航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計第八講高推重比渦扇發(fā)動機(jī)

1、第八講高推重比渦扇發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)與力學(xué)特征分析主講人：馬艷紅、洪杰教授先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計基本概念結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)涵（Structure design）機(jī)械設(shè)計 （Machine design ）確定結(jié)構(gòu)連接形式、裝配流程、加工過程2先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計基本概念結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)涵（Structure design）結(jié)構(gòu)分析（Structure Analysis）分析載荷受力分析變形規(guī)律分析應(yīng)力壽命3先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計4基本概念結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)涵（Structure design）Machine design （機(jī)械設(shè)計）Structure Analysis（結(jié)構(gòu)分析）最終目的是實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性I

2、ntegrality先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計結(jié)構(gòu)（靜/動）力學(xué)設(shè)計結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計對結(jié)構(gòu)所受載荷及變形控制要求 進(jìn)行結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度一體化設(shè)計對結(jié)構(gòu)工作環(huán)境和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行 安全性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計5發(fā)展不同燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)先進(jìn)渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計多用途核心機(jī)研發(fā)過程6高推重比渦扇發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)與力學(xué)特征分析第八講高推重比軍用渦扇發(fā)動機(jī)典型總體結(jié)構(gòu)及支承方案GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)一、高推重比軍用渦扇發(fā)動機(jī)8總體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容（傳統(tǒng)）支承方案支點的選取以及聯(lián)軸器設(shè)計承力框架針對轉(zhuǎn)子的支承確定靜子支承結(jié)構(gòu)進(jìn)氣機(jī)匣，進(jìn)口導(dǎo)葉，中介機(jī)匣，擴(kuò)壓器， 渦輪級間機(jī)匣，渦輪后承力框

3、架支承結(jié)構(gòu)軸承、冷卻、潤滑、封嚴(yán)等一、高推重比軍用渦扇發(fā)動機(jī)9總體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容（延伸）轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)軸系的彎曲剛度和質(zhì)量的分布在工作狀態(tài)下軸系的變形機(jī)匣與支承結(jié)構(gòu)（靜）剛度，動剛度（激勵與動力響應(yīng)）整機(jī)的結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)靜止件與軸系的變形的協(xié)調(diào)一、先進(jìn)軍用發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)基本特點小涵道比、雙轉(zhuǎn)子、渦扇發(fā)動機(jī)推重比為810推力為1215 噸左右第三代推重比為8一級小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)10一、先進(jìn)軍用發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)11第三、四代典型軍用渦扇發(fā)動機(jī)PW公司：F100、F119、F135GE公司：F110、F404RR公司：RB199、EJ200（歐洲）俄羅斯： AL-31F、RD-33、AL-41F一、先

4、進(jìn)軍用發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)12性能參數(shù)F119EJ200M88-2F100-PW100加力推力（daN）155709060750011240加力耗油率（kg/daNh）2.401.731.802.59不加力推力（daN）9790600050006670不加力耗油率（kg/daNh）0.620.790.890.69推重比1010888總增壓比35262525渦輪前溫度（K）1977180318501672涵道比0.20.30.40.30.7用途F22EF2000陣風(fēng)F15、F161.2 基本特點二、典型總體結(jié)構(gòu)及支承方案13典型總體支承方案PWF100-PW-100LPl-1-1，HP 1-1-03+

5、10 2+2 （高低壓各 2 級渦輪）5個支點，4個承力框架二、典型總體結(jié)構(gòu)及支承方案14典型總體支承方案PWF119-PW-100LPl-1-1HP1-0-13+6-1+1（高低壓渦輪各 1 級）5個支點，3個承力框架（采用中介軸承）二、典型總體結(jié)構(gòu)及支承方案15典型總體支承方案PW普惠公司發(fā)動機(jī)支承方案特點高壓轉(zhuǎn)子采用 1-1-0（2級渦輪）轉(zhuǎn)子短剛性好效率高低壓轉(zhuǎn)子后支點放置渦輪后（111）轉(zhuǎn)子跨度大動力特性差2號軸承，提高軸的剛性4號軸承位于高壓渦輪前二、典型總體結(jié)構(gòu)及支承方案典型總體支承方案GEF110-GE-100LP1-1-1，HP1-0-1（中介軸承）3+9-1+2 （高壓1級

