PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)分析

《現(xiàn)代航空燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)分析》討論課PW4000高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)分析報(bào)告人：朱美印劉宏蕾陳懷榮徐蒙王漢義能源與動(dòng)力工程學(xué)院2014年11月PW4000渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)PW4000風(fēng)扇、增壓壓氣機(jī)支承結(jié)構(gòu)PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子采用鼓式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件數(shù)目少、加工方便，具有較高的抗彎剛性，但受到強(qiáng)度的限制。

PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)的單級(jí)風(fēng)扇盤(pán)上固定著4級(jí)低壓壓氣機(jī)（即增壓壓氣機(jī)），是目前高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)設(shè)計(jì)。做成弧線形的低壓壓氣機(jī)氣流通道，在末級(jí)動(dòng)葉后有放氣環(huán)。風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)之間的中介機(jī)匣是主承力機(jī)匣，是最復(fù)雜的構(gòu)件。增壓壓氣機(jī)葉片采用可控?cái)U(kuò)散葉型。低壓轉(zhuǎn)子的滾珠軸承設(shè)在風(fēng)扇盤(pán)之后成為1號(hào)軸承。風(fēng)扇盤(pán)上的后軸未直接與低壓渦輪軸相連，而是通過(guò)中介軸與低壓渦輪軸相連，中介軸與風(fēng)扇后軸、低壓渦輪軸均用套齒聯(lián)軸器相連，這樣設(shè)計(jì)主要是為了提高低壓渦輪軸的安全性。PW4000高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子

高壓轉(zhuǎn)子采用盤(pán)鼓混合式結(jié)構(gòu)，且為焊接和短螺栓連接。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由盤(pán)、鼓筒和軸組成，兼具鼓式轉(zhuǎn)子抗彎性和盤(pán)式轉(zhuǎn)子強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

11級(jí)高壓壓氣機(jī)的增壓比約為11.0，平均級(jí)增壓比為1.234。葉片與低壓壓氣機(jī)一樣，采用了可控?cái)U(kuò)散葉型。高壓轉(zhuǎn)子為焊接結(jié)構(gòu)。后3級(jí)鎳基合金盤(pán)與后軸焊成一體，第2-8級(jí)鈦合金盤(pán)焊成一體，第1級(jí)盤(pán)和前軸（均為鈦合金）做成單件，然后在第1-2級(jí)和第8-9級(jí)盤(pán)間分別用短螺栓連接以組成整體轉(zhuǎn)子。PW4000轉(zhuǎn)子支承方案

PW4000LP0--2--11#、1.5#、4#

HP1--1--02#、3#

JT9D

LP0--1--11#、4#

HP1--1--02#、3#

JT9DPW4000PW4000支承方案分析

PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用不帶中介軸承的支承方案。PW4000低壓轉(zhuǎn)子為0—2—1方案，高壓轉(zhuǎn)子為1—1—0方案，5個(gè)支點(diǎn)支承于3個(gè)機(jī)匣上，無(wú)中介支點(diǎn)。在低壓轉(zhuǎn)子上，增加了一個(gè)支點(diǎn)，即在風(fēng)扇后滾珠軸承后面，增加一個(gè)滾棒軸承。這種設(shè)計(jì)方案很好地解決了低壓轉(zhuǎn)子剛度不足的問(wèn)題。高壓轉(zhuǎn)子采用的二支點(diǎn)支承方案將渦輪后支點(diǎn)放在渦輪前，縮短了高壓軸的長(zhǎng)度，有利于控制軸的變形，具有良好的振動(dòng)特性，同時(shí)給低壓轉(zhuǎn)子提供了一定的設(shè)計(jì)裕度，但由于軸承徑向尺寸的限制，渦輪軸剛性較小，并且兩級(jí)渦輪盤(pán)呈懸臂。由于PW4000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(jiǎn)單，但需要有較長(zhǎng)的低壓軸，導(dǎo)致加工比較困難。PW4000傳力路線分析

