齿轮传动风扇发动机结构设计特征分析

张博

中国航发沈阳发动机研究所 辽宁 沈阳 110015

引言

齿轮传动风扇发动机（Geared Turbofan，下文简称GTF）通过在风扇转子与低压涡轮转子间增加一齿轮减速箱，使低压转子转速高于风扇转子转速，提高了低压压气机与低压涡轮的单级做功能力，允许在保证相同增压比、膨胀比的前提下减小低压转子叶片稠度与级数。虽然引入了一个齿轮减速箱，GTF发动机的可靠性与可维护性非但没有下降，反而得到了很大的提高。GTF的诸多优点极大地提高了其在民用航空领域的竞争力，特别是在中等推力的单通道客机和支线客机动力应用方面，优势更为明显。

GTF发动机的研制工作开展很早，在20世纪70年代初，阿芙莱康明公司和加雷特公司（后来两者合并为霍尼韦尔公司）就分别推出了ALF502和TFE731两款GTF发动机，但其推力较小，结构可靠性较差，性能优势不大。普惠公司的GTF技术研究历时二十多年，先后研制出了多台验证机。1998年推出面向单通道客机的PW8000系列GTF发动机，因技术问题与市场问题下马，后又于2008年推出面向支线客机的PW1000G系列发动机，市场反应良好，先后被三菱重工、庞巴迪公司和俄罗斯联合航空制造公司选中。作为仅有的两款成型号的大推力GTF发动机，PW8000与PW1000G为研究GTF发动机结构设计提供了很好的借鉴。

1 PW8000总体结构特点

PW8000发动机由单级风扇，3级低压压气机，5级高压压气机，1级高压涡轮和3级低压涡轮组成，共有5个支点（包含一个中介支点），3个承力框架。为解决GTF发动机结构设计的诸多问题，其在支承方案、转子结构设计、转子连接等方面采用了大量新技术。

1.1 总体支承方案

齿轮减速箱使得低压转子断开为两个转子，PW8000发动机的转子系统包含风扇转子、低压转子与高压转子3部分，3个转子均需要分别单独支承。

1.2 风扇转子支承方案

为适应风扇后狭小的支承空间，风扇转子采用0-1的支承方案，用一个宽度较大的双排V型滚棒轴承来承受风扇转子巨大的轴向力与径向力，轴承支承在内涵进口承力框架上，载荷经风扇出口整流叶片传递到前安装节。与滚珠轴承相比，双排V型滚棒轴承可承受更大的轴向力与径向力，但是其工作转速较低，不适用于航空发动机，GTF发动机的风扇转速低于传统的大涵道比涡扇发动机，这就为双排V型滚棒轴承的应用提供了可能。另外，当风扇转子发生微小角度偏转时，对双排V型滚棒轴承的损伤更小，使用寿命更长。

1.3 高速低压涡轮结构设计

低压转子因转速提高，离心力增大，对低压涡轮的影响最为明显。为满足高应力的要求，PW8000的低压涡轮进行了结构改进：叶冠结构进行优化，在不改变其封严、阻尼、刚度加强效果前提下，尽量减小其质量；叶身采用锥形叶身结构，使其应力分布均匀，并减小质量；叶盘连接的轴向燕尾形榫头宽度增加，提高其承载能力；轮盘加厚，盘心孔变小，提高涡轮盘的承载能力。结构改进后的高速低压涡轮具有“小叶冠、锥形身、厚榫头、大厚盘”的结构特征。

1.4 振动隔离措施

PW8000共有3个转子，且引入一个具有高啮合频率的齿轮减速箱，相当于多了一个高频激振源，同时，高压后支点采用了中介轴承，这使得发动机在多振源激励下的振动问题变得非常复杂。PW8000齿轮减速箱功率输入轴采用了“波纹轴”结构，功率输出轴采用了“壳形轴”结构，两者的截面尺寸均变化较大，拥有较大的机械阻抗，可以减小齿轮箱的高频振动向低压转子与风扇转子振动能量的传递，起到了很好的隔振效果。齿轮减速箱的安装座也采用了弹性安装结构[1]，减小了齿轮啮合激励的外传，实现对齿轮箱的振动隔离。此外，PW8000还对发动机机匣与承力框架进行了优化设计，增大了机械阻抗，提高了隔振效果，减小各支点间的振动耦合。

