世界最成功商用发动机：CFM56-3的低压涡轮和滑油系统｜陈光谈航发-e250

CFM56 3发动机低压涡轮为4级,其中第1级导向器作为核心机大单元体的一部分, 4级转子,2~4级导向器及涡轮后轴承机匣组成低压涡轮大单元体。

1级导向器有28组导向叶片组,每组3个叶片,叶片做成空心的,引入高压压气机第5级空气流过进行冷却,冷却后的空气再冷却高压涡轮轮盘后端面与低压涡轮盘前端面。导向叶片用挂钩式连接方式,其前后端均用挂钩卡在支承机匣(见图42)中,叶片内缘连接有封严用的支承环,其上固定有两圈蜂窝结构的封严环。导向叶片用 Rene’77合金铸成。

2~4级导向器叶片也用 Rene’77合金铸成,均用挂钩式连接方式装入低压涡轮机匣(见图44),三排导向器叶片固定与隔热方式以及转子叶片外罩环的结构基本相同,只是分的扇形段数目不同。

低压涡轮机匣用Incol718做成整体的锥形结构,内壁上开有若干道槽沟以固定导向叶片。

图44、CFM56-3低压涡轮

图45示出2级导向叶片与 1、2 级转子叶片外罩环在机匣中的连接方式。外罩环用蜂窝材料钎焊在 Hasteloy板料做成的支持环上,组成外静子空气封严环,此空气封严环在1,2,3,4级中分别做成20,21,21,22段。

第1级空气封严环固定于低压涡轮外罩环中,两者间夹有隔热毡垫(做成4段),毡垫由Incol600的板料做的护套包住。第2~4级空气封严环与机匣间也夹有隔热毡垫,均由4块组扇形段组成。

每块毡垫也由Incol600的护套包住。2~4级导向叶片与机匣间均装有两层隔热毡垫。外层与内层毡垫均由钢片作的护套包住,分成若干扇形段(2级外层为7段,内层为9段)两层之间夹有一环形的、用 HasteloyX薄片作的隔热罩。

图45、CFM56 3低压涡轮2级导向叶片连接结构

第2级导向叶片共有126片,由21个扇形段组成,每个扇形段包括6个叶片,叶片内缘处固定有级间气封,气封是用蜂窝材料钎焊在由 C263材料做的扇形的支承环上。

在21个叶片扇形段中,1个为标准形式的,9个是安装热电偶的(位置大约是1∶00、2∶00、3∶30、5∶00、6∶30、7∶30、9∶00、10∶30、11∶30处),每段中1个叶片做成空心的,在叶片的凹面上开有4个小孔引入燃气,一根Cr/A1热电偶感头伸入叶片的空腔,感受燃气的温度;另一个叶片扇形段,是为装孔探仪孔座的,还有一个叶片扇形段是安装压力测量感头的。

第3级导向叶片由21段扇形段,每段6片组成的,共126片叶片。第4级导向叶片由22段扇形段,每段6片组成的,共132片叶片。

由于低压涡轮机匣是整体的,所以低压涡轮转子做成可拆卸的,即每级的轮盘均带前后锥形鼓环与安装边,在两级安装边夹有一转动的空气封严环,三者间用螺栓连接(见图44)在2、3级安装边间夹有锥形短轴,以与低压涡轴相连,锥形短轴用Incol718合金做成。

各级轮盘均用Incol718镍基合金做,工作叶片均由 Rene’77铸出带冠的,各级叶片数为1级174片,2级162片,3级157片,4级160片。

低压涡轮轴用 Marage250合金钢做成,通过用Incol718合金做的短轴与夹在2~3级间的锥形小轴相连,轴内装有用 Ti6V及T40做的中心通气管,轴的后端装有由 A286合金钢做的油气分离装置。

