齒輪傳動風扇發動機結構設計特征分析

張博

中國航發沈陽發動機研究所 遼寧 沈陽 110015

引言

齒輪傳動風扇發動機（Geared Turbofan，下文簡稱GTF）通過在風扇轉子與低壓渦輪轉子間增加一齒輪減速箱，使低壓轉子轉速高于風扇轉子轉速，提高了低壓壓氣機與低壓渦輪的單級做功能力，允許在保證相同增壓比、膨脹比的前提下減小低壓轉子葉片稠度與級數。雖然引入了一個齒輪減速箱，GTF發動機的可靠性與可維護性非但沒有下降，反而得到了很大的提高。GTF的諸多優點極大地提高了其在民用航空領域的競爭力，特別是在中等推力的單通道客機和支線客機動力應用方面，優勢更為明顯。

GTF發動機的研制工作開展很早，在20世紀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發動機，但其推力較小，結構可靠性較差，性能優勢不大。普惠公司的GTF技術研究歷時二十多年，先后研制出了多臺驗證機。1998年推出面向單通道客機的PW8000系列GTF發動機，因技術問題與市場問題下馬，后又于2008年推出面向支線客機的PW1000G系列發動機，市場反應良好，先后被三菱重工、龐巴迪公司和俄羅斯聯合航空制造公司選中。作為僅有的兩款成型號的大推力GTF發動機，PW8000與PW1000G為研究GTF發動機結構設計提供了很好的借鑒。

1 PW8000總體結構特點

PW8000發動機由單級風扇，3級低壓壓氣機，5級高壓壓氣機，1級高壓渦輪和3級低壓渦輪組成，共有5個支點（包含一個中介支點），3個承力框架。為解決GTF發動機結構設計的諸多問題，其在支承方案、轉子結構設計、轉子連接等方面采用了大量新技術。

1.1 總體支承方案

齒輪減速箱使得低壓轉子斷開為兩個轉子，PW8000發動機的轉子系統包含風扇轉子、低壓轉子與高壓轉子3部分，3個轉子均需要分別單獨支承。

1.2 風扇轉子支承方案

為適應風扇后狹小的支承空間，風扇轉子采用0-1的支承方案，用一個寬度較大的雙排V型滾棒軸承來承受風扇轉子巨大的軸向力與徑向力，軸承支承在內涵進口承力框架上，載荷經風扇出口整流葉片傳遞到前安裝節。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，但是其工作轉速較低，不適用于航空發動機，GTF發動機的風扇轉速低于傳統的大涵道比渦扇發動機，這就為雙排V型滾棒軸承的應用提供了可能。另外，當風扇轉子發生微小角度偏轉時，對雙排V型滾棒軸承的損傷更小，使用壽命更長。

1.3 高速低壓渦輪結構設計

低壓轉子因轉速提高，離心力增大，對低壓渦輪的影響最為明顯。為滿足高應力的要求，PW8000的低壓渦輪進行了結構改進：葉冠結構進行優化，在不改變其封嚴、阻尼、剛度加強效果前提下，盡量減小其質量；葉身采用錐形葉身結構，使其應力分布均勻，并減小質量；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。結構改進后的高速低壓渦輪具有“小葉冠、錐形身、厚榫頭、大厚盤”的結構特征。

1.4 振動隔離措施

PW8000共有3個轉子，且引入一個具有高嚙合頻率的齒輪減速箱，相當于多了一個高頻激振源，同時，高壓后支點采用了中介軸承，這使得發動機在多振源激勵下的振動問題變得非常復雜。PW8000齒輪減速箱功率輸入軸采用了“波紋軸”結構，功率輸出軸采用了“殼形軸”結構，兩者的截面尺寸均變化較大，擁有較大的機械阻抗，可以減小齒輪箱的高頻振動向低壓轉子與風扇轉子振動能量的傳遞，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構[1]，減小了齒輪嚙合激勵的外傳，實現對齒輪箱的振動隔離。此外，PW8000還對發動機機匣與承力框架進行了優化設計，增大了機械阻抗，提高了隔振效果，減小各支點間的振動耦合。

