08-航空燃气轮机结构设计-高推重比-讲义-马艳红洪杰-(

高推重比涡扇发动机总体结构与力学特征分析主讲人：马艳红、洪杰教授第八讲先进涡扇发动机结构设计基本概念结构设计内涵（Structuredesign）机械设计（Machinedesign）确定结构连接形式、装配流程、加工过程2先进涡扇发动机结构设计基本概念结构设计内涵（Structuredesign）结构分析（StructureAnalysis）分析载荷受力分析变形规律分析应力寿命3先进涡扇发动机结构设计基本概念结构设计内涵（Structuredesign）Machinedesign（机械设计）StructureAnalysis（结构分析）最终目的是实现航空发动机结构完整性－Integrality4先进涡扇发动机结构设计结构系统机械设计结构（静/动）力学设计结构完整性设计对结构所受载荷及变形控制要求进行结构、强度一体化设计对结构工作环境和薄弱环节进行安全性、可靠性、环境适应性设计5发展不同燃气涡轮发动机先进涡扇发动机结构设计多用途核心机6研发过程高推重比涡扇发动机总体结构与力学特征分析第八讲高推重比军用涡扇发动机典型总体结构及支承方案GE公司军用涡扇发动机俄罗斯军用涡扇发动机一、高推重比军用涡扇发动机1.1总体结构设计主要内容（传统）支承方案支点的选取以及联轴器设计承力框架针对转子的支承确定静子支承结构进气机匣，进口导叶，中介机匣，扩压器，涡轮级间机匣，涡轮后承力框架支承结构轴承、冷却、润滑、封严等8一、高推重比军用涡扇发动机1.1总体结构设计主要内容（延伸）转子结构轴系的弯曲刚度和质量的分布在工作状态下轴系的变形机匣与支承结构（静）刚度，动刚度（激励与动力响应）整机的结构协调静止件与轴系的变形的协调9一、先进军用发动机总体结构1.2基本特点小涵道比、双转子、涡扇发动机推重比为8－10推力为12－15吨左右10第三代推重比为8一级小涵道比涡扇发动机总体结构一、先进军用发动机总体结构PW公司：F100、F119、F135GE公司：F110、F404RR公司：RB199、EJ200（欧洲）俄罗斯：AL-31F、RD-33、AL-41F第三、四代典型军用涡扇发动机11一、先进军用发动机总体结构性能参数F119EJ200M88-2F100-PW100加力推力（daN）155709060750011240加力耗油率（kg/daN·h）2.401.731.802.59不加力推力（daN）9790600050006670不加力耗油率（kg/daN·h）0.620.790.890.69推重比＞10～108．88总增压比35262525涡轮前温度（K）1977180318501672涵道比0.2～0.30.40.30.7用途F22EF2000阵风F15、F16121.2基本特点二、典型总体结构及支承方案2.1典型总体支承方案—PWF100-PW-100LPl-1-1，HP1-1-03+10—2+2（高低压各2级涡轮）5个支点，4个承力框架13二、典型总体结构及支承方案2.1典型总体支承方案—PWF119-PW-100LPl-1-1HP1-0-13+6----1+1（高低压涡轮各1级）5个支点，3个承力框架（采用中介轴承）14二、典型总体结构及支承方案2.1典型总体支承方案—PW普惠公司发动机支承方案特点高压转子采用1-1-0（2级涡轮）转子短刚性好效率高低压转子后支点放置涡轮后（1－1－1）转子跨度大动力特性差2号轴承，提高轴的刚性4号轴承位于高压涡轮前15二、典型总体结构及支承方案2.2典型总体支承方案—GEF110-GE-100LP1-1-1，HP1-0-1（中介轴承）3+9----1+2（高压1级，低压2级涡轮）5个支点，3个承力框架16二、典型总体结构及支承方案2.2典型总体支承方案—GEF404（F110、M88类同）LP1-1-1，HP1-0-1（中介轴承）3+7----1+1（高低压各1级涡轮）5个支点，3个承力框架17二、典型总体结构及支承方案2.2典型总体支承方案—GE中介轴承的使用（GE公司）中介轴承一般为滚棒轴承。可减小转子长度。可省一个承力框架，降低发动机重量。轴承的供油、封严、安装困难。转子间的动力影响较大。