齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征分析

張博

中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 遼寧 沈陽 110015

引言

齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（Geared Turbofan，下文簡稱GTF）通過在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與低壓渦輪轉(zhuǎn)子間增加一齒輪減速箱，使低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，提高了低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪的單級(jí)做功能力，允許在保證相同增壓比、膨脹比的前提下減小低壓轉(zhuǎn)子葉片稠度與級(jí)數(shù)。雖然引入了一個(gè)齒輪減速箱，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性與可維護(hù)性非但沒有下降，反而得到了很大的提高。GTF的諸多優(yōu)點(diǎn)極大地提高了其在民用航空領(lǐng)域的競爭力，特別是在中等推力的單通道客機(jī)和支線客機(jī)動(dòng)力應(yīng)用方面，優(yōu)勢(shì)更為明顯。

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作開展很早，在20世紀(jì)70年代初，阿芙萊康明公司和加雷特公司（后來兩者合并為霍尼韋爾公司）就分別推出了ALF502和TFE731兩款GTF發(fā)動(dòng)機(jī)，但其推力較小，結(jié)構(gòu)可靠性較差，性能優(yōu)勢(shì)不大。普惠公司的GTF技術(shù)研究歷時(shí)二十多年，先后研制出了多臺(tái)驗(yàn)證機(jī)。1998年推出面向單通道客機(jī)的PW8000系列GTF發(fā)動(dòng)機(jī)，因技術(shù)問題與市場問題下馬，后又于2008年推出面向支線客機(jī)的PW1000G系列發(fā)動(dòng)機(jī)，市場反應(yīng)良好，先后被三菱重工、龐巴迪公司和俄羅斯聯(lián)合航空制造公司選中。作為僅有的兩款成型號(hào)的大推力GTF發(fā)動(dòng)機(jī)，PW8000與PW1000G為研究GTF發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。

1 PW8000總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)由單級(jí)風(fēng)扇，3級(jí)低壓壓氣機(jī)，5級(jí)高壓壓氣機(jī)，1級(jí)高壓渦輪和3級(jí)低壓渦輪組成，共有5個(gè)支點(diǎn)（包含一個(gè)中介支點(diǎn)），3個(gè)承力框架。為解決GTF發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的諸多問題，其在支承方案、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子連接等方面采用了大量新技術(shù)。

1.1 總體支承方案

齒輪減速箱使得低壓轉(zhuǎn)子斷開為兩個(gè)轉(zhuǎn)子，PW8000發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包含風(fēng)扇轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子與高壓轉(zhuǎn)子3部分，3個(gè)轉(zhuǎn)子均需要分別單獨(dú)支承。

1.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承方案

為適應(yīng)風(fēng)扇后狹小的支承空間，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子采用0-1的支承方案，用一個(gè)寬度較大的雙排V型滾棒軸承來承受風(fēng)扇轉(zhuǎn)子巨大的軸向力與徑向力，軸承支承在內(nèi)涵進(jìn)口承力框架上，載荷經(jīng)風(fēng)扇出口整流葉片傳遞到前安裝節(jié)。與滾珠軸承相比，雙排V型滾棒軸承可承受更大的軸向力與徑向力，但是其工作轉(zhuǎn)速較低，不適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低于傳統(tǒng)的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，這就為雙排V型滾棒軸承的應(yīng)用提供了可能。另外，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子發(fā)生微小角度偏轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)雙排V型滾棒軸承的損傷更小，使用壽命更長。

1.3 高速低壓渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低壓轉(zhuǎn)子因轉(zhuǎn)速提高，離心力增大，對(duì)低壓渦輪的影響最為明顯。為滿足高應(yīng)力的要求，PW8000的低壓渦輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)：葉冠結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在不改變其封嚴(yán)、阻尼、剛度加強(qiáng)效果前提下，盡量減小其質(zhì)量；葉身采用錐形葉身結(jié)構(gòu)，使其應(yīng)力分布均勻，并減小質(zhì)量；葉盤連接的軸向燕尾形榫頭寬度增加，提高其承載能力；輪盤加厚，盤心孔變小，提高渦輪盤的承載能力。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的高速低壓渦輪具有“小葉冠、錐形身、厚榫頭、大厚盤”的結(jié)構(gòu)特征。