扭矩——?dú)鈩?dòng)產(chǎn)生的扭矩一方面通過(guò)轉(zhuǎn)子葉片傳給軸承再傳給軸，另一方面將通過(guò)靜子傳給支撐機(jī)匣，粗略地看兩者可以抵消。而實(shí)際上由渦輪輸出的燃?xì)獠⒎峭耆S向，故最終作用于機(jī)匣上少量力矩，再由發(fā)動(dòng)機(jī)安裝邊傳給飛機(jī)。扭矩的傳遞依靠聯(lián)軸器。軸向力——?dú)鈩?dòng)產(chǎn)生的軸向力在壓氣機(jī)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(pán)傳遞給軸承，而軸承承受的軸向力需要卸荷——一方面壓氣機(jī)和渦輪的軸向力方向相反，相鄰安裝有助于卸荷，另一方面卸荷腔的應(yīng)用也將減小軸向載荷。慣性力——發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的部件自身質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生徑向力，這個(gè)徑向力將由軸承支承，而軸承最終將力傳遞給機(jī)匣。PW4000應(yīng)用了渦輪級(jí)間支撐框架傳力——在兩級(jí)渦輪之間建立了承力框架，但這種做法拉長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度，且降低了渦輪效率。同時(shí)由于PW4000渦輪轉(zhuǎn)子有后支點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上采用了渦輪后軸承機(jī)匣，將軸承負(fù)荷外傳?？傮w傳力路線：葉片—盤(pán)\鼓筒—軸承—軸—機(jī)匣（徑向）PW4000結(jié)構(gòu)支承傳力分析軸承1將低壓壓氣機(jī)的推力傳遞給中介機(jī)匣；軸承1.5徑向支承低壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)軸；軸承2將高壓壓氣機(jī)推力傳給中介機(jī)匣；軸承3徑向支承高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪；軸承4徑向支承低壓轉(zhuǎn)子尾端和低壓渦輪。軸承從左向右依次編號(hào)：1、1.5、2、3、4轉(zhuǎn)子要有足夠的剛性和強(qiáng)度；基本原則是等強(qiáng)度，等剛度設(shè)計(jì)；抗外物打傷能力和包容能力強(qiáng)；采用結(jié)構(gòu)措施提高可靠性；防喘、減緩振動(dòng)，避免共振；效率提高、工作穩(wěn)定可靠；重量輕、壽命長(zhǎng)、成本低。PW4000風(fēng)扇轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要求PW4000風(fēng)扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)單級(jí)風(fēng)扇上固定著4級(jí)低壓壓氣機(jī)，風(fēng)扇葉片保留有一個(gè)減振凸臺(tái)，雖然對(duì)凸臺(tái)的設(shè)計(jì)做了許多改進(jìn)，但與無(wú)凸臺(tái)相比，在性能、強(qiáng)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，提高其抗外物撞擊能力。38片葉身帶中間凸肩的鈦合金葉片（PW4084為無(wú)凸臺(tái)的寬弦空心葉片）。風(fēng)扇排氣涵道的收斂度大，以減少氣流流過(guò)靜葉的氣動(dòng)損失。壓力比1.66—1.76。葉根為燕尾型榫頭。風(fēng)扇葉片為L(zhǎng)RU，可在外場(chǎng)按重量矩成對(duì)更換。葉身構(gòu)造特點(diǎn)：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(tái)），各個(gè)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。PW4000機(jī)匣設(shè)計(jì)要求在支撐結(jié)構(gòu)中承擔(dān)著承力框架的作用，同時(shí)承擔(dān)防止葉片飛出時(shí)的包容作用和吸聲降噪的作用。風(fēng)扇機(jī)匣提供一平滑氣流通道并支撐安裝進(jìn)氣道整流罩。PW4000機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.前風(fēng)扇機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)支撐安裝進(jìn)氣道整流錐包容環(huán)（阻隔器）：內(nèi)有風(fēng)扇葉尖防磨帶——可阻擋風(fēng)扇葉片斷裂時(shí)徑向飛出發(fā)動(dòng)機(jī)。2.中介機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)之間的中介機(jī)匣是主承力機(jī)匣，也是最復(fù)雜的構(gòu)件。它的中心部分是由合金鋼鑄成的帶9個(gè)承力支持的同心三層圓環(huán)。外涵道中的9個(gè)承力支板單獨(dú)鑄成后焊在中心部分外環(huán)上。這種用鑄、焊結(jié)合制造復(fù)雜構(gòu)件的辦法，也是新一代發(fā)動(dòng)機(jī)中為減少零件數(shù)常采用的措施。3.高壓壓氣機(jī)機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用典型雙層機(jī)匣結(jié)構(gòu)，內(nèi)機(jī)匣做成沿軸向分成多段，每段機(jī)匣均做成整環(huán)，用兩段機(jī)匣的安裝邊將帶安裝邊的外環(huán)夾住，靜子葉片做成幾個(gè)扇形段。裝拆時(shí)，無(wú)需裝拆葉片。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了均勻的葉尖間隙，但結(jié)構(gòu)變的復(fù)雜，質(zhì)量增加。PW4000機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第4級(jí)以后的機(jī)匣做成雙層。外層機(jī)匣與燃燒室機(jī)匣相連，是承受負(fù)荷的構(gòu)件；內(nèi)層機(jī)匣作為氣流通道的包容機(jī)匣并固定靜葉。前4級(jí)采用可調(diào)靜葉，機(jī)匣外部要求安裝調(diào)節(jié)裝置，加上本身直徑相對(duì)較大，所以第4級(jí)以前按單層設(shè)計(jì)。渦輪后承力機(jī)匣的內(nèi)外環(huán)用可擴(kuò)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(jí)渦輪的作用。高低壓渦輪上都采用了主動(dòng)間隙控制技術(shù)，即按照不同的工況，改變吹向機(jī)匣外壁的冷卻空氣量。PW4000氣流通道設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)氣口：環(huán)形，固定唇口。風(fēng)扇：?jiǎn)渭?jí)軸流式。鈦合金輪轂上裝有38片帶凸臺(tái)窄弦轉(zhuǎn)子葉片(PW4084為無(wú)凸臺(tái)的寬弦空心葉片)，風(fēng)扇排氣涵道的收斂度大，以減少氣流流過(guò)靜葉的氣動(dòng)力損失。壓比為1.66～1.76。低壓壓氣機(jī)：4級(jí)軸流式。高壓壓氣機(jī)：11級(jí)軸流式。燃燒室：短環(huán)形。高壓渦輪：2級(jí)軸流式。低壓渦輪：4級(jí)軸流式(PW4168和PW4084分別為5級(jí)和7級(jí))。PW4000氣流通道設(shè)計(jì)特點(diǎn)低壓壓氣機(jī)：通道形式為弧形高壓壓氣機(jī)：采用等內(nèi)徑設(shè)計(jì)

