齿轮驱动大涵道比涡扇发动机设计技术特点分析

薛冰晶，周 淼

（中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 201108）

齿轮驱动大涵道比涡扇发动机设计技术特点分析

薛冰晶，周 淼

（中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 201108）

分析了大涵道比涡轮风扇发动机提高经济性的方法和限制耗油率降低的原因，给出了齿轮传动构型的大涵道比涡扇发动机的特点及优势。与双轴直驱型对比分析，给出了齿轮传动构型总体性能的参数变化趋势和匹配规律，得出了高速低压系统/部件气动设计的技术特点，分析了传动齿轮的设计特点及难点。

齿轮驱动；大涵道比涡扇发动机；GTF发动机；技术特点

1 引言

随着民用航空发动机技术的飞速发展，低油耗、低污染排放和高安全性已成为大涵道比涡扇发动机竞相追逐的目标。大涵道比涡扇发动机为降低单位耗油率所采用的方法主要为：提高循环热效率和提高推进效率。

提高循环热效率的主要途径如下：①提高循环总压比；②提高循环温比，即提高涡轮前温度T4；③提高部件效率。其中前两者均受材料和冷却技术的限制。提高推进效率的主要途径为：提高涵道比，降低风扇压比，降低外涵的排气速度。涡扇发动机推进效率的提高主要依赖于外涵排气速度的降低，排气速度越接近飞行速度，推进效率越高。

对于传统双轴直驱大涵道比涡扇发动机而言，增大风扇直径、降低风扇压比和排气速度，将使涵道比增大。当涵道比增大到一定量值，会带来一些棘手的问题：①增大涵道比（增大风扇直径）使得短舱直径增大，从而增大推进系统重量；②增大风扇直径将使风扇叶尖切线速度增加 （风扇叶尖马赫数大于1.4），由此带来较大的气动损失和气动噪声；③为降低噪声排放需降低低压转子的设计转速，从而降低了增压级增压比和低压涡轮单级膨胀比。其中前者一定程度上可以由提高高压压气机压比的方法予以弥补，不用大幅增加级数；但对于低压涡轮只能通过增加级数或者抬高流道以保证适当的膨胀比和效率。这将大幅增加发动机重量，使推进系统更复杂，提高了飞行成本。

为解决上述问题，近年来国内外众多学者逐步开始探索新的发动机构型。齿轮传动发动机（Geared Turbofan，简称GTF）就是其中的典型代表。

2 GTF发动机构型及技术特点

普惠公司等航空发动机设计与制造商就认识到，如果在风扇和低压压气机间引入一个齿轮减速器，就可以兼顾低压转子和风扇在不同转速下工作的需要，在低压转子保持高效率高转速工作的同时，使得低速风扇产生小的气动损失和低的噪声排放。图1给出了GTF发动机的基本构型。

图1 GTF发动机构型示意图

相比传统大涵道比涡扇发动机，GTF发动机的主要构型特点是在风扇与增压级间安装一个齿轮减速器。其优势表现在：①降低了风扇转速和叶尖速度，降低发动机噪声；②增大发动机的涵道比，降低了整机油耗和污染排放；③减少了压气机和涡轮级数、降低了级负荷；④大幅减少发动机的零件数，从而降低发动机的价格与使用成本，并提高可靠性。

3 GTF发动机总体参数匹配性分析

通过理论分析和计算，在给定的推力需求和最高T4温度限制的情况下，保证发动机总压比和部件效率一致，通过优化内外涵排气速度比，使发动机工作在最优的状况下，给出了GTF发动机推进效率、耗油率以及相关部件参数随涵道比的变化规律。

3.1 风扇直径等与涵道比的变化规律

风扇直径随涵道比增加而增大，风扇外涵压比随涵道比增加而降低，推进效率随涵道比增加而增大。

由于限制了涡轮前温度，且要保证需求的推力，这实际上限制了核心机的做功能力。涵道比的增加主要是依靠外涵流量增加和内涵流量降低来实现。外涵流量的增大，势必要求较低的外涵压比和较低的外涵排气速度，因而形成较低单位质量流量推力的高涵道比涡扇发动机，外涵推进效率提高，耗油率降低。在风扇进口轴向马赫数受限时，发动机总流量的增加主要依靠风扇直径的增大来实现。图2给出了推进效率和耗油率随涵道比的变化规律。可以看出，耗油率随涵道比增大而降低，推进效率随涵道比增大而增大。

