PW4000發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)分析

1、電子信息工程學院現(xiàn)代航空燃氣輪機結(jié)構(gòu)分析現(xiàn)代航空燃氣輪機結(jié)構(gòu)分析討論課討論課PW4000PW4000高涵道比渦扇發(fā)動機高涵道比渦扇發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)分析總體結(jié)構(gòu)分析報告人：朱美印劉宏蕾 陳懷榮 徐蒙 王漢義能源與動力工程學院2014年11月電子信息工程學院PW4000渦扇發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)渦扇發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)電子信息工程學院PW4000風扇、增壓壓氣機支承結(jié)構(gòu)風扇、增壓壓氣機支承結(jié)構(gòu)PW4000PW4000發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子采用鼓發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子采用鼓式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)簡單、式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)目少、加工方便，具有較高零件數(shù)目少、加工方便，具有較高的抗彎剛性，但受到強度的限制。的抗彎剛性

2、，但受到強度的限制。 PW4000PW4000發(fā)動機的單級風扇盤上發(fā)動機的單級風扇盤上固定著固定著4 4級低壓壓氣機（即增壓壓氣級低壓壓氣機（即增壓壓氣機），是目前高涵道比渦扇發(fā)動機機），是目前高涵道比渦扇發(fā)動機的常規(guī)設計。做成弧線形的低壓壓的常規(guī)設計。做成弧線形的低壓壓氣機氣流通道，在末級動葉后有放氣機氣流通道，在末級動葉后有放氣環(huán)。風扇和高壓壓氣機之間的中氣環(huán)。風扇和高壓壓氣機之間的中介機匣是主承力機匣，是最復雜的介機匣是主承力機匣，是最復雜的構(gòu)件。增壓壓氣機葉片采用可控擴構(gòu)件。增壓壓氣機葉片采用可控擴散葉型。散葉型。 低壓轉(zhuǎn)子的滾珠軸承設在風扇盤之后成為低壓轉(zhuǎn)子的滾珠軸承設在風扇盤之后成

3、為1 1號軸承。風扇盤上號軸承。風扇盤上的后軸未直接與低壓渦輪軸相連，而是通過中介軸與低壓渦輪軸相的后軸未直接與低壓渦輪軸相連，而是通過中介軸與低壓渦輪軸相連，中介軸與風扇后軸、低壓渦輪軸均用套齒聯(lián)軸器相連，這樣設連，中介軸與風扇后軸、低壓渦輪軸均用套齒聯(lián)軸器相連，這樣設計主要是為了提高低壓渦輪軸的安全性。計主要是為了提高低壓渦輪軸的安全性。電子信息工程學院PW4000高壓壓氣機轉(zhuǎn)子高壓壓氣機轉(zhuǎn)子 高 壓 轉(zhuǎn) 子 采高 壓 轉(zhuǎn) 子 采用盤鼓混合式結(jié)用盤鼓混合式結(jié)構(gòu)，且為焊接和構(gòu)，且為焊接和短螺栓連接。其短螺栓連接。其結(jié)構(gòu)特點是由盤、結(jié)構(gòu)特點是由盤、鼓筒和軸組成，鼓筒和軸組成，兼具鼓式轉(zhuǎn)子抗兼具

4、鼓式轉(zhuǎn)子抗彎性和盤式轉(zhuǎn)子彎性和盤式轉(zhuǎn)子強度高的特點。強度高的特點。 1111級高壓壓氣機的增壓比約為級高壓壓氣機的增壓比約為11.011.0，平均級增壓比為，平均級增壓比為1.2341.234。葉片與低。葉片與低壓壓氣機一樣，采用了可控擴散葉型。高壓轉(zhuǎn)子為焊接結(jié)構(gòu)。后壓壓氣機一樣，采用了可控擴散葉型。高壓轉(zhuǎn)子為焊接結(jié)構(gòu)。后3 3級鎳基合級鎳基合金盤與后軸焊成一體，第金盤與后軸焊成一體，第2-82-8級鈦合金盤焊成一體，第級鈦合金盤焊成一體，第1 1級盤和前軸（均為鈦級盤和前軸（均為鈦合金）做成單件，然后在第合金）做成單件，然后在第1-21-2級和第級和第8-98-9級盤間分別用短螺栓連接以組成