6、，低壓2級渦輪）5個支點，3個承力框架16二、典型總體結(jié)構(gòu)及支承方案典型總體支承方案GEF404（F110、M88類同）LP1-1-1， HP1-0-1（中介軸承）3+7-1+1 （高低壓各1級渦輪）5個支點，3個承力框架17二、典型總體結(jié)構(gòu)及支承方案典型總體支承方案GE中介軸承的使用（GE公司）中介軸承一般為滾棒軸承 ?？蓽p小轉(zhuǎn)子長度?？墒∫粋€承力框架，降低發(fā)動機(jī)重量。軸承的供油、封嚴(yán)、安裝困難。轉(zhuǎn)子間的動力影響較大。采用中介軸承與否要從發(fā)動機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)考慮18二、典型總體結(jié)構(gòu)及支承方案19典型總體支承方案RR（主導(dǎo)）EJ200推力=6000-9000daNSFC=0.74-0. 81和1.6

7、6-1.73（kg/daN.h）BPR=0.4T3=1750KOPR=26R/W=10歐洲五國共同研制EJ200渦扇發(fā)動機(jī)三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)20F404小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)F110小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇靜子：等外徑氣流通道分半式機(jī)匣可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)向器葉片21風(fēng)扇轉(zhuǎn)子：可分解盤鼓混合式轉(zhuǎn)子采用平行榫齒葉盤連結(jié)一級風(fēng)扇葉片帶突肩3.1 F404 軍用渦扇發(fā)動機(jī)三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)3.1 F404 軍用渦扇發(fā)動機(jī)低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器：兩個圓柱面定心套齒花鍵傳扭大螺栓軸向固定剛性聯(lián)軸器22三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)23F404 軍用渦扇發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)前支點滾珠軸承環(huán)下供油

8、彈性支承篦齒封嚴(yán)（封油）中央傳動齒輪三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)F404 軍用渦扇發(fā)動機(jī)核心機(jī)7級壓氣機(jī)1級渦輪；2級封嚴(yán)盤；盤鼓混合式轉(zhuǎn)子精密螺栓止口連接（可拆裝，具有良好定心）前軸頸由三級處伸出。輪盤上無開孔，減少應(yīng)力集中1+2 級可調(diào)靜子葉片，機(jī)匣后端加強(qiáng)和分腔引氣24三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)渦輪機(jī)匣雙層機(jī)匣低膨脹系數(shù)材料渦輪轉(zhuǎn)子輪盤與軸頸螺栓連接反“C型”軸頸結(jié)構(gòu)局部剛度增強(qiáng)2個軸承距離縮短25高壓后支點采用滾棒中介軸承，減少承力框架低壓渦輪盤、反C型軸頸軸和渦輪軸三段結(jié)構(gòu)設(shè)計套齒連接，便于安裝，加工方便3.1 F404 軍用渦扇發(fā)動機(jī)四、F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析三、GE公司軍用渦扇發(fā)動

9、機(jī)27F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析簡介美國通用電氣公司航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)(GEAE)高推重比雙轉(zhuǎn)子加力渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)研發(fā): 20世紀(jì)七十年代定型交付:1974年落選 ，1985年初定型投產(chǎn)核心機(jī)源于F101。其原型及衍生型用于F14、F15、F16、B2等三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)采用 5 支點，中介軸承，3承力框架設(shè)計3級低壓壓氣機(jī)，9級高壓壓氣機(jī)可變彎度進(jìn)口導(dǎo)向器，高壓壓氣機(jī)靜子前四級可調(diào)短環(huán)形燃燒室1級高壓渦輪，2級低壓渦輪3.2 F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析28三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析風(fēng)扇一級盤盤軸一體，雙盤結(jié)構(gòu)各級盤螺栓連接二級盤后處伸出錐殼形成軸頸29三、GE公司軍用渦扇發(fā)

10、動機(jī)F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器套齒傳扭、大螺帽軸向定位、雙圓柱面定心剛性聯(lián)軸器30三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析渦輪部件高壓渦輪后軸 頸？4#、5#軸承相 對位置？低壓渦輪盤軸 連接結(jié)構(gòu)？如何減小轉(zhuǎn)子 間振動影響？31三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)F110發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡圖32F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析高壓轉(zhuǎn)子支承方案：1-0-1轉(zhuǎn)子盡量采用焊接結(jié)構(gòu)不同材料轉(zhuǎn)子采用四排螺栓連接三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)333.2 F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析低壓轉(zhuǎn)子特點低壓渦輪為兩級盤與封嚴(yán)環(huán)組成環(huán)腔結(jié)構(gòu)與軸頸采用錐殼連接渦輪盤上不開孔，通過法 蘭邊與低壓軸頸相連，有 效降低盤上的應(yīng)力集中低

