齿轮传动风扇发动机结构设计特征分析

2023-01-19张博

科学与信息化 2022年5期

张博

中国航发沈阳发动机研究所辽宁沈阳 110015

引言

齿轮传动风扇发动机（Geared Turbofan，下文简称GTF）通过在风扇转子与低压涡轮转子间增加一齿轮减速箱，使低压转子转速高于风扇转子转速，提高了低压压气机与低压涡轮的单级做功能力，允许在保证相同增压比、膨胀比的前提下减小低压转子叶片稠度与级数。虽然引入了一个齿轮减速箱，GTF发动机的可靠性与可维护性非但没有下降，反而得到了很大的提高。GTF的诸多优点极大地提高了其在民用航空领域的竞争力，特别是在中等推力的单通道客机和支线客机动力应用方面，优势更为明显。

GTF发动机的研制工作开展很早，在20世纪70年代初，阿芙莱康明公司和加雷特公司（后来两者合并为霍尼韦尔公司）就分别推出了ALF502和TFE731两款GTF发动机，但其推力较小，结构可靠性较差，性能优势不大。普惠公司的GTF技术研究历时二十多年，先后研制出了多台验证机。1998年推出面向单通道客机的PW8000系列GTF发动机，因技术问题与市场问题下马，后又于2008年推出面向支线客机的PW1000G系列发动机，市场反应良好，先后被三菱重工、庞巴迪公司和俄罗斯联合航空制造公司选中。作为仅有的两款成型号的大推力GTF发动机，PW8000与PW1000G为研究GTF发动机结构设计提供了很好的借鉴。

1 PW8000总体结构特点

PW8000发动机由单级风扇，3级低压压气机，5级高压压气机，1级高压涡轮和3级低压涡轮组成，共有5个支点（包含一个中介支点），3个承力框架。为解决GTF发动机结构设计的诸多问题，其在支承方案、转子结构设计、转子连接等方面采用了大量新技术。

1.1 总体支承方案

齿轮减速箱使得低压转子断开为两个转子，PW8000发动机的转子系统包含风扇转子、低压转子与高压转子3部分，3个转子均需要分别单独支承。

1.2 风扇转子支承方案

为适应风扇后狭小的支承空间，风扇转子采用0-1的支承方案，用一个宽度较大的双排V型滚棒轴承来承受风扇转子巨大的轴向力与径向力，轴承支承在内涵进口承力框架上，载荷经风扇出口整流叶片传递到前安装节。与滚珠轴承相比，双排V型滚棒轴承可承受更大的轴向力与径向力，但是其工作转速较低，不适用于航空发动机，GTF发动机的风扇转速低于传统的大涵道比涡扇发动机，这就为双排V型滚棒轴承的应用提供了可能。另外，当风扇转子发生微小角度偏转时，对双排V型滚棒轴承的损伤更小，使用寿命更长。

1.3 高速低压涡轮结构设计

低压转子因转速提高，离心力增大，对低压涡轮的影响最为明显。为满足高应力的要求，PW8000的低压涡轮进行了结构改进：叶冠结构进行优化，在不改变其封严、阻尼、刚度加强效果前提下，尽量减小其质量；叶身采用锥形叶身结构，使其应力分布均匀，并减小质量；叶盘连接的轴向燕尾形榫头宽度增加，提高其承载能力；轮盘加厚，盘心孔变小，提高涡轮盘的承载能力。结构改进后的高速低压涡轮具有“小叶冠、锥形身、厚榫头、大厚盘”的结构特征。

1.4 振动隔离措施

PW8000共有3个转子，且引入一个具有高啮合频率的齿轮减速箱，相当于多了一个高频激振源，同时，高压后支点采用了中介轴承，这使得发动机在多振源激励下的振动问题变得非常复杂。PW8000齿轮减速箱功率输入轴采用了“波纹轴”结构，功率输出轴采用了“壳形轴”结构，两者的截面尺寸均变化较大，拥有较大的机械阻抗，可以减小齿轮箱的高频振动向低压转子与风扇转子振动能量的传递，起到了很好的隔振效果。齿轮减速箱的安装座也采用了弹性安装结构[1]，减小了齿轮啮合激励的外传，实现对齿轮箱的振动隔离。此外，PW8000还对发动机机匣与承力框架进行了优化设计，增大了机械阻抗，提高了隔振效果，减小各支点间的振动耦合。

对于中介轴承引起的高低压振动耦合问题，PW8000主要通过缩短中介支点与低压涡轮后支点距离的方法来解决。

2 PW1000G总体结构特点

PW1000G是普惠公司在多年GTF研制技术积累之上开发的中等推力高涵道比GTF发动机，继承了众多成熟技术，并在结构设计上采用了大量的改进和新结构。

2.1 风扇转子支承

PW1000G加大了风扇支点两个斜置滚棒轴承的距离，使其成为2个支点，形成0-2的支承方案，使风扇转子拥有更好的角向刚度。前承力框架也重新设计，采用了带有环腔结构的人字形支承，以提高其抗变形能力。

2.2 低压转子支承

低压转子为1-0-2支承方案，前支承前移，安置于低压压气机后轴颈之前，靠近低压压气机质心，支承在内涵进口承力框架上，并且采用了鼠笼弹支与挤压油膜阻尼器并用的支承结构。这种设计一方面改善了低压转子前支承径向刚度不足的问题，给低压转子动力学设计提供了结构实施途径；另一方面改善了低压前支点载荷在机匣上的传力路线，支点承受的载荷经过内涵进口承力框架和风扇出口导流叶片，直接传递到发动机前主安装节，缩短了在机匣上的传递距离，改善了风扇机匣的受力状态，有利于减小机匣变形。