5、整級盤間分別用短螺栓連接以組成整體轉(zhuǎn)子。體轉(zhuǎn)子。電子信息工程學院PW4000轉(zhuǎn)子支承方案轉(zhuǎn)子支承方案 PW4000 LP 0-2-1 1#、 1.5#、4# HP 1-1-0 2#、 3# JT9D LP 0-1-1 1#、 4# HP 1-1-0 2#、 3# JT9DPW4000電子信息工程學院PW4000支承方案分析支承方案分析 PW4000PW4000發(fā)動機主要采用不帶中介軸承的支承方案。發(fā)動機主要采用不帶中介軸承的支承方案。PW4000PW4000低壓轉(zhuǎn)子為低壓轉(zhuǎn)子為021021方案，高壓轉(zhuǎn)子為方案，高壓轉(zhuǎn)子為110110方案，方案，5 5個支個支點支承于點支承于3 3個機匣上，無中

6、介支點。個機匣上，無中介支點。在低壓轉(zhuǎn)子上，增加了一個支點，即在風扇后滾珠軸承后在低壓轉(zhuǎn)子上，增加了一個支點，即在風扇后滾珠軸承后面，增加一個滾棒軸承。這種設計方案很好地解決了低壓面，增加一個滾棒軸承。這種設計方案很好地解決了低壓轉(zhuǎn)子剛度不足的問題。轉(zhuǎn)子剛度不足的問題。高壓轉(zhuǎn)子采用的二支點支承方案將渦輪后支點放在渦輪前，高壓轉(zhuǎn)子采用的二支點支承方案將渦輪后支點放在渦輪前，縮短了高壓軸的長度，有利于控制軸的變形，具有良好的縮短了高壓軸的長度，有利于控制軸的變形，具有良好的振動特性，同時給低壓轉(zhuǎn)子提供了一定的設計裕度，但由振動特性，同時給低壓轉(zhuǎn)子提供了一定的設計裕度，但由于軸承徑向尺寸的限制，渦輪

7、軸剛性較小，并且兩級渦輪于軸承徑向尺寸的限制，渦輪軸剛性較小，并且兩級渦輪盤呈懸臂。盤呈懸臂。由于由于PW4000PW4000支承方案不帶中介軸承，因而相比較帶中介軸支承方案不帶中介軸承，因而相比較帶中介軸承的支承方案，其結(jié)構(gòu)簡單，但需要有較長的低壓軸，導承的支承方案，其結(jié)構(gòu)簡單，但需要有較長的低壓軸，導致加工比較困難。致加工比較困難。 電子信息工程學院PW4000傳力路線分析傳力路線分析 扭矩扭矩氣動產(chǎn)生的扭矩一方面通過轉(zhuǎn)子葉片傳給軸承再傳給軸，氣動產(chǎn)生的扭矩一方面通過轉(zhuǎn)子葉片傳給軸承再傳給軸，另一方面將通過靜子傳給支撐機匣，粗略地看兩者可以抵消。而另一方面將通過靜子傳給支撐機匣，粗略地看兩

