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