低压涡轮后支承采用了两个轴承并用的支承结构，可以有效提高低压涡轮转子的局部刚度，提高涡轮部件的抗变形能力，从而对低压涡轮叶尖间隙控制提供了良好的条件，在后轴承支承处采用了鼠笼弹支与挤压油膜阻尼器，以减少振动。

2.3 高压转子支承及连接结构

PW1000G的高压转子在结构设计上进行了很大的改进。取消了中介轴承，采用了涡轮级间机匣承力框架结构，有效地控制了高低压转子间的振动耦合，改善其动力学特性。同时，高压压气机增加为8级，高压涡轮增加为2级，为高效率和长寿命设计提供了良好的条件。

高压压气机前7级均为整体叶盘，只有第8级叶盘连接采用环向燕尾形榫头连接，盘盘间采用止口定心，轴向压紧固定，摩擦传扭的可拆卸转子结构，此结构在大尺寸涡扇发动机上的使用是一个里程碑式的创新。PW1000G采用中心长螺栓轴向拉紧的方式，将8级高压压气机、鼓筒轴和2级高压涡轮组合在一起。连接压气机转子和涡轮转子并提供稳定轴向压紧力的轴被称为“领带轴”（Tie Shaft）。在领带轴上加工有三处螺纹，前端螺纹与高压压气机前轴颈上的螺纹配合，中间螺纹与高压压气机后轴颈后的大螺母配合，大螺母承受轴向力，紧紧顶住后轴颈的锥壳，将高压压气机各级盘、鼓筒压紧成一个整体。末端的螺纹与高压涡轮后轴颈处的大螺母配合，传递轴向力，将2级高压涡轮与高压压气机转子压紧成一个整体。

3 GTF发动机结构设计中的关键技术

GTF发动机的高性能和高结构效率[2]是以新设计技术为基础的，对这些新技术与新结构的研究是GTF发动机项目成败的关键。通过对GTF涡扇发动机结构设计中结构特征和力学行为的研究梳理，其主要关键技术有如下7个方面。

3.1 风扇结构与动力学一体化设计技术

GTF发动机中风扇转子与低压转子断开，使得风扇转子需要单独支承，对风扇转子的轴向力平衡、支承设计和结构设计，成为GTF发动机的一大难点。

为平衡风扇转子的巨大轴向力，GTF发动机使用了承载能力更强但工作转速较低的斜置滚棒轴承。并且采用两个支点，提高悬臂风扇转子的角刚度。增加内涵进口承力框架，来支承风扇转子。同时对风扇转子的结构进行优化，通过采用铝合金空心叶片等措施来对风扇转子进行减重，并且大量采用一体结构来提高转子稳定性。

3.2 转子系统隔振设计技术

在GTF发动机中存在3个不同转速的转子，又有齿轮减速箱的复杂高频啮合激励，使得转子系统的振动非常复杂，转子系统隔振设计技术十分重要。

根据发动机转子系统结构设计特征，隔振设计主要从轴间隔振和机匣隔振两方面进行隔振结构设计。一方面，在齿轮减速箱功率输入、输出轴上采用变截面轴结构，使其高频范围内的机械阻抗增大，可削弱齿轮啮合高频振动在轴上的传递；另一方面，齿轮减速箱采用弹性安装结构，减小其振动激励的外传，并对机匣与承力框架进行优化设计，增大机械阻抗，提高隔振效果，减小各支点间的振动耦合。

3.3 高速低压转子抗变形设计技术

GTF发动机的低压转子采用高转速设计，工作转速位于多阶临界转速以上，是一个典型的高速柔性转子，工作过程中易发生大的变形，可导致叶尖间隙过大或碰磨。

GTF高速低压转子的抗变形设计主要通过两种结构途径。一是转子局部结构刚性的强化设计：低压压气机与低压涡轮采用盘鼓混合式转子结构、锥壳结构和环腔结构等刚度较好的结构，提高转子局部刚度；优化连接结构，使其避开大应力、大应变区域，提高连接结构稳定性等。二是支点位置和数目的优化：前后支点分别靠近低压压气机、低压涡轮的质心，并且在涡轮处采用两个支点，减小压气机与涡轮部位的变形。

3.4 高稳定性可拆卸转子设计技术

GTF发动机为追求高性能，在压气机中大量采用了整体叶盘和分段式整环机匣，这就要求转子结构必须是可拆卸。而高稳定性、长寿命可拆卸连接结构的设计技术是高速转子设计的保证。

PW1000G创造性的在大尺寸发动机中将“领带轴”结构用于复杂转子的连接，轴向拉紧、止口摩擦传扭，并与多功能压气机-涡轮连接鼓筒轴配合使用，形成一个高结构稳定性、大刚度的可拆卸转子，很好地满足了设计要求，给高速转子的连接结构设计提供了一个新思路，代表了新的发展方向，具有很高的研究价值。

3.5 具有大跳动量的转静子间石墨封严技术

在GTF发动机中，功率输出轴、输入轴与齿轮减速箱存在较大的不同心度，主要表现为角度不同心与径向不同心。工作时转子引起的大的振动响应，会影响到封严装置的封严效果和使用寿命。由于传动齿轮箱连接转子在工作时存在大不同心度（振动幅值大），篦齿封严和传统的石墨封严很难满足设计要求，普惠公司采用了新型的多块石墨封严结构，对石墨环的结构形式、石墨材料等进行优化设计，使其能够满足大不同心度、高转速、长寿命的要求。