對于中介軸承引起的高低壓振動耦合問題，PW8000主要通過縮短中介支點與低壓渦輪后支點距離的方法來解決。

2 PW1000G總體結構特點

PW1000G是普惠公司在多年GTF研制技術積累之上開發的中等推力高涵道比GTF發動機，繼承了眾多成熟技術，并在結構設計上采用了大量的改進和新結構。

2.1 風扇轉子支承

PW1000G加大了風扇支點兩個斜置滾棒軸承的距離，使其成為2個支點，形成0-2的支承方案，使風扇轉子擁有更好的角向剛度。前承力框架也重新設計，采用了帶有環腔結構的人字形支承，以提高其抗變形能力。

2.2 低壓轉子支承

低壓轉子為1-0-2支承方案，前支承前移，安置于低壓壓氣機后軸頸之前，靠近低壓壓氣機質心，支承在內涵進口承力框架上，并且采用了鼠籠彈支與擠壓油膜阻尼器并用的支承結構。這種設計一方面改善了低壓轉子前支承徑向剛度不足的問題，給低壓轉子動力學設計提供了結構實施途徑；另一方面改善了低壓前支點載荷在機匣上的傳力路線，支點承受的載荷經過內涵進口承力框架和風扇出口導流葉片，直接傳遞到發動機前主安裝節，縮短了在機匣上的傳遞距離，改善了風扇機匣的受力狀態，有利于減小機匣變形。

低壓渦輪后支承采用了兩個軸承并用的支承結構，可以有效提高低壓渦輪轉子的局部剛度，提高渦輪部件的抗變形能力，從而對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。

2.3 高壓轉子支承及連接結構

PW1000G的高壓轉子在結構設計上進行了很大的改進。取消了中介軸承，采用了渦輪級間機匣承力框架結構，有效地控制了高低壓轉子間的振動耦合，改善其動力學特性。同時，高壓壓氣機增加為8級，高壓渦輪增加為2級，為高效率和長壽命設計提供了良好的條件。

高壓壓氣機前7級均為整體葉盤，只有第8級葉盤連接采用環向燕尾形榫頭連接，盤盤間采用止口定心，軸向壓緊固定，摩擦傳扭的可拆卸轉子結構，此結構在大尺寸渦扇發動機上的使用是一個里程碑式的創新。PW1000G采用中心長螺栓軸向拉緊的方式，將8級高壓壓氣機、鼓筒軸和2級高壓渦輪組合在一起。連接壓氣機轉子和渦輪轉子并提供穩定軸向壓緊力的軸被稱為“領帶軸”（Tie Shaft）。在領帶軸上加工有三處螺紋，前端螺紋與高壓壓氣機前軸頸上的螺紋配合，中間螺紋與高壓壓氣機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，將高壓壓氣機各級盤、鼓筒壓緊成一個整體。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級高壓渦輪與高壓壓氣機轉子壓緊成一個整體。

3 GTF發動機結構設計中的關鍵技術

GTF發動機的高性能和高結構效率[2]是以新設計技術為基礎的，對這些新技術與新結構的研究是GTF發動機項目成敗的關鍵。通過對GTF渦扇發動機結構設計中結構特征和力學行為的研究梳理，其主要關鍵技術有如下7個方面。

3.1 風扇結構與動力學一體化設計技術

GTF發動機中風扇轉子與低壓轉子斷開，使得風扇轉子需要單獨支承，對風扇轉子的軸向力平衡、支承設計和結構設計，成為GTF發動機的一大難點。

為平衡風扇轉子的巨大軸向力，GTF發動機使用了承載能力更強但工作轉速較低的斜置滾棒軸承。并且采用兩個支點，提高懸臂風扇轉子的角剛度。增加內涵進口承力框架，來支承風扇轉子。同時對風扇轉子的結構進行優化，通過采用鋁合金空心葉片等措施來對風扇轉子進行減重，并且大量采用一體結構來提高轉子穩定性。

