齒輪驅動大涵道比渦扇發動機設計技術特點分析

薛冰晶，周 淼

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 201108）

齒輪驅動大涵道比渦扇發動機設計技術特點分析

薛冰晶，周 淼

（中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 201108）

分析了大涵道比渦輪風扇發動機提高經濟性的方法和限制耗油率降低的原因，給出了齒輪傳動構型的大涵道比渦扇發動機的特點及優勢。與雙軸直驅型對比分析，給出了齒輪傳動構型總體性能的參數變化趨勢和匹配規律，得出了高速低壓系統/部件氣動設計的技術特點，分析了傳動齒輪的設計特點及難點。

齒輪驅動；大涵道比渦扇發動機；GTF發動機；技術特點

1 引言

隨著民用航空發動機技術的飛速發展，低油耗、低污染排放和高安全性已成為大涵道比渦扇發動機競相追逐的目標。大涵道比渦扇發動機為降低單位耗油率所采用的方法主要為：提高循環熱效率和提高推進效率。

提高循環熱效率的主要途徑如下：①提高循環總壓比；②提高循環溫比，即提高渦輪前溫度T4；③提高部件效率。其中前兩者均受材料和冷卻技術的限制。提高推進效率的主要途徑為：提高涵道比，降低風扇壓比，降低外涵的排氣速度。渦扇發動機推進效率的提高主要依賴于外涵排氣速度的降低，排氣速度越接近飛行速度，推進效率越高。

對于傳統雙軸直驅大涵道比渦扇發動機而言，增大風扇直徑、降低風扇壓比和排氣速度，將使涵道比增大。當涵道比增大到一定量值，會帶來一些棘手的問題：①增大涵道比（增大風扇直徑）使得短艙直徑增大，從而增大推進系統重量；②增大風扇直徑將使風扇葉尖切線速度增加 （風扇葉尖馬赫數大于1.4），由此帶來較大的氣動損失和氣動噪聲；③為降低噪聲排放需降低低壓轉子的設計轉速，從而降低了增壓級增壓比和低壓渦輪單級膨脹比。其中前者一定程度上可以由提高高壓壓氣機壓比的方法予以彌補，不用大幅增加級數；但對于低壓渦輪只能通過增加級數或者抬高流道以保證適當的膨脹比和效率。這將大幅增加發動機重量，使推進系統更復雜，提高了飛行成本。

為解決上述問題，近年來國內外眾多學者逐步開始探索新的發動機構型。齒輪傳動發動機（Geared Turbofan，簡稱GTF）就是其中的典型代表。

2 GTF發動機構型及技術特點

普惠公司等航空發動機設計與制造商就認識到，如果在風扇和低壓壓氣機間引入一個齒輪減速器，就可以兼顧低壓轉子和風扇在不同轉速下工作的需要，在低壓轉子保持高效率高轉速工作的同時，使得低速風扇產生小的氣動損失和低的噪聲排放。圖1給出了GTF發動機的基本構型。

圖1 GTF發動機構型示意圖

相比傳統大涵道比渦扇發動機，GTF發動機的主要構型特點是在風扇與增壓級間安裝一個齒輪減速器。其優勢表現在：①降低了風扇轉速和葉尖速度，降低發動機噪聲；②增大發動機的涵道比，降低了整機油耗和污染排放；③減少了壓氣機和渦輪級數、降低了級負荷；④大幅減少發動機的零件數，從而降低發動機的價格與使用成本，并提高可靠性。

3 GTF發動機總體參數匹配性分析

通過理論分析和計算，在給定的推力需求和最高T4溫度限制的情況下，保證發動機總壓比和部件效率一致，通過優化內外涵排氣速度比，使發動機工作在最優的狀況下，給出了GTF發動機推進效率、耗油率以及相關部件參數隨涵道比的變化規律。

3.1 風扇直徑等與涵道比的變化規律

風扇直徑隨涵道比增加而增大，風扇外涵壓比隨涵道比增加而降低，推進效率隨涵道比增加而增大。

由于限制了渦輪前溫度，且要保證需求的推力，這實際上限制了核心機的做功能力。涵道比的增加主要是依靠外涵流量增加和內涵流量降低來實現。外涵流量的增大，勢必要求較低的外涵壓比和較低的外涵排氣速度，因而形成較低單位質量流量推力的高涵道比渦扇發動機，外涵推進效率提高，耗油率降低。在風扇進口軸向馬赫數受限時，發動機總流量的增加主要依靠風扇直徑的增大來實現。圖2給出了推進效率和耗油率隨涵道比的變化規律。可以看出，耗油率隨涵道比增大而降低，推進效率隨涵道比增大而增大。

