PW4000發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)分析

《現(xiàn)代航空燃氣輪機結(jié)構(gòu)分析》討論課PW4000高涵道比渦扇發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)分析報告人：朱美印劉宏蕾陳懷榮徐蒙王漢義能源與動力工程學(xué)院2014年11月PW4000渦扇發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)PW4000風(fēng)扇、增壓壓氣機支承結(jié)構(gòu)PW4000發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子采用鼓式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)目少、加工方便，具有較高的抗彎剛性，但受到強度的限制。

PW4000發(fā)動機的單級風(fēng)扇盤上固定著4級低壓壓氣機（即增壓壓氣機），是目前高涵道比渦扇發(fā)動機的常規(guī)設(shè)計。做成弧線形的低壓壓氣機氣流通道，在末級動葉后有放氣環(huán)。風(fēng)扇和高壓壓氣機之間的中介機匣是主承力機匣，是最復(fù)雜的構(gòu)件。增壓壓氣機葉片采用可控擴散葉型。低壓轉(zhuǎn)子的滾珠軸承設(shè)在風(fēng)扇盤之后成為1號軸承。風(fēng)扇盤上的后軸未直接與低壓渦輪軸相連，而是通過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)計主要是為了提高低壓渦輪軸的安全性。PW4000高壓壓氣機轉(zhuǎn)子

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

11級高壓壓氣機的增壓比約為11.0，平均級增壓比為1.234。葉片與低壓壓氣機一樣，采用了可控擴散葉型。高壓轉(zhuǎn)子為焊接結(jié)構(gòu)。后3級鎳基合金盤與后軸焊成一體，第2-8級鈦合金盤焊成一體，第1級盤和前軸（均為鈦合金）做成單件，然后在第1-2級和第8-9級盤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)動機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個支點支承于3個機匣上，無中介支點。在低壓轉(zhuǎn)子上，增加了一個支點，即在風(fēng)扇后滾珠軸承后面，增加一個滾棒軸承。這種設(shè)計方案很好地解決了低壓轉(zhuǎn)子剛度不足的問題。高壓轉(zhuǎn)子采用的二支點支承方案將渦輪后支點放在渦輪前，縮短了高壓軸的長度，有利于控制軸的變形，具有良好的振動特性，同時給低壓轉(zhuǎn)子提供了一定的設(shè)計裕度，但由于軸承徑向尺寸的限制，渦輪軸剛性較小，并且兩級渦輪盤呈懸臂。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)簡單，但需要有較長的低壓軸，導(dǎo)致加工比較困難。PW4000傳力路線分析