8、者可以抵消。而實際上由渦輪輸出的燃氣并非完全軸向，故最終作用于機匣上少實際上由渦輪輸出的燃氣并非完全軸向，故最終作用于機匣上少量力矩，再由發(fā)動機安裝邊傳給飛機。扭矩的傳遞依靠聯(lián)軸器。量力矩，再由發(fā)動機安裝邊傳給飛機。扭矩的傳遞依靠聯(lián)軸器。 軸向力軸向力氣動產(chǎn)生的軸向力在壓氣機跟渦輪上有著較大的力，氣動產(chǎn)生的軸向力在壓氣機跟渦輪上有著較大的力，先是氣體沖撞葉片傳遞給葉片，再由鼓筒或盤傳遞給軸承，而軸先是氣體沖撞葉片傳遞給葉片，再由鼓筒或盤傳遞給軸承，而軸承承受的軸向力需要卸荷承承受的軸向力需要卸荷一方面壓氣機和渦輪的軸向力方向一方面壓氣機和渦輪的軸向力方向相反，相鄰安裝有助于卸荷，另一方面卸荷腔

9、的應用也將減小軸相反，相鄰安裝有助于卸荷，另一方面卸荷腔的應用也將減小軸向載荷。向載荷。 慣性力慣性力發(fā)動機內(nèi)的部件自身質(zhì)量會產(chǎn)生徑向力，這個徑向力發(fā)動機內(nèi)的部件自身質(zhì)量會產(chǎn)生徑向力，這個徑向力將由軸承支承，而軸承最終將力傳遞給機匣。將由軸承支承，而軸承最終將力傳遞給機匣。PW4000PW4000應用了渦輪應用了渦輪級間支撐框架傳力級間支撐框架傳力在兩級渦輪之間建立了承力框架，但這種在兩級渦輪之間建立了承力框架，但這種做法拉長了發(fā)動機軸向長度，且降低了渦輪效率。同時由于做法拉長了發(fā)動機軸向長度，且降低了渦輪效率。同時由于PW4000PW4000渦輪轉(zhuǎn)子有后支點，結(jié)構(gòu)上采用了渦輪后軸承機匣，將軸

10、渦輪轉(zhuǎn)子有后支點，結(jié)構(gòu)上采用了渦輪后軸承機匣，將軸承負荷外傳。承負荷外傳?？傮w傳力路線：總體傳力路線：葉片葉片盤盤 鼓筒鼓筒軸承軸承軸軸機匣（徑向）機匣（徑向）電子信息工程學院PW4000結(jié)構(gòu)支承傳力分析結(jié)構(gòu)支承傳力分析 軸承軸承1 1將低壓壓氣機的推力傳遞給中介機匣；將低壓壓氣機的推力傳遞給中介機匣； 軸承軸承1.51.5徑向支承低壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動軸；徑向支承低壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動軸； 軸承軸承2 2將高壓壓氣機推力傳給中介機匣；將高壓壓氣機推力傳給中介機匣； 軸承軸承3 3徑向支承高壓壓氣機和高壓渦輪；徑向支承高壓壓氣機和高壓渦輪； 軸承軸承4 4徑向支承低壓轉(zhuǎn)子尾端和低壓渦輪。徑向支承低壓轉(zhuǎn)子尾端和低壓

11、渦輪。軸承從左向右軸承從左向右依次編號：依次編號：1 1、1.51.5、2 2、3 3、4 4電子信息工程學院轉(zhuǎn)子要有足夠的剛性和強度； 基本原則是等強度，等剛度設計；抗外物打傷能力和包容能力強；采用結(jié)構(gòu)措施提高可靠性；防喘、減緩振動，避免共振； 效率提高、工作穩(wěn)定可靠；重量輕、壽命長、成本低。PW4000風扇轉(zhuǎn)子設計要求風扇轉(zhuǎn)子設計要求電子信息工程學院PW4000風扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點風扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點 PW4000PW4000發(fā)動機單級風扇上固定著發(fā)動機單級風扇上固定著4 4級低壓壓氣機，風扇葉級低壓壓氣機，風扇葉片保留有一個減振凸臺，雖然對凸臺的設計做了許多改進，片保留有一個減振凸臺，雖然對凸臺

