PW4000发动机总体结构分析

电子信息工程学院《现代航空燃气轮机结构分析》讨论课PW4000高涵道比涡扇发动机总体结构分析报告人：朱美印刘宏蕾陈怀荣徐蒙王汉义能源与动力工程学院2014年11月电子信息工程学院PW4000涡扇发动机总体结构电子信息工程学院PW4000风扇、增压压气机支承结构PW4000发动机低压转子采用鼓式结构，其结构特点是结构简单、零件数目少、加工方便，具有较高的抗弯刚性，但受到强度的限制。PW4000发动机的单级风扇盘上固定着4级低压压气机（即增压压气机），是目前高涵道比涡扇发动机的常规设计。做成弧线形的低压压气机气流通道，在末级动叶后有放气环。风扇和高压压气机之间的中介机匣是主承力机匣，是最复杂的构件。增压压气机叶片采用可控扩散叶型。低压转子的滚珠轴承设在风扇盘之后成为1号轴承。风扇盘上的后轴未直接与低压涡轮轴相连，而是通过中介轴与低压涡轮轴相连，中介轴与风扇后轴、低压涡轮轴均用套齿联轴器相连，这样设计主要是为了提高低压涡轮轴的安全性。电子信息工程学院PW4000高压压气机转子高压转子采用盘鼓混合式结构，且为焊接和短螺栓连接。其结构特点是由盘、鼓筒和轴组成，兼具鼓式转子抗弯性和盘式转子强度高的特点。11级高压压气机的增压比约为11.0，平均级增压比为1.234。叶片与低压压气机一样，采用了可控扩散叶型。高压转子为焊接结构。后3级镍基合金盘与后轴焊成一体，第2-8级钛合金盘焊成一体，第1级盘和前轴（均为钛合金）做成单件，然后在第1-2级和第8-9级盘间分别用短螺栓连接以组成整体转子。电子信息工程学院PW4000转子支承方案PW4000LP0--2--11#、1.5#、4#HP1--1--02#、3#JT9DLP0--1--11#、4#HP1--1--02#、3#JT9DPW4000电子信息工程学院PW4000支承方案分析PW4000发动机主要采用不带中介轴承的支承方案。PW4000低压转子为0—2—1方案，高压转子为1—1—0方案，5个支点支承于3个机匣上，无中介支点。在低压转子上，增加了一个支点，即在风扇后滚珠轴承后面，增加一个滚棒轴承。这种设计方案很好地解决了低压转子刚度不足的问题。高压转子采用的二支点支承方案将涡轮后支点放在涡轮前，缩短了高压轴的长度，有利于控制轴的变形，具有良好的振动特性，同时给低压转子提供了一定的设计裕度，但由于轴承径向尺寸的限制，涡轮轴刚性较小，并且两级涡轮盘呈悬臂。由于PW4000支承方案不带中介轴承，因而相比较带中介轴承的支承方案，其结构简单，但需要有较长的低压轴，导致加工比较困难。电子信息工程学院PW4000传力路线分析扭矩——气动产生的扭矩一方面通过转子叶片传给轴承再传给轴，另一方面将通过静子传给支撑机匣，粗略地看两者可以抵消。而实际上由涡轮输出的燃气并非完全轴向，故最终作用于机匣上少量力矩，再由发动机安装边传给飞机。扭矩的传递依靠联轴器。轴向力——气动产生的轴向力在压气机跟涡轮上有着较大的力，先是气体冲撞叶片传递给叶片，再由鼓筒或盘传递给轴承，而轴承承受的轴向力需要卸荷——一方面压气机和涡轮的轴向力方向相反，相邻安装有助于卸荷，另一方面卸荷腔的应用也将减小轴向载荷。惯性力——发动机内的部件自身质量会产生径向力，这个径向力将由轴承支承，而轴承最终将力传递给机匣。PW4000应用了涡轮级间支撑框架传力——在两级涡轮之间建立了承力框架，但这种做法拉长了发动机轴向长度，且降低了涡轮效率。同时由于PW4000涡轮转子有后支点，结构上采用了涡轮后轴承机匣，将轴承负荷外传。总体传力路线：叶片—盘\鼓筒—轴承—轴—机匣（径向）电子信息工程学院PW4000结构支承传力分析轴承1将低压压气机的推力传递给中介机匣；轴承1.5径向支承低压转子驱动轴；轴承2将高压压气机推力传给中介机匣；轴承3径向支承高压压气机和高压涡轮；轴承4径向支承低压转子尾端和低压涡轮。轴承从左向右依次编号：1、1.5、2、3、4电子信息工程学院•转子要有足够的刚性和强度；基本原则是等强度，等刚度设计；•抗外物打伤能力和包容能力强；采用结构措施提高可靠性；•防喘、减缓振动，避免共振；效率提高、工作稳定可靠；•重量轻、寿命长、成本低。PW4000风扇转子设计要求电子信息工程学院PW4000风扇转子结构特点PW4000发动机单级风扇上固定着4级低压压气机，风扇叶片保留有一个减振凸台，虽然对凸台的设计做了许多改进，但与无凸台相比，在性能、强度、和加工性等方面仍略为逊色。叶片前缘由原先常规的尖头改成椭圆，提高其抗外物撞击能力。38片叶身带中间凸肩的钛合金叶片（PW4084为无凸台的宽弦空心叶片）。风扇排气涵道的收敛度大，以减少气流流过静叶的气动损失。压力比1.66—1.76。叶根为燕尾型榫头。风扇叶片为LRU，可在外场按重量矩成对更换。叶身构造特点：带凸肩阻尼结构的叶片叶身中部配有减振凸肩（或称阻尼台），各个叶片之间的凸肩相互顶紧，可避免发生共振和颤振，提高叶片抗外物打击能力。