1.4 振動(dòng)隔離措施

PW8000共有3個(gè)轉(zhuǎn)子，且引入一個(gè)具有高嚙合頻率的齒輪減速箱，相當(dāng)于多了一個(gè)高頻激振源，同時(shí)，高壓后支點(diǎn)采用了中介軸承，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)在多振源激勵(lì)下的振動(dòng)問題變得非常復(fù)雜。PW8000齒輪減速箱功率輸入軸采用了“波紋軸”結(jié)構(gòu)，功率輸出軸采用了“殼形軸”結(jié)構(gòu)，兩者的截面尺寸均變化較大，擁有較大的機(jī)械阻抗，可以減小齒輪箱的高頻振動(dòng)向低壓轉(zhuǎn)子與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子振動(dòng)能量的傳遞，起到了很好的隔振效果。齒輪減速箱的安裝座也采用了彈性安裝結(jié)構(gòu)[1]，減小了齒輪嚙合激勵(lì)的外傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪箱的振動(dòng)隔離。此外，PW8000還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣與承力框架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大了機(jī)械阻抗，提高了隔振效果，減小各支點(diǎn)間的振動(dòng)耦合。

對(duì)于中介軸承引起的高低壓振動(dòng)耦合問題，PW8000主要通過縮短中介支點(diǎn)與低壓渦輪后支點(diǎn)距離的方法來解決。

2 PW1000G總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

PW1000G是普惠公司在多年GTF研制技術(shù)積累之上開發(fā)的中等推力高涵道比GTF發(fā)動(dòng)機(jī)，繼承了眾多成熟技術(shù)，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了大量的改進(jìn)和新結(jié)構(gòu)。

2.1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承

PW1000G加大了風(fēng)扇支點(diǎn)兩個(gè)斜置滾棒軸承的距離，使其成為2個(gè)支點(diǎn)，形成0-2的支承方案，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子擁有更好的角向剛度。前承力框架也重新設(shè)計(jì)，采用了帶有環(huán)腔結(jié)構(gòu)的人字形支承，以提高其抗變形能力。

2.2 低壓轉(zhuǎn)子支承

低壓轉(zhuǎn)子為1-0-2支承方案，前支承前移，安置于低壓壓氣機(jī)后軸頸之前，靠近低壓壓氣機(jī)質(zhì)心，支承在內(nèi)涵進(jìn)口承力框架上，并且采用了鼠籠彈支與擠壓油膜阻尼器并用的支承結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)一方面改善了低壓轉(zhuǎn)子前支承徑向剛度不足的問題，給低壓轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供了結(jié)構(gòu)實(shí)施途徑；另一方面改善了低壓前支點(diǎn)載荷在機(jī)匣上的傳力路線，支點(diǎn)承受的載荷經(jīng)過內(nèi)涵進(jìn)口承力框架和風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片，直接傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)前主安裝節(jié)，縮短了在機(jī)匣上的傳遞距離，改善了風(fēng)扇機(jī)匣的受力狀態(tài)，有利于減小機(jī)匣變形。

低壓渦輪后支承采用了兩個(gè)軸承并用的支承結(jié)構(gòu)，可以有效提高低壓渦輪轉(zhuǎn)子的局部剛度，提高渦輪部件的抗變形能力，從而對(duì)低壓渦輪葉尖間隙控制提供了良好的條件，在后軸承支承處采用了鼠籠彈支與擠壓油膜阻尼器，以減少振動(dòng)。

2.3 高壓轉(zhuǎn)子支承及連接結(jié)構(gòu)