对于中介轴承引起的高低压振动耦合问题，PW8000主要通过缩短中介支点与低压涡轮后支点距离的方法来解决。

2 PW1000G总体结构特点

PW1000G是普惠公司在多年GTF研制技术积累之上开发的中等推力高涵道比GTF发动机，继承了众多成熟技术，并在结构设计上采用了大量的改进和新结构。

2.1 风扇转子支承

PW1000G加大了风扇支点两个斜置滚棒轴承的距离，使其成为2个支点，形成0-2的支承方案，使风扇转子拥有更好的角向刚度。前承力框架也重新设计，采用了带有环腔结构的人字形支承，以提高其抗变形能力。

2.2 低压转子支承

低压转子为1-0-2支承方案，前支承前移，安置于低压压气机后轴颈之前，靠近低压压气机质心，支承在内涵进口承力框架上，并且采用了鼠笼弹支与挤压油膜阻尼器并用的支承结构。这种设计一方面改善了低压转子前支承径向刚度不足的问题，给低压转子动力学设计提供了结构实施途径；另一方面改善了低压前支点载荷在机匣上的传力路线，支点承受的载荷经过内涵进口承力框架和风扇出口导流叶片，直接传递到发动机前主安装节，缩短了在机匣上的传递距离，改善了风扇机匣的受力状态，有利于减小机匣变形。

低压涡轮后支承采用了两个轴承并用的支承结构，可以有效提高低压涡轮转子的局部刚度，提高涡轮部件的抗变形能力，从而对低压涡轮叶尖间隙控制提供了良好的条件，在后轴承支承处采用了鼠笼弹支与挤压油膜阻尼器，以减少振动。

2.3 高压转子支承及连接结构

PW1000G的高压转子在结构设计上进行了很大的改进。取消了中介轴承，采用了涡轮级间机匣承力框架结构，有效地控制了高低压转子间的振动耦合，改善其动力学特性。同时，高压压气机增加为8级，高压涡轮增加为2级，为高效率和长寿命设计提供了良好的条件。

高压压气机前7级均为整体叶盘，只有第8级叶盘连接采用环向燕尾形榫头连接，盘盘间采用止口定心，轴向压紧固定，摩擦传扭的可拆卸转子结构，此结构在大尺寸涡扇发动机上的使用是一个里程碑式的创新。PW1000G采用中心长螺栓轴向拉紧的方式，将8级高压压气机、鼓筒轴和2级高压涡轮组合在一起。连接压气机转子和涡轮转子并提供稳定轴向压紧力的轴被称为“领带轴”（Tie Shaft）。在领带轴上加工有三处螺纹，前端螺纹与高压压气机前轴颈上的螺纹配合，中间螺纹与高压压气机后轴颈后的大螺母配合，大螺母承受轴向力，紧紧顶住后轴颈的锥壳，将高压压气机各级盘、鼓筒压紧成一个整体。末端的螺纹与高压涡轮后轴颈处的大螺母配合，传递轴向力，将2级高压涡轮与高压压气机转子压紧成一个整体。

3 GTF发动机结构设计中的关键技术

GTF发动机的高性能和高结构效率[2]是以新设计技术为基础的，对这些新技术与新结构的研究是GTF发动机项目成败的关键。通过对GTF涡扇发动机结构设计中结构特征和力学行为的研究梳理，其主要关键技术有如下7个方面。

3.1 风扇结构与动力学一体化设计技术

GTF发动机中风扇转子与低压转子断开，使得风扇转子需要单独支承，对风扇转子的轴向力平衡、支承设计和结构设计，成为GTF发动机的一大难点。

为平衡风扇转子的巨大轴向力，GTF发动机使用了承载能力更强但工作转速较低的斜置滚棒轴承。并且采用两个支点，提高悬臂风扇转子的角刚度。增加内涵进口承力框架，来支承风扇转子。同时对风扇转子的结构进行优化，通过采用铝合金空心叶片等措施来对风扇转子进行减重，并且大量采用一体结构来提高转子稳定性。