12、的設計做了許多改進，但與無凸臺相比，在性能、強度、和加工性等方面仍略為但與無凸臺相比，在性能、強度、和加工性等方面仍略為遜色。葉片前緣由原先常規(guī)的尖頭改成橢圓，提高其抗外遜色。葉片前緣由原先常規(guī)的尖頭改成橢圓，提高其抗外物撞擊能力。物撞擊能力。 3838片葉身帶中間凸肩的鈦合金葉片（片葉身帶中間凸肩的鈦合金葉片（PW4084PW4084為無凸臺的寬為無凸臺的寬弦空心葉片）。弦空心葉片）。 風扇排氣涵道的收斂度大，以減少氣流流過靜葉的氣動損風扇排氣涵道的收斂度大，以減少氣流流過靜葉的氣動損失。壓力比失。壓力比1.661.761.661.76。 葉根為燕尾型榫頭。葉根為燕尾型榫頭。 風扇葉片為風扇

13、葉片為LRULRU，可在外場按重量矩成對更換。，可在外場按重量矩成對更換。 葉身構(gòu)造特點：帶凸肩阻尼結(jié)構(gòu)的葉片葉身中部配有減振葉身構(gòu)造特點：帶凸肩阻尼結(jié)構(gòu)的葉片葉身中部配有減振凸肩（或稱阻尼臺），各個葉片之間的凸肩相互頂緊，可凸肩（或稱阻尼臺），各個葉片之間的凸肩相互頂緊，可避免發(fā)生共振和顫振，提高葉片抗外物打擊能力。避免發(fā)生共振和顫振，提高葉片抗外物打擊能力。電子信息工程學院PW4000機匣設計要求機匣設計要求 在支撐結(jié)構(gòu)中承擔著承力框架的作用，同時承擔防止葉片飛出在支撐結(jié)構(gòu)中承擔著承力框架的作用，同時承擔防止葉片飛出時的包容作用和吸聲降噪的作用。風扇機匣提供一平滑氣流通時的包容作用和吸聲降

14、噪的作用。風扇機匣提供一平滑氣流通道并支撐安裝進氣道整流罩。道并支撐安裝進氣道整流罩。電子信息工程學院PW4000機匣結(jié)構(gòu)特點機匣結(jié)構(gòu)特點1.1.前風扇機匣結(jié)構(gòu)特點前風扇機匣結(jié)構(gòu)特點 支撐安裝進氣道整流錐支撐安裝進氣道整流錐 包容環(huán)（阻隔器）：內(nèi)有風扇葉尖防磨帶包容環(huán)（阻隔器）：內(nèi)有風扇葉尖防磨帶可阻擋風扇葉片斷裂可阻擋風扇葉片斷裂時徑向飛出發(fā)動機。時徑向飛出發(fā)動機。2.2.中介機匣結(jié)構(gòu)特點中介機匣結(jié)構(gòu)特點 風扇和高壓壓氣機之間的中介機匣是主承力機匣，也是最復雜的構(gòu)風扇和高壓壓氣機之間的中介機匣是主承力機匣，也是最復雜的構(gòu)件。件。 它的中心部分是由合金鋼鑄成的帶它的中心部分是由合金鋼鑄成的帶9

15、 9個承力支持的同心三層圓個承力支持的同心三層圓環(huán)。外涵道中的環(huán)。外涵道中的9 9個承力支板單獨鑄成后焊在中心部分外環(huán)上。這種個承力支板單獨鑄成后焊在中心部分外環(huán)上。這種用鑄、焊結(jié)合制造復雜構(gòu)件的辦法，也是新一代發(fā)動機中為減少零用鑄、焊結(jié)合制造復雜構(gòu)件的辦法，也是新一代發(fā)動機中為減少零件數(shù)常采用的措施。件數(shù)常采用的措施。3.3.高壓壓氣機機匣結(jié)構(gòu)特點高壓壓氣機機匣結(jié)構(gòu)特點 采用典型雙層機匣結(jié)構(gòu)，內(nèi)機匣做成沿軸向分成多段，每段機匣均采用典型雙層機匣結(jié)構(gòu)，內(nèi)機匣做成沿軸向分成多段，每段機匣均做成整環(huán)，用兩段機匣的安裝邊將帶安裝邊的外環(huán)夾住，靜子葉片做成整環(huán)，用兩段機匣的安裝邊將帶安裝邊的外環(huán)夾住，