PW1000G的高壓轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了很大的改進(jìn)。取消了中介軸承，采用了渦輪級(jí)間機(jī)匣承力框架結(jié)構(gòu)，有效地控制了高低壓轉(zhuǎn)子間的振動(dòng)耦合，改善其動(dòng)力學(xué)特性。同時(shí)，高壓壓氣機(jī)增加為8級(jí)，高壓渦輪增加為2級(jí)，為高效率和長壽命設(shè)計(jì)提供了良好的條件。

高壓壓氣機(jī)前7級(jí)均為整體葉盤，只有第8級(jí)葉盤連接采用環(huán)向燕尾形榫頭連接，盤盤間采用止口定心，軸向壓緊固定，摩擦傳扭的可拆卸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)在大尺寸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的使用是一個(gè)里程碑式的創(chuàng)新。PW1000G采用中心長螺栓軸向拉緊的方式，將8級(jí)高壓壓氣機(jī)、鼓筒軸和2級(jí)高壓渦輪組合在一起。連接壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪轉(zhuǎn)子并提供穩(wěn)定軸向壓緊力的軸被稱為“領(lǐng)帶軸”（Tie Shaft）。在領(lǐng)帶軸上加工有三處螺紋，前端螺紋與高壓壓氣機(jī)前軸頸上的螺紋配合，中間螺紋與高壓壓氣機(jī)后軸頸后的大螺母配合，大螺母承受軸向力，緊緊頂住后軸頸的錐殼，將高壓壓氣機(jī)各級(jí)盤、鼓筒壓緊成一個(gè)整體。末端的螺紋與高壓渦輪后軸頸處的大螺母配合，傳遞軸向力，將2級(jí)高壓渦輪與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子壓緊成一個(gè)整體。

3 GTF發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能和高結(jié)構(gòu)效率[2]是以新設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)的，對(duì)這些新技術(shù)與新結(jié)構(gòu)的研究是GTF發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。通過對(duì)GTF渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)行為的研究梳理，其主要關(guān)鍵技術(shù)有如下7個(gè)方面。

3.1 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)中風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子斷開，使得風(fēng)扇轉(zhuǎn)子需要單獨(dú)支承，對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的軸向力平衡、支承設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成為GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的一大難點(diǎn)。

為平衡風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的巨大軸向力，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)使用了承載能力更強(qiáng)但工作轉(zhuǎn)速較低的斜置滾棒軸承。并且采用兩個(gè)支點(diǎn)，提高懸臂風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的角剛度。增加內(nèi)涵進(jìn)口承力框架，來支承風(fēng)扇轉(zhuǎn)子。同時(shí)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過采用鋁合金空心葉片等措施來對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)行減重，并且大量采用一體結(jié)構(gòu)來提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。

3.2 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)技術(shù)

在GTF發(fā)動(dòng)機(jī)中存在3個(gè)不同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，又有齒輪減速箱的復(fù)雜高頻嚙合激勵(lì)，使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)非常復(fù)雜，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)隔振設(shè)計(jì)技術(shù)十分重要。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征，隔振設(shè)計(jì)主要從軸間隔振和機(jī)匣隔振兩方面進(jìn)行隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一方面，在齒輪減速箱功率輸入、輸出軸上采用變截面軸結(jié)構(gòu)，使其高頻范圍內(nèi)的機(jī)械阻抗增大，可削弱齒輪嚙合高頻振動(dòng)在軸上的傳遞；另一方面，齒輪減速箱采用彈性安裝結(jié)構(gòu)，減小其振動(dòng)激勵(lì)的外傳，并對(duì)機(jī)匣與承力框架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大機(jī)械阻抗，提高隔振效果，減小各支點(diǎn)間的振動(dòng)耦合。

3.3 高速低壓轉(zhuǎn)子抗變形設(shè)計(jì)技術(shù)

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子采用高轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，工作轉(zhuǎn)速位于多階臨界轉(zhuǎn)速以上，是一個(gè)典型的高速柔性轉(zhuǎn)子，工作過程中易發(fā)生大的變形，可導(dǎo)致葉尖間隙過大或碰磨。