圖2 耗油率、推進效率與涵道比的關系

3.2 風扇轉速隨涵道比增加而降低

考慮到風扇噪聲和葉根強度等因素，在增大風扇直徑的同時，需降低風扇轉速以限制風扇葉尖切線速度。在葉尖切線速度不變時（比如380 m/s），風扇物理轉速不斷下降，圖3給出了風扇物理轉速隨涵道比的變化規律。

圖3 風扇轉速、低壓渦輪膨脹比與涵道比的關系

3.3 低壓渦輪的膨脹比增加

在保證推力需求和T4溫度的限制的前提下，內涵物理流量隨涵道比的上升而下降。對于大涵道比渦扇發動機，由于推力大部分由外涵產生，因此在推力需求不變時，低壓渦輪功率基本保持不變。所以，需要提高低壓渦輪膨脹比以保證用更小的流量發出相同的功率。圖3給出了低壓渦輪膨脹比隨涵道比的變化規律。

4 GTF發動機對部件設計技術特點分析

4.1 風扇設計技術特點分析

為實現更低的耗油率，GTF發動機涵道比需升高，從而使得風扇直徑增大，風扇轉速與直徑成反比關系且單調下降；外涵流量增大，排氣速度下降，風扇增壓比下降。

相比于雙軸直驅傳動方案，由于風扇增壓比降低，風扇進出口焓差下降，在保持風扇葉尖切線速度U不變時，齒輪傳動方案的風扇載荷系數2降低；若保持風扇載荷系數不變，則可使得風扇葉尖切線速度U降低，這將使得齒輪傳動方案的發動機噪聲排放低于雙軸直驅傳動方案。

4.2 增壓級設計技術特點分析

圖4給出了相同需求推力條件下，與雙軸直驅發動機方案具有相同的總壓比和渦輪前溫度T4的齒輪傳動發動機方案的增壓級轉速和載荷系數隨涵道比的變化規律（減速器的傳動比為2.5）。

圖4 增壓級轉速和載荷系數隨涵道比的變化規律

在齒輪傳動方案，增壓機轉速的提升的收益如下：①為了充分發揮增壓級對氣流的做功能力，可以提高增壓級增壓比，降低為了提高總壓比而對高壓壓氣機的依賴。②可適當降低增壓級流道高度，減輕增壓級重量；這也有利于提高增壓級后過渡段的總壓恢復系數。

4.3 低壓渦輪設計技術特點分析

對于低壓渦輪設計而言，若保持低壓渦輪流道尺寸和膨脹比不變，則低壓渦輪進出口焓差不變，低壓渦輪載荷系數將隨葉尖切線速度2的升高而下降。

基于上述分析， GTF方案中，雖然隨著涵道比增大低壓渦輪膨脹比有所提高（見圖3），但是由于轉速的提升對其載荷降低的貢獻非常顯著，所以在低壓渦輪轉速提升帶來的收益如下：①葉尖切線速度2的升高，使得級載荷系數大大降低，利于提高單級膨脹比，降低級數，減輕發動機的總重量。圖5給出了GTF方案低壓渦輪膨脹比和載荷系數隨涵道比變化規律；②降低低壓渦輪流道高度，降低高低壓渦輪間和低壓渦輪后過渡段的損失，提高了總壓恢復系數。

5 傳動齒設計特點及難點

作為齒輪傳動系統，GTF發動機減速器原理比較簡單，關鍵是其設計參數的確定。通過減速齒輪箱，改變轉動力矩，同等功率條件下，轉動速度越快的扭矩越小。傳動齒輪的主要參數是齒數和模數，其他設計參數包括分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、頂隙、齒形等。設計參數的確定涉及傳動齒輪的材料、齒型、公差、磨損容許量、設計極限，以及整個減速器的性能極限、效率目標和耐久性等。高速、大功率減速器是GTF發動機研制成敗的關鍵。

圖5 低壓渦輪膨脹比和載荷系數隨涵道比變化規律

另外，低壓轉子和風扇之間的減速器必須采用柔性聯接。與剛性聯接相比，柔性聯接的優點是沖擊明顯減輕，減輕振動，噪音明顯降低。通過柔性聯接的齒輪系統撓度大，彈性變形大，在保證大傳動比的同時，提高了可靠性，延長了使用壽命。

6 結論

經過分析與計算，初步給出了GTF方案構型的特點，部件設計的技術特點，以指導總體氣動方案設計工作。

［1］陳光.齒輪傳動風扇PW8000高涵道比渦輪風扇發動機［J］.民航經濟與技術，1998（05）：37-39.

［2］G.Wilfert，B.Kriegl，Hermann Scheugenpflug.CLEAN -Validation of a High Efficient Low NOx core，a GTF High Speed Turbine and an Integration of a Recuperator in an Environmental Friendly Engine Concept［C］.41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA 2005-4195,2005.

〔編輯：白潔〕

C829.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.040

2095-6835（2017）13-0040-03