16、靜子葉片做成幾個扇形段。裝拆時，無需裝拆葉片。這種結(jié)構(gòu)設計保證了均做成幾個扇形段。裝拆時，無需裝拆葉片。這種結(jié)構(gòu)設計保證了均勻的葉尖間隙，但結(jié)構(gòu)變的復雜，質(zhì)量增加。勻的葉尖間隙，但結(jié)構(gòu)變的復雜，質(zhì)量增加。電子信息工程學院PW4000機匣結(jié)構(gòu)特點機匣結(jié)構(gòu)特點 第第4 4級以后的機匣做成雙層。外層機匣與燃燒室機匣相連，級以后的機匣做成雙層。外層機匣與燃燒室機匣相連，是承受負荷的構(gòu)件；內(nèi)層機匣作為氣流通道的包容機匣并是承受負荷的構(gòu)件；內(nèi)層機匣作為氣流通道的包容機匣并固定靜葉。前固定靜葉。前4 4級采用可調(diào)靜葉，機匣外部要求安裝調(diào)節(jié)級采用可調(diào)靜葉，機匣外部要求安裝調(diào)節(jié)裝置，加上本身直徑相對較大，所以第

17、裝置，加上本身直徑相對較大，所以第4 4級以前按單層設級以前按單層設計。計。 渦輪后承力機匣的內(nèi)外環(huán)用可擴散葉型的葉片連接，葉片渦輪后承力機匣的內(nèi)外環(huán)用可擴散葉型的葉片連接，葉片數(shù)比常規(guī)的承力支板多出一倍，起到半級渦輪的作用。數(shù)比常規(guī)的承力支板多出一倍，起到半級渦輪的作用。 高低壓渦輪上都采用了主動間隙控制技術，即按照不同的高低壓渦輪上都采用了主動間隙控制技術，即按照不同的工況，改變吹向機匣外壁的冷卻空氣量。工況，改變吹向機匣外壁的冷卻空氣量。電子信息工程學院PW4000氣流通道設計特點 進進 氣氣 口：環(huán)形，固定唇口?？冢涵h(huán)形，固定唇口。 風扇：單級軸流式。鈦合金輪轂上裝有風扇：單級軸流式。

18、鈦合金輪轂上裝有3838片帶凸臺窄弦轉(zhuǎn)子片帶凸臺窄弦轉(zhuǎn)子葉片葉片(PW4084(PW4084為無凸臺的寬弦空心葉片為無凸臺的寬弦空心葉片) )，風扇排氣涵道的收斂度，風扇排氣涵道的收斂度大，以減少氣流流過靜葉的氣動力損失。壓比為大，以減少氣流流過靜葉的氣動力損失。壓比為1.661.661.761.76。 低壓壓氣機：低壓壓氣機：4 4級軸流式。級軸流式。 高壓壓氣機：高壓壓氣機：1111級軸流式。級軸流式。 燃燃 燒燒 室：短環(huán)形。室：短環(huán)形。 高壓渦輪：高壓渦輪：2 2級軸流式。級軸流式。 低壓渦輪：低壓渦輪：4 4級軸流式級軸流式(PW4168(PW4168和和PW4084PW4084分別