PW4000氣流通道設(shè)計(jì)特點(diǎn)氣動(dòng)流態(tài)圖主函道氣流提供約20%的推力；主要用于燃燒、冷卻、發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性控制及氣動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源。風(fēng)扇函道氣流提供約80%的推力；主要用于冷卻渦輪機(jī)匣、發(fā)動(dòng)機(jī)組件及發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩。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(diǎn)—1號(hào)軸承風(fēng)扇輪盤(pán)后滾珠軸承PW4000

支點(diǎn)—1號(hào)軸承結(jié)構(gòu)滑油噴嘴9級(jí)氣，封嚴(yán)PW4000支點(diǎn)-1.5號(hào)軸承PW4000支點(diǎn)-2號(hào)軸承滾珠軸承彈性支承擠壓油膜阻尼器端面石墨封嚴(yán)內(nèi)環(huán)供油彈性支座，降低轉(zhuǎn)子支承剛性，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速，減少振動(dòng)。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”P(pán)W4000支點(diǎn)—2號(hào)軸承結(jié)構(gòu)PW4000支點(diǎn)-3號(hào)軸承PW4000支點(diǎn)-3號(hào)軸承PW4000支點(diǎn)-3號(hào)軸承PW4000支點(diǎn)-4號(hào)軸承4級(jí)空氣軸承座---帶擠壓油膜封嚴(yán)---徑向石墨式PW4000支點(diǎn)-4號(hào)軸承結(jié)構(gòu)PW4000-低壓聯(lián)軸器PW4000高氣動(dòng)效率的實(shí)現(xiàn)措施1.為了在起飛大負(fù)荷狀態(tài)下將風(fēng)扇葉尖的彎曲度降到最小，在低壓轉(zhuǎn)子上1號(hào)軸承后增加了一個(gè)滾棒軸承，即1.5號(hào)軸承。2.葉片前緣由原先常規(guī)的尖頭改成橢圓，提高其抗外物撞擊能力。做成弧線形的低壓壓氣機(jī)氣流通道，在末級(jí)動(dòng)葉后有放氣環(huán)。葉片上斜著裝在鼓環(huán)上，增壓壓氣機(jī)葉片采用了可控?cái)U(kuò)散葉型。3.高壓壓氣機(jī)葉片采用可控?cái)U(kuò)散葉型。在低空、大工況（即起飛、爬升）下工作時(shí)，第5級(jí)空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔對(duì)轉(zhuǎn)子冷卻以避免葉尖與機(jī)匣相碰，同時(shí)還對(duì)低壓渦輪等處進(jìn)行冷卻；當(dāng)高度超過(guò)5000m時(shí)，N2達(dá)到80%-90%（即進(jìn)入巡航狀態(tài)）時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉，無(wú)冷卻空氣進(jìn)入，轉(zhuǎn)子受熱膨脹，縮小了葉尖間隙和封嚴(yán)環(huán)間間隙，此時(shí)冷卻渦輪的空氣量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率得到提高。4.在低壓壓氣機(jī)出口和高壓第5級(jí)處分別裝有序號(hào)為2.5及2.9的放氣活門(mén)。另外，高壓