齒輪驅動渦扇發動機結構設計特點分析

張德志，張錦繡，王 鳳

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

隨著對經濟性的關注度達到頂點和對環保要求的不斷提高，航空發動機研制向著經濟性更好、環境友好程度更高的方向發展。在對傳統航空發動機進一步挖掘技術潛力越來越困難的情況下，各航空發動機廠商不約而同地將目光投向了新型航空發動機的探索研究。于是，齒輪驅動渦扇（GTF）、開式轉子、間冷回熱等新概念航空發動機逐漸進入視野，其中，作為GTF發動機的典型代表，PW公司的PW1000G發動機的技術成熟度最高、最接近實際應用。該發動機已于2009年12月被俄羅斯伊爾庫特飛機公司選為出口型MC-21客機的動力裝置；2010年12月1日，與CFMI公司的Leap X發動機一起被空中客車公司選項為A320改進型A320NEO飛機的動力裝置；并將于2013年裝在日本三菱公司的支線飛機MRJ和龐巴迪公司的C系列飛機上投入航線運營。

相對于傳統渦扇發動機，GTF發動機呈現出了一些新特點值得關注和分析。

1 GTF發動機結構設計特點分析

雖然GTF發動機比傳統渦扇發動機僅僅增加了1個減速齒輪箱，但其對航空發動機帶來的影響卻是全方位的，除了核心機變化較小外，其余部分均有變化。

1.1 總體結構

在傳統雙轉子渦風扇發動機中，風扇和低壓壓氣機共用1根軸，支承在2個軸承上，整個低壓轉子軸向力通過1個止推軸承傳遞到發動機承力機匣上。在GTF發動機中，由于在風扇和低壓壓氣機之間增加了1個減速齒輪箱，人為地隔斷了風扇和低壓壓氣機之間的支承及軸向力聯系（如圖1所示），從而帶來了一系列總體結構設計問題。

圖1 GTF發動機的風扇和低壓壓氣機

（1）低壓轉子前支點布置。傳統雙轉子渦扇發動機低壓轉子一般采用3支點或4支點支承方案。而GTF發動機，由于風扇部件相對獨立，必須額外增加2個軸承，用于承擔風扇部件的軸向力和徑向力，以及保持風扇葉尖的合理間隙；同時，由于增加了減速齒輪箱部件，要在狹小空間中精心布置風扇和低壓壓氣機的4個軸承及相關的滑油供油噴嘴。

（2）傳力路線和承力機匣的設置。在傳統雙轉子渦扇發動機中，一般在高、低壓壓氣機之間設置中介機匣以傳遞轉子的軸向力及徑向力，其中第1支點的軸向力或徑向力通過軸承機匣傳遞到中介機匣前部，第2支點的軸向力或徑向力通過軸承機匣傳遞到中介機匣后部，然后通過中介機匣傳到飛機上（如圖2所示）。而在GTF發動機中，由于減速齒輪箱的存在，風扇軸支點的力無法通過軸承機匣傳遞到中介機匣上，而需要在內涵流道進口附近設置承力框架，將風扇軸支點的力傳遞出去；低壓壓氣機軸支點上的力與高壓前支點上的力可以一起通過軸承機匣傳遞到中介機匣。這樣，在低壓壓氣機流路中要設置前后2個承力框架，傳力路線及承力框架設置如圖2所示。

圖2 傳統雙轉子渦扇發動機承力機匣及傳力路線

（3）轉子同心度保持。在GTF發動機中，由于減速齒輪箱的存在，要像傳統發動機那樣對整個低壓轉子支點的同心度一樣嚴格要求十分困難，同時也沒必要。可以對前段（風扇軸段）和后段（低壓壓氣機和低壓渦輪軸段）分別要求，而在風扇軸與減速齒輪箱之間和減速齒輪箱與低壓壓氣機軸之間考慮不同心補償問題。PW1000G發動機低壓壓氣機軸采用了類似波紋管結構的補償措施，如圖3所示。

圖3 低壓壓氣機軸上的不同心補償結構

（4）潤滑和密封問題。對GTF發動機的滑油和密封問題的特殊考慮，主要集中在減速齒輪箱部位。一方面空間變得非常狹小，另一方面需要潤滑冷卻的部位又增多，滑油管路和噴嘴布置需要更加緊湊。用于密封的引氣通路也需要仔細考慮。

（5）低壓轉子軸向力的考慮。由于風扇與低壓壓氣機部件和低壓渦輪部件之間的“拔河作用”，傳統渦扇發動機最終需要由低壓止推軸承傳遞出去的軸向力相對來說并不是很大。但是，GTF發動機，風扇部件向前的軸向力沒有渦輪部件向后軸向力的補償，只能靠選取大直徑止推軸承來承擔。而低壓壓氣機和低壓渦輪軸部件，由于沒有風扇部件向前的“拔河作用”，止推軸承的選取和卸荷腔的設置需要更仔細考慮。

（6）防止風扇轉子向前飛出的安全性考慮。防止轉子飛出是民航發動機必須滿足的適航要求，對于沒有進氣靜子機匣的傳統渦扇發動機來說，不論止推軸承設置在No.1支點還是No.2支點，風扇軸或軸承機匣等部件的設計均采用防風扇轉子向前飛出的結構。在GTF發動機上，對風扇轉子飛出問題是否需要怎樣的特殊考慮，需要仔細研究。

