尔滨安博威飞机工业有限公司在国内组装生产ERJ145系列涡扇支线客机,生产能力为年产24架(合同期15年),2003年12月16日在我国组装的ERJ145首飞成功,随后,6架ERJ145先后加入到南方航空公司投入营运。

BR700系列

 BR710

德国宝马公司(占51%股份)与英国罗·罗公司(占49%)于1990组成了宝马-罗·罗公司,公司成立后即发展用于支线客机推力为65~100kN的 BR700系列发动机。他们首先发展了一个共用的核心机,然后配上不同的低压系统,发展了BR710和BR715二型发动机。

核心机由10级轴流压气机、带20个喷嘴的低污染环形燃烧室和双级带冠的高压涡轮组成。在BR710上,直径为1212mm、单级宽弦风扇由2级低压涡轮驱动,风扇后无增压压气机;

而在BR715上,直径为1473mm、单级宽弦风扇加上2级增压压气机由3级低压涡轮驱动,图5示出了在共用核心机基础上发展BR710和BR715发动机的结构图。

图5、共用核心机的BR710和BR715发动机的结构图

 

在发展BR700系列发动机时,提出的要求是与当时使用的同等推力发动机相比,其燃油效率要高20%,还要求排气污染、噪声均能满足今后发展的要求,也即要求研制的发动机具有低油耗、低污染和低噪声的特点。

 

BR710推力为 66~71kN,首台发动机于 1994 年试车,1996 年 8 月取得适航证,装BR710的湾流Ⅴ型支线客机投入使用;BR710还被俄罗斯的图-334 选作动力并于2003 年投入使用,用在图-334的BR710推力为71kN。

BR715(图6)推力为82~98kN,由于核心机与BR710 的相同,为了达到增加推力的目的,一是增大风扇直径以加大空气流量,二是在风扇后增设了2级增压级,以加大空气进入核心机的压力,加大总压比以及增加进入核心机的空气流量,当然,低压涡轮随之由2级增至3级。

图6 、BR715发动机结构图

首台BR715于1997年4月试车,1998年8月取得适航证,装2台BR715的波音717100于1999年中投入使用。2001年BR715获得俄罗斯、乌克兰适航当局的适航证。

2000年,宝马-罗· 罗公司合并到罗 · 罗公司,成为罗· 罗德国公司 (Rolls Royce Deutschland),在合并以前的十年中,从建立公司,修建厂房与试验基地起,到设计、生产发动机,连续研制出二型发动机,并先后投入使用,仅BR710在2000年就交付了1000台,其成就令人瞩目,值得我们认真学习。

 

CF34

 

CF34是美国GE 公司于70年代中期在其军用涡扇发动机 TF34(用于A-10A 攻击机)的基础上发展的,用于50~150座支线客机且号称安静与绿色的发动机。

在发展中,核心机的压气机与涡轮不仅级数改动较多,而且气动设计与结构设计也改动较多,这在其他系列发动机发展中很少采用。其最初型号-3型由单级风扇、4级增压压气机、14级高压压气机、2级高压涡轮和4级低压涡轮组成,如图7所示。

 图7、CF34 3发动机结构图

CF34的第2个型号-8C 与早期的-3A 相比(图8),结构和性能上改进较大,主要改进包括:风扇直径由1.117m增加到1.137m,风扇压比由1.47增加到1.70,采用宽弦风扇叶片,风扇包容环用铝和凯芙拉 Kevlar材料制成;

7级高压压气机引入了 F414军用发动机压气机的技术,并按比例缩小10%,另外再增加5级成为12级,以使其与高压涡轮相匹配,其整体叶盘结构由原来只用1级增加到3级,压气机压比由14增加到16.5,而总压比为28;

4级增压压气机也做了改进,叶片数减少;燃烧室以 CF34-3和 CFM56发动机的燃烧室为基础设计的,具有低的污染和高的重新启动能力;2级高压涡轮用 DSR142材料制成,可防热疲劳;

4级低压涡轮改进了气动设计,第1级采用新的材料,减少了总的叶片数,加强了冷却;采用新的全权限数字式控制系统取代原来的机械式系统;重新设计了短舱,其直径增加15cm。 

通过以上改进,8C在保持 3A所具有的可靠性、性能和环保特点的同时,推力增加1/3,达61kN;推重比提高15%,达6.2;耗油率降低4%;发动机零部件减少30%。

 

图8、CF34-8C1发动机与CF34-3A1发动机的比较

CF34的最后型号-10中,由单级风扇、3级增压压气机、9级高压压气机、单级高压涡轮和4级低压涡轮组成。表3列出CF34-3、-8、-10的主要参数。

表3、CF34 3、8、10三型发动机主要参数

 

CF34-3装于挑战者601、庞巴迪 CRJ100分别于1983年、1992年投入使用,CF34-8 于1999年11月取得适航证,2003年4月装在庞巴迪CRJ900(载客90人)投入使用,2004年3月装于Embraer170投入使用。

CF34-10 基本上是全新设计的,如图9所示。它的核心机由 CFM56-7 核心机缩型而成,高压压气机的叶型已用三元流设计,具有较高的效率;风扇直径增加到1.35m,采用实心宽弦风扇叶片;3级增压级;9级压气机采用三维气动设计程序,且以得到使用验证的 CFM56-7发动机为基础来设计,以提高效率,达到无喘振工作;低污染的单环形燃烧室采用了先进材料和冷却技术,以达到良好的耐久性。

CF34 -10所产生的 NOx比现有技术的单环燃烧室的低12%;高压涡轮由原来的2级改为CFM56系列发动机的单级,且采用低稠度的转子叶片以减少叶片数,为降低油耗采用了三维气动设计和主动间隙控制技术;4级低压涡轮是在CF34-8型发动机的基础上改进的,V 形喷管有助于降低排气噪声。另外,CF34-10 还采用了TECH56计划中获得的新技术。

图9 、CF34-10发动机结构图

我国自行研制的、载客79~99座的 ARJ21支线客机,在2002年11月珠海航展上,中航总一集团公司与美国 GE公司正式宣布采用CF34-10发动机作为其动力(每架飞机2台)。

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