扭矩——氣動產(chǎn)生的扭矩一方面通過轉(zhuǎn)子葉片傳給軸承再傳給軸，另一方面將通過靜子傳給支撐機匣，粗略地看兩者可以抵消。而實際上由渦輪輸出的燃氣并非完全軸向，故最終作用于機匣上少量力矩，再由發(fā)動機安裝邊傳給飛機。扭矩的傳遞依靠聯(lián)軸器。軸向力——氣動產(chǎn)生的軸向力在壓氣機跟渦輪上有著較大的力，先是氣體沖撞葉片傳遞給葉片，再由鼓筒或盤傳遞給軸承，而軸承承受的軸向力需要卸荷——一方面壓氣機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)動機內(nèi)的部件自身質(zhì)量會產(chǎn)生徑向力，這個徑向力將由軸承支承，而軸承最終將力傳遞給機匣。PW4000應(yīng)用了渦輪級間支撐框架傳力——在兩級渦輪之間建立了承力框架，但這種做法拉長了發(fā)動機軸向長度，且降低了渦輪效率。同時由于PW4000渦輪轉(zhuǎn)子有后支點，結(jié)構(gòu)上采用了渦輪后軸承機匣，將軸承負荷外傳?？傮w傳力路線：葉片—盤\鼓筒—軸承—軸—機匣（徑向）PW4000結(jié)構(gòu)支承傳力分析軸承1將低壓壓氣機的推力傳遞給中介機匣；軸承1.5徑向支承低壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動軸；軸承2將高壓壓氣機推力傳給中介機匣；軸承3徑向支承高壓壓氣機和高壓渦輪；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：1、1.5、2、3、4轉(zhuǎn)子要有足夠的剛性和強度；基本原則是等強度，等剛度設(shè)計；抗外物打傷能力和包容能力強；采用結(jié)構(gòu)措施提高可靠性；防喘、減緩振動，避免共振；效率提高、工作穩(wěn)定可靠；重量輕、壽命長、成本低。PW4000風(fēng)扇轉(zhuǎn)子設(shè)計要求PW4000風(fēng)扇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點PW4000發(fā)動機單級風(fēng)扇上固定著4級低壓壓氣機，風(fēng)扇葉片保留有一個減振凸臺，雖然對凸臺的設(shè)計做了許多改進，但與無凸臺相比，在性能、強度、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為無凸臺的寬弦空心葉片）。風(fēng)扇排氣涵道的收斂度大，以減少氣流流過靜葉的氣動損失。壓力比1.66—1.76。葉根為燕尾型榫頭。風(fēng)扇葉片為LRU，可在外場按重量矩成對更換。葉身構(gòu)造特點：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），各個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機匣設(shè)計要求在支撐結(jié)構(gòu)中承擔(dān)著承力框架的作用，同時承擔(dān)防止葉片飛出時的包容作用和吸聲降噪的作用。風(fēng)扇機匣提供一平滑氣流通道并支撐安裝進氣道整流罩。PW4000機匣結(jié)構(gòu)特點1.前風(fēng)扇機匣結(jié)構(gòu)特點支撐安裝進氣道整流錐包容環(huán)（阻隔器）：內(nèi)有風(fēng)扇葉尖防磨帶——可阻擋風(fēng)扇葉片斷裂時徑向飛出發(fā)動機。2.中介機匣結(jié)構(gòu)特點風(fēng)扇和高壓壓氣機之間的中介機匣是主承力機匣，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個承力支持的同心三層圓環(huán)。外涵道中的9個承力支板單獨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)動機中為減少零件數(shù)常采用的措施。3.高壓壓氣機機匣結(jié)構(gòu)特點采用典型雙層機匣結(jié)構(gòu)，內(nèi)機匣做成沿軸向分成多段，每段機匣均做成整環(huán)，用兩段機匣的安裝邊將帶安裝邊的外環(huán)夾住，靜子葉片做成幾個扇形段。裝拆時，無需裝拆葉片。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計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機匣結(jié)構(gòu)特點第4級以后的機匣做成雙層。外層機匣與燃燒室機匣相連，是承受負荷的構(gòu)件；內(nèi)層機匣作為氣流通道的包容機匣并固定靜葉。前4級采用可調(diào)靜葉，機匣外部要求安裝調(diào)節(jié)裝置，加上本身直徑相對較大，所以第4級以前按單層設(shè)計。渦輪后承力機匣的內(nèi)外環(huán)用可擴散葉型的葉片連接，葉片數(shù)比常規(guī)的承力支板多出一倍，起到半級渦輪的作用。高低壓渦輪上都采用了主動間隙控制技術(shù)，即按照不同的工況，改變吹向機匣外壁的冷卻空氣量。PW4000氣流通道設(shè)計特點進氣口：環(huán)形，固定唇口。風(fēng)扇：單級軸流式。鈦合金輪轂上裝有38片帶凸臺窄弦轉(zhuǎn)子葉片(PW4084為無凸臺的寬弦空心葉片)，風(fēng)扇排氣涵道的收斂度大，以減少氣流流過靜葉的氣動力損失。壓比為1.66～1.76。低壓壓氣機：4級軸流式。高壓壓氣機：11級軸流式。燃燒室：短環(huán)形。高壓渦輪：2級軸流式。低壓渦輪：4級軸流式(PW4168和PW4084分別為5級和7級)。PW4000氣流通道設(shè)計特點低壓壓氣機：通道形式為弧形高壓壓氣機：采用等內(nèi)徑設(shè)計

PW4000氣流通道設(shè)計特點氣動流態(tài)圖主函道氣流提供約20%的推力；主要用于燃燒、冷卻、發(fā)動機穩(wěn)定性控制及氣動系統(tǒng)的動力源。風(fēng)扇函道氣流提供約80%的推力；主要用于冷卻渦輪機匣、發(fā)動機組件及發(fā)動機整流罩。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—1號軸承風(fēng)扇輪盤后滾珠軸承PW4000

支點—1號軸承結(jié)構(gòu)滑油噴嘴9級氣，封嚴PW4000支點-1.5號軸承PW4000支點-2號軸承滾珠軸承彈性支承擠壓油膜阻尼器端面石墨封嚴內(nèi)環(huán)供油彈性支座，降低轉(zhuǎn)子支承剛性，使發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速，減少振動。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”PW4000支點—2號軸承結(jié)構(gòu)PW4000支點-3號軸承PW4000支點-3號軸承PW4000支點-3號軸承PW4000支點-4號軸承4級空氣軸承座---帶擠壓油膜封嚴---徑向石墨式PW4000支點-4號軸承結(jié)構(gòu)PW4000-低壓聯(lián)軸器PW4000高氣動效率的實現(xiàn)措施1.為了在起飛大負荷狀態(tài)下將風(fēng)扇葉尖的彎曲度降到最小，在低壓轉(zhuǎn)子上1號軸承后增加了一個滾棒軸承，即1.5號軸承。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氣流通道，在末級動葉后有放氣環(huán)。葉片上斜著裝在鼓環(huán)上，增壓壓氣機葉片采用了可控擴散葉型。3.高壓壓氣機葉片采用可控擴散葉型。在低空、大工況（即起飛、爬升）下工作時，第5級空氣進入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔對轉(zhuǎn)子冷卻以避免葉尖與機匣相碰，同時還對低壓渦輪等處進行冷卻；當(dāng)高度超過5000m時，N2達到80%-90%（即進入巡航狀態(tài)）時，閥門關(guān)閉，無冷卻空氣進入，轉(zhuǎn)子受熱膨脹，縮小了葉尖間隙和封嚴環(huán)間間隙，此時冷卻渦輪的空氣量減少，發(fā)動機的效率得到提高。4.在低壓壓氣機出口和高壓第5級處分別裝有序號為2.5及2.9的放氣活門。另外，高壓