11、壓渦輪軸為整體結(jié)構(gòu)，加工困難三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)進(jìn)口導(dǎo)向器前段承力后段可調(diào)轉(zhuǎn)角F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析風(fēng)扇前承力框架可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)向器葉 片的作用？改變進(jìn)氣攻角，擴(kuò) 大穩(wěn)定邊界34三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析中介承力框架當(dāng)風(fēng)扇后軸承為滾珠軸承時，承力框架也進(jìn)行了改進(jìn)以適應(yīng)承受軸向載荷F110-GE-100中介機(jī)匣承力框架35三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析中介承力框架當(dāng)風(fēng)扇后軸承為滾珠軸承時，承力框架也進(jìn)行了改進(jìn)以適應(yīng)承受軸向載荷F110-GE-129中介機(jī)匣承力框架36三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)F110發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析渦輪后承力框架渦輪后承力支板承力件與燃?xì)?/p>

12、隔離整體結(jié)構(gòu)減少連接結(jié)構(gòu)螺栓連接需要解決的問題：環(huán)境溫度的影響37三、GE公司軍用渦扇發(fā)動機(jī)38F110支承框架特點所有支點均未使用彈性支承和油膜阻尼器整機(jī)動力學(xué)設(shè)計困難高壓轉(zhuǎn)子后支承采用中介軸承對高低壓轉(zhuǎn)子的動力特性設(shè)計要求高必須避免轉(zhuǎn)子之間振動耦合和保證適合的振動位移采用高/低壓轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的設(shè)計（先進(jìn)的轉(zhuǎn)子動力設(shè)計技術(shù)）主要是保證在高轉(zhuǎn)速去遠(yuǎn)離共振轉(zhuǎn)速優(yōu)化在機(jī)動飛行狀態(tài)下承力系統(tǒng)上的受力狀態(tài)四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī) AL-31F四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F轉(zhuǎn)子支承方案LP：1-2-1 四支點由于低壓轉(zhuǎn)子為四級風(fēng)扇的長軸結(jié)構(gòu)能傳軸向力的柔性聯(lián)軸器HP：1-0-1兩支點

13、（No.5為中介支點）40四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F轉(zhuǎn)子支承方案支承1 號支點彈性環(huán)式彈支和SFD4 號鼠籠式彈支6 號支點彈性環(huán)式彈支和SFD四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)4.1小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F42高壓渦輪通過中介軸承支承于低壓轉(zhuǎn)子四支點支承的低壓轉(zhuǎn)子必須采用剛性連軸器對轉(zhuǎn)子、機(jī)匣加工精度要求很高前蘇聯(lián)現(xiàn)俄羅斯加工精度達(dá)不到要求四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F低壓聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)43四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F低壓聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)44四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)45小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F風(fēng)扇結(jié)構(gòu)特點風(fēng)扇機(jī)匣為整體分段

14、；風(fēng)扇為四級，帶變彎度導(dǎo)向葉片大展弦比葉片，抗外物打傷能力低風(fēng)扇前三級帶中間凸肩風(fēng)扇四級后有處理機(jī)匣雙排出口導(dǎo)葉（靜子串列葉片）風(fēng)扇轉(zhuǎn)子后兩級為螺栓連接；風(fēng)扇前后軸頸與輪盤焊接；四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F風(fēng)扇葉片46四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)變彎度導(dǎo)向葉片雙排出口導(dǎo)葉47小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F風(fēng)扇靜子四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)俄羅斯典型的葉盤連接結(jié)構(gòu)斜榫根英美葉盤連接結(jié)構(gòu)大傾斜角寬弦風(fēng)扇葉根與盤連接結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F風(fēng)扇機(jī)匣shank48四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)494.1小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)特點HPC9級全為環(huán)形

15、燕尾槽減輕重量HPC 前軸頸由4級盤前伸，在第3級處連接增加前軸頸的連接剛度HPC后3級和封嚴(yán)盤連接采用長螺栓連接長螺栓連接的特點傳扭、定位、安裝提高轉(zhuǎn)子的抗變形能力，控制葉尖與機(jī)匣間隙四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)HPC前支點位于2級盤內(nèi)，以縮短軸系跨度等外徑設(shè)計提高 葉片做功能力全環(huán)形燕尾榫頭 減輕重量軸頸與3級盤交叉提高剛度50小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子HPC后3級盤 與封嚴(yán)盤連接 結(jié)構(gòu)為長螺栓 連接大鼓筒傳扭定位襯套定距51四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F渦輪結(jié)構(gòu)特點高、低壓渦輪各 1 級HPT盤與前后軸頸用螺栓連接輪盤上開螺栓孔影響渦輪盤壽命采用冷卻措施52HPT盤與前后軸頸用螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計？53四、俄羅斯軍用渦扇發(fā)動機(jī)小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)AL-31F渦輪結(jié)構(gòu)特點獨特的冷卻空氣 流