叶片叶尖切线速度400m/s,CFM56-3的高压压气机|陈光谈航发116

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在各系列的CFM56发动机中,高压压气机的结构(见图29)基本相同。9级压气机压比约为12.0,平均级压比为1.32,第1级工作叶片叶尖切线速度为400m/s,平均展弦比为1.49,转子做成盘鼓混合式的结构,由5个组件组成,即钛合金做的前轴、1~2级转子、3级轮盘,由镍基合金做的4~9级转子,压气机后篦齿封严盘,在第3级轮盘处用螺栓将1~2级转子、4~9级转子、前轴连接起来,在后篦齿封严盘处,用螺栓将压气机转子与高压涡轮转子连接组成发动机的高压转子。

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图29、CFM56 3高压压气机结构图

钛合金做的1~3级工作叶片用轴向燕尾榫头装在相应级中的轮盘轴向榫槽中,而镍基合金做的4~9级工作叶片则分别装在各级轮盘的环形燕尾槽中,所有的工作叶片均可在不分解转子的情况下拆换,4级盘与5~9级转子均用低压(增压)压气机后的空气通过前轴上的几个孔引入转子内腔中,进行内部冷却,图30示出了转子内部冷却空气流动情况。

第1级工作叶片上,作有增加刚性的肋条,用以防止流入核心机的外物打坏第1级工作叶片,这种设计在其他发动机上还没有采用过。除此之外,进口导流叶片不仅做成弯刀形式,还与工作叶片前缘间留有较大缝隙,以避免外来物(鸟等)卡在静叶与工作叶片间弄坏工作叶片。各级工作叶片数为:38,53,60,68,75,82,82,80,76。

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图30、CFM56 3高压压气机转子内部冷却空气流动情况

机匣做成沿圆周是对开的两半,由前至后又做成两段,前机匣的前段上装有从进口导向叶片到第5级静叶共6排静叶,前机匣的后段从第3级静叶后向后呈扩张形,直至第5级静子叶片后缘,然后与也做成扩散形的延伸机匣用螺栓相连,延伸机匣向后延伸直到第9级工作叶片后缘处,与燃烧室外机匣前伸段相连,形成压气机后段的外层承力机匣,用Incol718做成的延伸机匣与用钛合金做的前机匣虽是用螺栓连接在一起,但一经连接后,就不允许再分解。

由于前机匣与1~3级工作叶片均是用钛合金做的,为避免工作中钛制工作叶片与钛制机匣相磨碰引起钛着火问题,在机匣内径与工作叶片相对应的位置上,嵌有防火隔层及易磨层,见图29中圆图中所示。

由进口导流叶片至第3级静叶共4排,做成安装角是可以调节的。安装6~8静叶的后机匣由Incol903做成,用后安装边与燃烧室外机匣前安装边用螺栓相连,前端是悬臂地插在前机匣中。第9级的静叶做在燃烧室中的扩散通道内。

压气机前后机匣在使用中均做了较大的改动,前机匣于1988年2月改用 M152合金钢做,而且将原来用Incol718做的延伸段也改用 M152,将两者作为一整体。改用合金钢后,取消了原来装在机匣内的防火隔层,这一改进,使零件数目减少了约140件,重量增加5.64kg,由于 M152的膨胀系数低于钛合金的,因此机匣内径向内缩小了0.127mm。

采用了与CFM56核心机相同核心机的F404发动机装于美国海军用舰载F/A 18飞机,1987年11月,美国海军宣布当年共损失9架F/A 18,其中4架是由于发动机中钛合金的高压压气机机匣被钛合金工作叶片断片卡住相磨而引起钛机匣着火所造成的。

因此,GE公司立即将钛机匣改用 M152合金钢来做,同时,将外涵机匣由钛合金改用复合材料PMR15,这种改动使发动机重量增加0.454kg,由时长看,CFM563将高压压气机机匣的材料由钛合金改为合金钢似乎是受到F404钛失火的影响而采取的措施。

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CFM56-3的高压压气机后机匣原来用低膨胀系数的Incol903合金做,1986年11月改用了Incol907做,Incol907也是低膨胀系数合金,但它抗锈能力较好,用以提高后机匣的抗锈能力。

后机匣原来沿圆周做成上下对半的,但在1984年12月改成沿圆周做成四段,即每90°一段,分开面分别在垂直与水平位置上。但在 5系列中又恢复成上下两半的结构。在使用中曾出现第1、第2级工作叶片燕尾型榫头在轮盘的榫槽中磨蚀并引起叶根断裂的事件,反映出榫头长度不够,为此,由1991年10月起,将叶片榫头加长,相应地将轮盘厚度也加大。

第1级叶片榫头轴向长度增加7.6mm,叶身未做变化,第2级叶片榫头轴向长度增加了6.4mm,叶身只是在靠近根部处厚度稍为增大了一点,其他全部未变。

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为适应叶片榫头轴向尺寸加大,1、2级轮盘相应地做了改动,由于榫头尺寸加大,叶片重量相应加大,为此,轮盘其他尺寸也稍做修改,见图31所示。做了上述改动后,发动机重量增加了2.7kg。

CFM56-5系列上,原来的结构同于 3的,在 3型做了改进后,5系列发动机上也于1991年底做了类似的改动。

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图31、CFM56 3高压压气机1,2级轮盘,榫槽改进

图32示出了CFM563高压压气机转子出现过的几种故障。由吸入的外来物(FOD)打坏高压压气机工作叶片是造成CFM56 3拆换的第三个主要原因,根据1993年1月至1995年1月两年时长的统计,两年中发动机总累积运转时长为:1599410EFH,1159900循环,由FOD造成高压压气机故障而拆换的发动机共有61台,其中,在日常的检查中查出32起,吸鸟后发现22起,在发动机排故中查出7起。

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其拆换率为0.00381/1000EFH,即由于FOD造成高压压气机故障引起的发动机拆换,平均每262200EFH出现一次。

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究其原因,主要还在于风扇与低压压气机间间距不够大,进气锥的形状对分离外来物的效果不够大所致,虽然在高压压气机设计中,采取了一些措施,如前述的进口导流叶片做成弯刀形,第1级工作叶片带增加刚性的纵向肋条等,但是由于前面的结构设计中不可能将外来物基本甩出到外涵气流中,因而仍有可能进入核心机。根除的方法是采用宽弦风扇叶片,加大风扇叶片与低压压气之间的间距,在CFM56 7上已采取了这种措施。

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图32、CFM56-3高压压气机转子出现过的几种故障

1994年11月已对由于外来物打伤叶片后,损伤部位的允许极限值做了修改。

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