采用中介轴承与否要从发动机整机结构考虑18二、典型总体结构及支承方案2.3典型总体支承方案—RR（主导）EJ200推力=6000----9000daNSFC=0.74-0.81和1.66--1.73（kg/daN.h）BPR=0.4T3=1750KOPR=26R/W=10LP0-3-0，HP1-0-1欧洲五国共同研制EJ200涡扇发动机19三、GE公司军用涡扇发动机3.1F404小涵道比涡扇发动机3.2F110小涵道比涡扇发动机20三、GE公司军用涡扇发动机风扇静子：等外径气流通道分半式机匣可调进口导向器叶片风扇转子：可分解盘鼓混合式转子采用平行榫齿叶盘连结一级风扇叶片带突肩213.1F404军用涡扇发动机三、GE公司军用涡扇发动机低压转子联轴器：两个圆柱面定心套齿花键传扭大螺栓轴向固定刚性联轴器223.1F404军用涡扇发动机三、GE公司军用涡扇发动机高压压气机前支点滚珠轴承环下供油弹性支承篦齿封严（封油）中央传动齿轮233.1F404军用涡扇发动机三、GE公司军用涡扇发动机核心机7级压气机＋1级涡轮；2级封严盘；盘鼓混合式转子精密螺栓＋止口连接（可拆装，具有良好定心）前轴颈由三级处伸出。轮盘上无开孔，减少应力集中1+2级可调静子叶片，机匣后端加强和分腔引气243.1F404军用涡扇发动机三、GE公司军用涡扇发动机涡轮机匣双层机匣低膨胀系数材料涡轮转子轮盘与轴颈螺栓连接反“C型”轴颈结构局部刚度增强2个轴承距离缩短高压后支点采用滚棒中介轴承，减少承力框架低压涡轮盘、反C型轴颈轴和涡轮轴三段结构设计套齿连接，便于安装，加工方便253.1F404军用涡扇发动机四、F110发动机结构分析三、GE公司军用涡扇发动机3.2F110发动机结构分析简介美国通用电气公司航空发动机集团(GEAE)高推重比双转子加力涡轮风扇发动机研发:20世纪七十年代定型交付:1974年落选，1985年初定型投产核心机源于F101。其原型及衍生型用于F14、F15、F16、B2等27三、GE公司军用涡扇发动机采用5支点，中介轴承，3承力框架设计3级低压压气机，9级高压压气机可变弯度进口导向器，高压压气机静子前四级可调短环形燃烧室1级高压涡轮，2级低压涡轮283.2F110发动机结构分析三、GE公司军用涡扇发动机3.2F110发动机结构分析风扇一级盘盘轴一体，双盘结构各级盘螺栓连接二级盘后处伸出锥壳形成轴颈29三、GE公司军用涡扇发动机303.2F110发动机结构分析低压转子联轴器套齿传扭、大螺帽轴向定位、双圆柱面定心刚性联轴器三、GE公司军用涡扇发动机•高压涡轮后轴颈？•4#、5#轴承相对位置？•低压涡轮盘轴连接结构？•如何减小转子间振动影响？313.2F110发动机结构分析涡轮部件三、GE公司军用涡扇发动机32F110发动机高压转子结构简图3.2F110发动机结构分析高压转子支承方案：1-0-1转子尽量采用焊接结构不同材料转子采用四排螺栓连接三、GE公司军用涡扇发动机3.2F110发动机结构分析33低压转子特点低压涡轮为两级盘与封严环组成环腔结构与轴颈采用锥壳连接涡轮盘上不开孔，通过法兰边与低压轴颈相连，有效降低盘上的应力集中低压涡轮轴为整体结构，加工困难三、GE公司军用涡扇发动机进口导向器前段承力后段可调转角343.2F110发动机结构分析风扇前承力框架可调进口导向器叶片的作用？•改变进气攻角，扩大稳定边界三、GE公司军用涡扇发动机中介机匣承力框架353.2F110发动机结构分析中介承力框架当风扇后轴承为滚珠轴承时，承力框架也进行了改进以适应承受轴向载荷F110-GE-100三、GE公司军用涡扇发动机中介机匣承力框架363.2F110发动机结构分析中介承力框架当风扇后轴承为滚珠轴承时，承力框架也进行了改进以适应承受轴向载荷F110-GE-129三、GE公司军用涡扇发动机3.2F110发动机结构分析涡轮后承力框架涡轮后承力支板承力件与燃气隔离整体结构减少连接结构螺栓连接37需要解决的问题：环境温度的影响三、GE公司军用涡扇发动机F110支承框架特点所有支点均未使用弹性支承和油膜阻尼器整机动力学设计困难高压转子后支承采用中介轴承对高低压转子的动力特性设计要求高必须避免转子之间振动耦合和保证适合的振动位移采用高/低压转子反转的设计（先进的转子动力设计技术）主要是保证在高转速去远离共振转速优化在机动飞行状态下承力系统上的受力状态38四、俄罗斯军用涡扇发动机——AL-31F四、俄罗斯军用涡扇发动机4.