19、為分別為5 5級和級和7 7級級) )。電子信息工程學院PW4000氣流通道設計特點低壓壓氣機：通道形式為弧形低壓壓氣機：通道形式為弧形高壓壓氣機：采用等內(nèi)徑設計高壓壓氣機：采用等內(nèi)徑設計 電子信息工程學院PW4000氣流通道設計特點氣動流態(tài)圖氣動流態(tài)圖u主函道氣流主函道氣流 提供約提供約20%20%的推力；主要用于燃燒、的推力；主要用于燃燒、冷卻、發(fā)動機穩(wěn)定性控制及氣動系統(tǒng)的動力源。冷卻、發(fā)動機穩(wěn)定性控制及氣動系統(tǒng)的動力源。u風扇函道氣流風扇函道氣流 提供約提供約80%80%的推力；主要用于冷卻渦的推力；主要用于冷卻渦輪機匣、發(fā)動機組件及發(fā)動機整流罩。輪機匣、發(fā)動機組件及發(fā)動機整流罩。電子信

20、息工程學院軸承帶安裝邊 內(nèi)環(huán)分半環(huán)下供油 端面石墨密封PW4000 支點支點11號軸承號軸承風扇輪盤后滾珠軸承風扇輪盤后滾珠軸承電子信息工程學院PW4000 支點支點11號軸承結(jié)構(gòu)號軸承結(jié)構(gòu)電子信息工程學院滑油噴嘴9級氣，封嚴PW4000支點支點-1.5-1.5號軸承號軸承電子信息工程學院PW4000支點支點-2-2號軸承號軸承滾珠軸承彈性支承擠壓油膜阻尼器 端面石墨封嚴內(nèi)環(huán)供油 彈性支座，降低轉(zhuǎn)子支承剛性，使發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速，減少振動。折返式彈性支座，在限幅環(huán)中充以滑油，形成了“帶擠壓油膜的彈性支座”電子信息工程學院PW4000支點支點 2 2號軸承結(jié)構(gòu)號軸承結(jié)構(gòu)電子信息工程學院P

21、W4000支點支點-3-3號軸承號軸承電子信息工程學院PW4000支點支點-3-3號軸承號軸承電子信息工程學院PW4000支點支點- -3 3號軸承號軸承電子信息工程學院PW4000支點支點-4-4號軸承號軸承4級空氣軸承座軸承座-帶擠壓油膜帶擠壓油膜封封 嚴嚴-徑向石墨式徑向石墨式電子信息工程學院PW4000支點支點-4-4號軸承結(jié)構(gòu)號軸承結(jié)構(gòu)電子信息工程學院PW4000- -低壓聯(lián)軸器低壓聯(lián)軸器電子信息工程學院PW4000高氣動效率的實現(xiàn)措施高氣動效率的實現(xiàn)措施1.1.為了在起飛大負荷狀態(tài)下將風扇葉尖的彎曲度降到最小，為了在起飛大負荷狀態(tài)下將風扇葉尖的彎曲度降到最小，在低壓轉(zhuǎn)子上在低壓轉(zhuǎn)子

22、上1 1號軸承后增加了一個滾棒軸承，即號軸承后增加了一個滾棒軸承，即1.51.5號號軸承。軸承。2.2.葉片前緣由原先常規(guī)的尖頭改成橢圓，提高其抗外物撞葉片前緣由原先常規(guī)的尖頭改成橢圓，提高其抗外物撞擊能力。做成弧線形的低壓壓氣機氣流通道，在末級動擊能力。做成弧線形的低壓壓氣機氣流通道，在末級動葉后有放氣環(huán)。葉片上斜著裝在鼓環(huán)上，增壓壓氣機葉葉后有放氣環(huán)。葉片上斜著裝在鼓環(huán)上，增壓壓氣機葉片采用了可控擴散葉型。片采用了可控擴散葉型。3.3.高壓壓氣機葉片采用可控擴散葉型。在低空、大工況高壓壓氣機葉片采用可控擴散葉型。在低空、大工況（即起飛、爬升）下工作時，第（即起飛、爬升）下工作時，第5 5級空氣進入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔對級空氣進入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔對轉(zhuǎn)子冷卻以避免葉尖與機匣相碰，同時還對低壓渦輪等轉(zhuǎn)子冷卻以避免葉尖與機匣相碰，同時還對低壓渦輪等處進行冷卻；當高度超過處進行冷卻；當高度超過5000500