图2 耗油率、推进效率与涵道比的关系

3.2 风扇转速随涵道比增加而降低

考虑到风扇噪声和叶根强度等因素，在增大风扇直径的同时，需降低风扇转速以限制风扇叶尖切线速度。在叶尖切线速度不变时（比如380 m/s），风扇物理转速不断下降，图3给出了风扇物理转速随涵道比的变化规律。

图3 风扇转速、低压涡轮膨胀比与涵道比的关系

3.3 低压涡轮的膨胀比增加

在保证推力需求和T4温度的限制的前提下，内涵物理流量随涵道比的上升而下降。对于大涵道比涡扇发动机，由于推力大部分由外涵产生，因此在推力需求不变时，低压涡轮功率基本保持不变。所以，需要提高低压涡轮膨胀比以保证用更小的流量发出相同的功率。图3给出了低压涡轮膨胀比随涵道比的变化规律。

4 GTF发动机对部件设计技术特点分析

4.1 风扇设计技术特点分析

为实现更低的耗油率，GTF发动机涵道比需升高，从而使得风扇直径增大，风扇转速与直径成反比关系且单调下降；外涵流量增大，排气速度下降，风扇增压比下降。

相比于双轴直驱传动方案，由于风扇增压比降低，风扇进出口焓差下降，在保持风扇叶尖切线速度U不变时，齿轮传动方案的风扇载荷系数2降低；若保持风扇载荷系数不变，则可使得风扇叶尖切线速度U降低，这将使得齿轮传动方案的发动机噪声排放低于双轴直驱传动方案。

4.2 增压级设计技术特点分析

图4给出了相同需求推力条件下，与双轴直驱发动机方案具有相同的总压比和涡轮前温度T4的齿轮传动发动机方案的增压级转速和载荷系数随涵道比的变化规律（减速器的传动比为2.5）。

图4 增压级转速和载荷系数随涵道比的变化规律

在齿轮传动方案，增压机转速的提升的收益如下：①为了充分发挥增压级对气流的做功能力，可以提高增压级增压比，降低为了提高总压比而对高压压气机的依赖。②可适当降低增压级流道高度，减轻增压级重量；这也有利于提高增压级后过渡段的总压恢复系数。

4.3 低压涡轮设计技术特点分析

对于低压涡轮设计而言，若保持低压涡轮流道尺寸和膨胀比不变，则低压涡轮进出口焓差不变，低压涡轮载荷系数将随叶尖切线速度2的升高而下降。

基于上述分析， GTF方案中，虽然随着涵道比增大低压涡轮膨胀比有所提高（见图3），但是由于转速的提升对其载荷降低的贡献非常显著，所以在低压涡轮转速提升带来的收益如下：①叶尖切线速度2的升高，使得级载荷系数大大降低，利于提高单级膨胀比，降低级数，减轻发动机的总重量。图5给出了GTF方案低压涡轮膨胀比和载荷系数随涵道比变化规律；②降低低压涡轮流道高度，降低高低压涡轮间和低压涡轮后过渡段的损失，提高了总压恢复系数。

5 传动齿设计特点及难点

作为齿轮传动系统，GTF发动机减速器原理比较简单，关键是其设计参数的确定。通过减速齿轮箱，改变转动力矩，同等功率条件下，转动速度越快的扭矩越小。传动齿轮的主要参数是齿数和模数，其他设计参数包括分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、顶隙、齿形等。设计参数的确定涉及传动齿轮的材料、齿型、公差、磨损容许量、设计极限，以及整个减速器的性能极限、效率目标和耐久性等。高速、大功率减速器是GTF发动机研制成败的关键。

图5 低压涡轮膨胀比和载荷系数随涵道比变化规律

另外，低压转子和风扇之间的减速器必须采用柔性联接。与刚性联接相比，柔性联接的优点是冲击明显减轻，减轻振动，噪音明显降低。通过柔性联接的齿轮系统挠度大，弹性变形大，在保证大传动比的同时，提高了可靠性，延长了使用寿命。

6 结论

经过分析与计算，初步给出了GTF方案构型的特点，部件设计的技术特点，以指导总体气动方案设计工作。

［1］陈光.齿轮传动风扇PW8000高涵道比涡轮风扇发动机［J］.民航经济与技术，1998（05）：37-39.

［2］G.Wilfert，B.Kriegl，Hermann Scheugenpflug.CLEAN -Validation of a High Efficient Low NOx core，a GTF High Speed Turbine and an Integration of a Recuperator in an Environmental Friendly Engine Concept［C］.41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA 2005-4195,2005.

〔编辑：白洁〕

C829.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.040

2095-6835（2017）13-0040-03