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F转子支承方案LP：1-2-1四支点由于低压转子为四级风扇的长轴结构能传轴向力的柔性联轴器HP：1-0-1两支点（No.5为中介支点）40四、俄罗斯军用涡扇发动机414.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F转子支承方案支承1号支点弹性环式弹支和SFD4号鼠笼式弹支6号支点弹性环式弹支和SFD四、俄罗斯军用涡扇发动机424.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F高压涡轮通过中介轴承支承于低压转子四支点支承的低压转子必须采用刚性连轴器对转子、机匣加工精度要求很高前苏联现俄罗斯加工精度达不到要求四、俄罗斯军用涡扇发动机4.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F低压联轴器结构43四、俄罗斯军用涡扇发动机444.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F低压联轴器结构四、俄罗斯军用涡扇发动机4.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F风扇结构特点风扇机匣为整体分段；风扇为四级，带变弯度导向叶片大展弦比叶片，抗外物打伤能力低风扇前三级带中间凸肩风扇四级后有处理机匣双排出口导叶（静子串列叶片）风扇转子后两级为螺栓连接；风扇前后轴颈与轮盘焊接；45四、俄罗斯军用涡扇发动机464.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F风扇叶片四、俄罗斯军用涡扇发动机变弯度导向叶片双排出口导叶474.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F风扇静子四、俄罗斯军用涡扇发动机俄罗斯典型的叶盘连接结构－斜榫根英美叶盘连接结构大倾斜角宽弦风扇叶根与盘连接结构设计484.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F风扇机匣shank四、俄罗斯军用涡扇发动机4.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F高压压气机结构特点HPC9级全为环形燕尾槽减轻重量HPC前轴颈由4级盘前伸，在第3级处连接增加前轴颈的连接刚度HPC后3级和封严盘连接采用长螺栓连接长螺栓连接的特点传扭、定位、安装49提高转子的抗变形能力，控制叶尖与机匣间隙四、俄罗斯军用涡扇发动机•HPC前支点位于2级盘内，以缩短轴系跨度•等外径设计提高叶片做功能力•全环形燕尾榫头减轻重量•轴颈与3级盘交叉提高刚度504.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F高压压气机转子四、俄罗斯军用涡扇发动机•HPC后3级盘与封严盘连接结构为长螺栓连接•大鼓筒传扭•定位衬套定距514.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F高压压气机转子四、俄罗斯军用涡扇发动机4.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F涡轮结构特点52高、低压涡轮各1级HPT盘与前后轴颈用螺栓连接轮盘上开螺栓孔影响涡轮盘寿命采用冷却措施HPT盘与前后轴颈用螺栓连接结构设计？53四、俄罗斯军用涡扇发动机544.1小涵道比涡扇发动机—AL-31F涡轮结构特点独特的冷却空气流路，提高效率预冷的冷却空气流位于外涵道内的空气热交换器HPT叶片冷却空气由导向叶片由外引入四、俄罗斯军用涡扇发动机4.1小涵道比涡扇发动机—