3.2 转子系统隔振设计技术

在GTF发动机中存在3个不同转速的转子，又有齿轮减速箱的复杂高频啮合激励，使得转子系统的振动非常复杂，转子系统隔振设计技术十分重要。

根据发动机转子系统结构设计特征，隔振设计主要从轴间隔振和机匣隔振两方面进行隔振结构设计。一方面，在齿轮减速箱功率输入、输出轴上采用变截面轴结构，使其高频范围内的机械阻抗增大，可削弱齿轮啮合高频振动在轴上的传递；另一方面，齿轮减速箱采用弹性安装结构，减小其振动激励的外传，并对机匣与承力框架进行优化设计，增大机械阻抗，提高隔振效果，减小各支点间的振动耦合。

3.3 高速低压转子抗变形设计技术

GTF发动机的低压转子采用高转速设计，工作转速位于多阶临界转速以上，是一个典型的高速柔性转子，工作过程中易发生大的变形，可导致叶尖间隙过大或碰磨。

GTF高速低压转子的抗变形设计主要通过两种结构途径。一是转子局部结构刚性的强化设计：低压压气机与低压涡轮采用盘鼓混合式转子结构、锥壳结构和环腔结构等刚度较好的结构，提高转子局部刚度；优化连接结构，使其避开大应力、大应变区域，提高连接结构稳定性等。二是支点位置和数目的优化：前后支点分别靠近低压压气机、低压涡轮的质心，并且在涡轮处采用两个支点，减小压气机与涡轮部位的变形。

3.4 高稳定性可拆卸转子设计技术

GTF发动机为追求高性能，在压气机中大量采用了整体叶盘和分段式整环机匣，这就要求转子结构必须是可拆卸。而高稳定性、长寿命可拆卸连接结构的设计技术是高速转子设计的保证。

PW1000G创造性的在大尺寸发动机中将“领带轴”结构用于复杂转子的连接，轴向拉紧、止口摩擦传扭，并与多功能压气机-涡轮连接鼓筒轴配合使用，形成一个高结构稳定性、大刚度的可拆卸转子，很好地满足了设计要求，给高速转子的连接结构设计提供了一个新思路，代表了新的发展方向，具有很高的研究价值。

3.5 具有大跳动量的转静子间石墨封严技术

在GTF发动机中，功率输出轴、输入轴与齿轮减速箱存在较大的不同心度，主要表现为角度不同心与径向不同心。工作时转子引起的大的振动响应，会影响到封严装置的封严效果和使用寿命。由于传动齿轮箱连接转子在工作时存在大不同心度（振动幅值大），篦齿封严和传统的石墨封严很难满足设计要求，普惠公司采用了新型的多块石墨封严结构，对石墨环的结构形式、石墨材料等进行优化设计，使其能够满足大不同心度、高转速、长寿命的要求。

3.6 高速低压涡轮结构-强度一体化设计技术

低压转子转速的提高对于工作温度较高的低压涡轮部件影响最大，其原有设计已经不能满足新的强度要求，必须采用新技术对低压涡轮进行重新设计。

低压涡轮的结构-强度一体化设计主要集中在两个方面，一方面是叶片的减重，在不影响气动效率的前提下，采用了小叶冠、锥形叶身的结构形式，以减小离心载荷；另一方面是轮盘结构的优化，增大轴向燕尾形榫头的宽度，增加轮盘的厚度，减小轮盘盘心孔直径，提高承载能力[3]。

4 结束语

GTF发动机在提高气动效率方面具有明显优势，但是需要在总体结构设计技术上提供创新的设计方案和设计技术，为发动机性能的提高给予有力的支持。

由于齿轮传动机构的存在，对发动机整机承力和变形具有重要影响，所以总体结构设计中需要发展整机结构力学特性分析技术。

采用高稳定性的可拆卸转子结构设计是保证高效涡扇发动机整体叶盘结构使用的关键技术。

为提高发动机效率，空气系统、滑油系统的封严技术和叶片与机匣叶尖间隙控制技术是总体结构设计必须重视的问题。