GTF高速低壓轉(zhuǎn)子的抗變形設(shè)計(jì)主要通過兩種結(jié)構(gòu)途徑。一是轉(zhuǎn)子局部結(jié)構(gòu)剛性的強(qiáng)化設(shè)計(jì)：低壓壓氣機(jī)與低壓渦輪采用盤鼓混合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、錐殼結(jié)構(gòu)和環(huán)腔結(jié)構(gòu)等剛度較好的結(jié)構(gòu)，提高轉(zhuǎn)子局部剛度；優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)，使其避開大應(yīng)力、大應(yīng)變區(qū)域，提高連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。二是支點(diǎn)位置和數(shù)目的優(yōu)化：前后支點(diǎn)分別靠近低壓壓氣機(jī)、低壓渦輪的質(zhì)心，并且在渦輪處采用兩個(gè)支點(diǎn)，減小壓氣機(jī)與渦輪部位的變形。

3.4 高穩(wěn)定性可拆卸轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)技術(shù)

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)為追求高性能，在壓氣機(jī)中大量采用了整體葉盤和分段式整環(huán)機(jī)匣，這就要求轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)必須是可拆卸。而高穩(wěn)定性、長壽命可拆卸連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)是高速轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的保證。

PW1000G創(chuàng)造性的在大尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)中將“領(lǐng)帶軸”結(jié)構(gòu)用于復(fù)雜轉(zhuǎn)子的連接，軸向拉緊、止口摩擦傳扭，并與多功能壓氣機(jī)-渦輪連接鼓筒軸配合使用，形成一個(gè)高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、大剛度的可拆卸轉(zhuǎn)子，很好地滿足了設(shè)計(jì)要求，給高速轉(zhuǎn)子的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新思路，代表了新的發(fā)展方向，具有很高的研究價(jià)值。

3.5 具有大跳動(dòng)量的轉(zhuǎn)靜子間石墨封嚴(yán)技術(shù)

在GTF發(fā)動(dòng)機(jī)中，功率輸出軸、輸入軸與齒輪減速箱存在較大的不同心度，主要表現(xiàn)為角度不同心與徑向不同心。工作時(shí)轉(zhuǎn)子引起的大的振動(dòng)響應(yīng)，會(huì)影響到封嚴(yán)裝置的封嚴(yán)效果和使用壽命。由于傳動(dòng)齒輪箱連接轉(zhuǎn)子在工作時(shí)存在大不同心度（振動(dòng)幅值大），篦齒封嚴(yán)和傳統(tǒng)的石墨封嚴(yán)很難滿足設(shè)計(jì)要求，普惠公司采用了新型的多塊石墨封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，對(duì)石墨環(huán)的結(jié)構(gòu)形式、石墨材料等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠滿足大不同心度、高轉(zhuǎn)速、長壽命的要求。

3.6 高速低壓渦輪結(jié)構(gòu)-強(qiáng)度一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高對(duì)于工作溫度較高的低壓渦輪部件影響最大，其原有設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足新的強(qiáng)度要求，必須采用新技術(shù)對(duì)低壓渦輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

低壓渦輪的結(jié)構(gòu)-強(qiáng)度一體化設(shè)計(jì)主要集中在兩個(gè)方面，一方面是葉片的減重，在不影響氣動(dòng)效率的前提下，采用了小葉冠、錐形葉身的結(jié)構(gòu)形式，以減小離心載荷；另一方面是輪盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，增大軸向燕尾形榫頭的寬度，增加輪盤的厚度，減小輪盤盤心孔直徑，提高承載能力[3]。

4 結(jié)束語

GTF發(fā)動(dòng)機(jī)在提高氣動(dòng)效率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是需要在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)上提供創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)技術(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高給予有力的支持。

由于齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的存在，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)承力和變形具有重要影響，所以總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要發(fā)展整機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析技術(shù)。

采用高穩(wěn)定性的可拆卸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證高效渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤結(jié)構(gòu)使用的關(guān)鍵技術(shù)。

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，空氣系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)的封嚴(yán)技術(shù)和葉片與機(jī)匣葉尖間隙控制技術(shù)是總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須重視的問題。