电子信息工程学院PW4000机匣设计要求在支撑结构中承担着承力框架的作用，同时承担防止叶片飞出时的包容作用和吸声降噪的作用。风扇机匣提供一平滑气流通道并支撑安装进气道整流罩。电子信息工程学院PW4000机匣结构特点1.前风扇机匣结构特点支撑安装进气道整流锥包容环（阻隔器）：内有风扇叶尖防磨带——可阻挡风扇叶片断裂时径向飞出发动机。2.中介机匣结构特点风扇和高压压气机之间的中介机匣是主承力机匣，也是最复杂的构件。它的中心部分是由合金钢铸成的带9个承力支持的同心三层圆环。外涵道中的9个承力支板单独铸成后焊在中心部分外环上。这种用铸、焊结合制造复杂构件的办法，也是新一代发动机中为减少零件数常采用的措施。3.高压压气机机匣结构特点采用典型双层机匣结构，内机匣做成沿轴向分成多段，每段机匣均做成整环，用两段机匣的安装边将带安装边的外环夹住，静子叶片做成几个扇形段。装拆时，无需装拆叶片。这种结构设计保证了均匀的叶尖间隙，但结构变的复杂，质量增加。电子信息工程学院PW4000机匣结构特点第4级以后的机匣做成双层。外层机匣与燃烧室机匣相连，是承受负荷的构件；内层机匣作为气流通道的包容机匣并固定静叶。前4级采用可调静叶，机匣外部要求安装调节装置，加上本身直径相对较大，所以第4级以前按单层设计。涡轮后承力机匣的内外环用可扩散叶型的叶片连接，叶片数比常规的承力支板多出一倍，起到半级涡轮的作用。高低压涡轮上都采用了主动间隙控制技术，即按照不同的工况，改变吹向机匣外壁的冷却空气量。电子信息工程学院PW4000气流通道设计特点进气口：环形，固定唇口。风扇：单级轴流式。钛合金轮毂上装有38片带凸台窄弦转子叶片(PW4084为无凸台的宽弦空心叶片)，风扇排气涵道的收敛度大，以减少气流流过静叶的气动力损失。压比为1.66～1.76。低压压气机：4级轴流式。高压压气机：11级轴流式。燃烧室：短环形。高压涡轮：2级轴流式。低压涡轮：4级轴流式(PW4168和PW4084分别为5级和7级)。电子信息工程学院PW4000气流通道设计特点低压压气机：通道形式为弧形高压压气机：采用等内径设计电子信息工程学院PW4000气流通道设计特点气动流态图主函道气流提供约20%的推力；主要用于燃烧、冷却、发动机稳定性控制及气动系统的动力源。风扇函道气流提供约80%的推力；主要用于冷却涡轮机匣、发动机组件及发动机整流罩。电子信息工程学院轴承带安装边内环分半环下供油端面石墨密封PW4000支点—1号轴承风扇轮盘后滚珠轴承电子信息工程学院PW4000支点—1号轴承结构电子信息工程学院滑油喷嘴9级气，封严PW4000支点-1.5号轴承电子信息工程学院PW4000支点-2号轴承滚珠轴承弹性支承挤压油膜阻尼器端面石墨封严内环供油弹性支座，降低转子支承刚性，使发动机工作转速低于临界转速，减少振动。折返式弹性支座，在限幅环中充以滑油，形成了“带挤压油膜的弹性支座”电子信息工程学院PW4000支点—2号轴承结构电子信息工程学院PW4000支点-3号轴承电子信息工程学院PW4000支点-3号轴承电子信息工程学院PW4000支点-3号轴承电子信息工程学院PW4000支点-4号轴承4级空气轴承座---带挤压油膜封严---径向石墨式电子信息工程学院PW4000支点-4号轴承结构电子信息工程学院PW4000-低压联轴器电子信息工程学院PW4000高气动效率的实现措施1.为了在起飞大负荷状态下将风扇叶尖的弯曲度降到最小，在低压转子上1号轴承后增加了一个滚棒轴承，即1.5号轴承。2.叶片前缘由原先常规的尖头改成椭圆，提高其抗外物撞击能力。做成弧线形的低压压气机气流通道，在末级动叶后有放气环。叶片上斜着装在鼓环上，增压压气机叶片采用了可控扩散叶型。3.高压压气机叶片采用可控扩散叶型。在低空、大工况（即起飞、爬升）下工作时，第5级空气进入转子内腔对转子冷却以避免叶尖与机匣相碰，同时还对低压涡轮等处进行冷却；当高度超过5000m时，N2达到80%-90%（即进入巡航状态）时，阀门关闭，无冷却空气进入，转子受热膨胀，缩小了叶尖间隙和封严环间间隙，此时冷却涡轮的空气量减少，发动机的效率得到提高。电子信息工程学院4.在低压压气机出口和高压第5级处分别装有序号为2.5及2.9的放气活门。另外，高压压气机进口静叶及第1-4级静叶是可调的。5.两级高压涡轮均设计成气冷式。两级静叶按三元流设计成沿径向呈弯曲状以减小端壁损失，叶片表面均有耐高温涂层。高压涡轮叶尖处经过耐磨处理，对应的外环上等离子喷覆一层可磨的分层陶瓷以减小叶尖间隙。6.低压涡轮所有静叶都设计成沿径向呈弯曲状。采用弯曲形的导向叶片，端壁损失较小，因而可提高效率。7.高、低压涡轮上均采用主动间隙控制技术，即按不同的工况，改变吹向机匣外壁的冷却空气量。PW4000高气动效率的实现措施电子信息工程学院欢迎老师、各位同学提问与探讨！