（7）裝配分解問題。相對于傳統渦扇發動機，GTF發動機由于新增加了減速齒輪箱和止推軸承，在結構方案設計中必須重新考慮風扇和低壓壓氣機部件的裝配分解。

（8）風扇轉子的本機平衡。在傳統大涵道比渦扇發動機中，對低壓部件進行本機平衡是必須進行的工作，不論在風扇部件還是在渦輪部件上調整配重均是對整個低壓轉子的平衡，而在GTF發動機中，傳統的在風扇冒罩上調整平衡配重的方法只能用于平衡風扇轉子，而對低壓壓氣機和低壓渦輪轉子無法起到平衡作用。若低壓壓氣機和低壓渦輪轉子也需要本機平衡，則必須在低壓渦輪后端設置調整配重。

1.2 減速齒輪箱

減速齒輪箱是GTF發動機區別與傳統渦扇發動機的顯著標志，也是GTF發動機技術成熟度的決定因素。其基本要求是傳遞功率大、體積小、質量輕、效率高和工作平穩。截至目前，PW1000G發動機選擇的、由PW和Avio公司設計生產的限制行星輪公轉的行星式齒輪傳動系統是最適用的，如圖4所示。以后隨著技術的不斷革新和進步，有可能出現更合適的減速器。

圖4 行星減速齒輪箱

1.3 滑油系統

由于采用了齒輪傳動式減速箱，用于潤滑和冷卻的滑油需求量增加，相應滑油泵供、回油能力需要增強。但更主要的是：（1）由于減速齒輪箱傳動效率無法達到百分之百，會將一部分渦輪功轉化為熱量消耗掉，這部分熱量需要由滑油帶走，并經滑油散熱器傳出。由于散熱量增加，單純用燃油冷卻的方式難以滿足要求，需要進一步考慮散熱問題。（2）減速齒輪箱是否需要進行故障監控，單獨進行還是與前軸承腔的軸承一起監控，需要研究。

1.4 風扇部件

GTF發動機和傳統渦扇發動機的風扇部件區別不大。設計關注點在于，由于GTF發動機的涵道比增大、風扇直徑增大，會導致質量增加，需要在設計選材等方面來補償。同時由于風扇轉速降低，為低密度的鋁合金和復合材料的選擇提供了有利條件。

1.5 低壓壓氣機部件

在傳統大涵道比渦扇發動機中，低壓壓氣機軸一般采用盤鼓結構，只在最后1級轉子上設置1個盤心孔直徑較大且厚度較薄的盤，其余部分均只有鼓而無盤，軸前端與風扇盤相連，如圖5所示。而在GTF發動機中，由于低壓壓氣機轉速提高，傳統的鼓式結構已無法滿足增大的離心載荷要求，需要采用完全的盤鼓結構，因此結構質量會增加。但由于轉速提高，低壓壓氣機的級數可以減少，可補償一部分質量。

圖5 傳統低壓壓氣機結構形式

1.6 高速低壓渦輪部件

由于設置了減速箱，GTF發動機設計可以采用高速低壓渦輪，以獲取更高的低壓渦輪效率，并相應減少低壓渦輪級數和每級的葉片數量。但是，低壓渦輪轉速提高勢必引起低壓渦輪結構設計變化很大，具體需要關注以下3個方面。

（1）低壓渦輪轉子葉片。由于轉速提高，葉片所產生的和要承受的離心載荷增大，因此高速低壓渦輪轉子葉片結構設計主要集中在減質和增加承載能力2方面。改進葉冠結構形式和合理選擇輕質材料是減質的主要手段，而采用縱樹型榫頭連接和增加榫頭的軸向厚度是增加葉片承載能力的手段，另外葉身延徑向逐漸變細的結構形式會使葉身上的離心載荷分布變得更均勻，如圖6所示。

圖6 低壓渦輪葉片對比

（2）低壓渦輪盤。轉子轉速提高而帶來的離心載荷增大，不僅使輪盤的盤心孔直徑變小、盤緣和盤心厚度增加，更要注意的是盤與盤之間的連接形式無法采用傳統低速渦輪盤的連接形式，轉子與靜子內環之間也無法采用低速渦輪的篦齒蜂窩封嚴結構，如圖7所示。

圖7 低壓渦輪盤及盤間連接、密封

（3）低壓渦輪機匣。對于低壓渦輪機匣，最主要的是需要提高機匣的包容能力。

2 結束語

相對于傳統渦風扇發動機，GTF發動機的核心機基本沒有變化，變化主要集中在發動機總體結構和低壓部件及滑油系統上。從總體結構方面來說，由于在風扇和低壓壓氣機之間增加了1個減速齒輪箱，使得風扇、低壓壓氣機和低壓渦輪組成的低壓轉子一體化被破壞，風扇轉子與由低壓壓氣機和低壓渦輪組成的一體化轉子之間沒有了軸向力的聯系。這些因素直接影響了整個低壓轉子支點布置、支點軸承的選取和傳力路線設計。而對低壓部件來說，結構設計變化主要在于風扇轉速降低而低壓壓氣機和低壓渦輪轉子轉速提高帶來的一系列影響。滑油系統的變化主要來自需要潤滑和冷卻部位的增加。

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