3.2 轉子系統隔振設計技術

在GTF發動機中存在3個不同轉速的轉子，又有齒輪減速箱的復雜高頻嚙合激勵，使得轉子系統的振動非常復雜，轉子系統隔振設計技術十分重要。

根據發動機轉子系統結構設計特征，隔振設計主要從軸間隔振和機匣隔振兩方面進行隔振結構設計。一方面，在齒輪減速箱功率輸入、輸出軸上采用變截面軸結構，使其高頻范圍內的機械阻抗增大，可削弱齒輪嚙合高頻振動在軸上的傳遞；另一方面，齒輪減速箱采用彈性安裝結構，減小其振動激勵的外傳，并對機匣與承力框架進行優化設計，增大機械阻抗，提高隔振效果，減小各支點間的振動耦合。

3.3 高速低壓轉子抗變形設計技術

GTF發動機的低壓轉子采用高轉速設計，工作轉速位于多階臨界轉速以上，是一個典型的高速柔性轉子，工作過程中易發生大的變形，可導致葉尖間隙過大或碰磨。

GTF高速低壓轉子的抗變形設計主要通過兩種結構途徑。一是轉子局部結構剛性的強化設計：低壓壓氣機與低壓渦輪采用盤鼓混合式轉子結構、錐殼結構和環腔結構等剛度較好的結構，提高轉子局部剛度；優化連接結構，使其避開大應力、大應變區域，提高連接結構穩定性等。二是支點位置和數目的優化：前后支點分別靠近低壓壓氣機、低壓渦輪的質心，并且在渦輪處采用兩個支點，減小壓氣機與渦輪部位的變形。

3.4 高穩定性可拆卸轉子設計技術

GTF發動機為追求高性能，在壓氣機中大量采用了整體葉盤和分段式整環機匣，這就要求轉子結構必須是可拆卸。而高穩定性、長壽命可拆卸連接結構的設計技術是高速轉子設計的保證。

PW1000G創造性的在大尺寸發動機中將“領帶軸”結構用于復雜轉子的連接，軸向拉緊、止口摩擦傳扭，并與多功能壓氣機-渦輪連接鼓筒軸配合使用，形成一個高結構穩定性、大剛度的可拆卸轉子，很好地滿足了設計要求，給高速轉子的連接結構設計提供了一個新思路，代表了新的發展方向，具有很高的研究價值。

3.5 具有大跳動量的轉靜子間石墨封嚴技術

在GTF發動機中，功率輸出軸、輸入軸與齒輪減速箱存在較大的不同心度，主要表現為角度不同心與徑向不同心。工作時轉子引起的大的振動響應，會影響到封嚴裝置的封嚴效果和使用壽命。由于傳動齒輪箱連接轉子在工作時存在大不同心度（振動幅值大），篦齒封嚴和傳統的石墨封嚴很難滿足設計要求，普惠公司采用了新型的多塊石墨封嚴結構，對石墨環的結構形式、石墨材料等進行優化設計，使其能夠滿足大不同心度、高轉速、長壽命的要求。

3.6 高速低壓渦輪結構-強度一體化設計技術

低壓轉子轉速的提高對于工作溫度較高的低壓渦輪部件影響最大，其原有設計已經不能滿足新的強度要求，必須采用新技術對低壓渦輪進行重新設計。

低壓渦輪的結構-強度一體化設計主要集中在兩個方面，一方面是葉片的減重，在不影響氣動效率的前提下，采用了小葉冠、錐形葉身的結構形式，以減小離心載荷；另一方面是輪盤結構的優化，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 結束語

GTF發動機在提高氣動效率方面具有明顯優勢，但是需要在總體結構設計技術上提供創新的設計方案和設計技術，為發動機性能的提高給予有力的支持。

由于齒輪傳動機構的存在，對發動機整機承力和變形具有重要影響，所以總體結構設計中需要發展整機結構力學特性分析技術。

采用高穩定性的可拆卸轉子結構設計是保證高效渦扇發動機整體葉盤結構使用的關鍵技術。

為提高發動機效率，空氣系統、滑油系統的封嚴技術和葉片與機匣葉尖間隙控制技術是總體結構設計必須重視的問題。