涡轮后轴承机匣作为发动机的后承力框架,其外环做成12边的多边形,12个支板分别与内承力环大致相切(如图46所示)形成斜的支板,以减少工作时的热应力,外环、支板、内承力环均由Incol718合金做成,最后焊接成一体,发动机的5号轴承通过轴承座固定于内承力环上,其外环上装有辅助安装节。

图46、CFM56 3后轴承机匣

3.8 滑油系统

CFM56 3滑油系统有下述几个特点: (1)回油总管上装细滤。回油总管上装有细油滤,过滤能力为32μm,增压油路上的细油滤过能力为44μm。

(2)采用轴内通风管。由低压涡轮轴内的通风管作为滑油系统的通风分系统的排气管。滑油箱、附件传动机匣与前油腔连通,通过装于低压轴前端的油气分离器将空气由轴内通风管向后引,后油腔中的气体也是经过装在低压轴后端的油气分离器引到轴内通风管中的。

所有分离出来气体由轴后端头流出,流到尾喷管的内锥中,在主燃气流的引射作用下,随主燃气流到大气。这种通过发动机主轴作为滑油通风管的设计,是 GE公司采用较多的一种设计,J85、CF6等发动机上均采用了这种设计。

(3)方便的油箱油量指示。滑油箱储油量指示采用了对维修人员非常方便的一种指示器,即在发动机短舱罩打开后能方便观察到的位置处(滑油箱)装有一目视储油量指示器,当指示器显示亮色时,表明需加滑油,当它呈黑色时,表明不需加油。座舱仪表板上还有一储油量指示仪表,为飞行员提供储油量的讯息。

(4)油滤堵塞指示器。进油路与回油路上的油滤,均设有目视的油滤堵塞指示器,它是装在油滤旁,用半球状的小玻璃盖罩住的,当红色指示棒缩在座内时,表示油滤未堵;当红色指示棒露出来时,表示油滤有堵塞,伸出越多,表示堵塞越严重。

(5)不设调压活门。增压泵后不设调压活门,因此滑油压力是随核心机转速的增加而升高的。(6)滑油光谱与屑末分析。采用定期或不定期地对采样的滑油进行光谱分析,以及对从滤网、磁堵收到的屑末进行屑末分析,作为发动机传动部件(主轴承、附件传动的齿轮、轴承、花键等)健康情况的诊断手段。

(7)油箱设有反虹吸装置。从油箱抽油引至增压泵进口的管路上,设有反虹吸作用的装置,当发动机停车后,该装置使抽油管上充满空气,滑油不会在虹吸作用下向外逸流。

所有这些,与稍老式的一些发动机(例如涡喷7、J79等)相比,有明显的改进。

3.9 控制系统

CFM56 3的控制系统由液压机械式主发动机控制(HydromechanicalMainEngine Control,MEC)及电子式功率管理控制(PowerManagementControl,PMC)两部分组成,系统简图示于图47中。MEC与核心机转速形成闭环控制,而PMC与风扇转速形成闭环控制,这两套独立的控制系统利用力矩马达电流(TMC)连接起来,即将PMC中的TMC信号传给 MEC。

MEC的主要功能是:按飞行高度、大气温度、油门杆角来调定核心机转速,并调定放气活门位置与可调静叶角度,调节涡轮间隙控制器(TCC)的位置以及向燃烧室提供定量的燃油。

它感受下列参数:燃油流量FF、核心机转速 N2、风扇进口静压 PS12、风扇进口温度 T2、压气机进口温度T25、油门杆角度PLA、力矩马达电流TMC、压气机出口压力CDP/PS3、压气机放气压力CBP、放气活门反馈、可调静叶反馈。

图47、CFM56 3控制系统简图

PMC的主要功能为按飞行高度,大气温度,油门杆角度来调定风扇转速,向 MEC提供一个“精调”信号以便获得所期望的风扇转速。它感受的参数为:油门杆角度、风扇进口静压PS12、风扇进口温度 T12及实际风扇转速。