北京航空航天大学航空燃气轮机结构设计课程报告

航空燃气轮机结构设计课程报告PW4000高涵道比涡扇发动机总体结构分析

ppt汇报人：张X 1113XXXX

报告撰写人：邵X 1113XXXX

柳XX 1113XXXX

资料收集人：万XX 11131048

杨XX 11131047

廉XX 11131046

目录

摘要 (3)

0.PW4000简介 (4)

1.高低压转子结构形式及支承方案 (4)

1.1高低压转子的结构形式 (4)

1.1.1低压转子 (4)

1.1.2高压转子 (4)

1.2支承方案 (4)

2.传力路线分析 (5)

2.1气动力： (5)

2.1.1扭矩 (5)

2.1.2轴向力 (5)

2.2惯性力： (5)

2.3结构支承传力分析 (5)

3.风扇转子及机匣设计要求和结构特点 (6)

3.1风扇转子 (6)

3.1.1设计要求 (6)

3.1.2结构特点 (6)

3.2机匣 (7)

3.2.1设计要求 (7)

3.2.2结构特点 (7)

4.气流通道设计特点 (7)

4.2气流通道形式 (8)

4.3PW4000 (8)

5.涡轮转子-支承结构设计特点 (8)

参考文献 (9)

摘要：本文是《航空燃气轮机结构设计课程汇报》所要求的结构分析汇报，主要从高低压转子结构与支承方案、传力路线、风扇转子及机匣设计、涡轮转子支承结构方面分析了PW4000发动机，还探讨了从结构设计上实现高气动效率的措施。

关键词：PW4000 高涵道比涡扇发动机结构分析

0.PW4000简介

PW4000是美国普拉特·惠特尼公司于1982年12月8日宣布拟研制的一种商业用大推力涡扇发动机。旨在取代JT9D-7R4发动机满足未来宽体客机的需要。设计的目标是在发动机安装尺寸不变的情况下，采用先进技术提高发动机性能(增加推力，降低耗油率)。

1987年7月首次交付使用，装备于B767-200、A310飞机。

1.高低压转子结构形式及支承方案

1.1高低压转子的结构形式

1.1.1低压转子

为鼓式结构，结构特点——结构简单、零件数目少、加工方面、具有较高抗弯刚性，但，存在抵抗离心力的强度限制。

1.1.2高压转子

为盘鼓混合式结构，且为焊接和短螺栓连接的组合。结构特点——由盘、鼓筒、轴组成，兼具鼓式转子抗弯性和盘式转子强度高的特点。

1.2支承方案

PW4000采用了普惠传统的设计。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。

方案分析：

低压转子上增加了一个支点，即在风扇后滚珠轴承后面，增加了一个滚棒轴承，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撑方案将后支点安置在涡轮之前，可以使两支点间的距离减小，从而有利于控制轴的变形，但是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。然而根据国外学者研究，两级涡轮的结构采用1-1-0较为有利。

这种方案无中介支点，因而结构简单。但需要有较长的低压轴，加工困难。

LP 0--2--1

1#、1.5#、4#

HP 1--1—0

2#、3#

2.传力路线分析

总体传力路线：叶片——盘\鼓筒——轴承——轴——机匣（径向）

2.1气动力：

2.1.1扭矩

气动产生的扭矩将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。

2.1.2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。

2.2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。

2.3结构支承传力分析

将轴承从左向右依次编号为1、1.5、2、3、4

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。

3.风扇转子及机匣设计要求和结构特点

3.1风扇转子

3.1.1设计要求

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。

3.1.2结构特点

结构形式：

鼓式转子：结构简单，零件数目少，加工方便，并且具有较高的抗弯性。

盘式转子：由一组轮盘和中心轴组成，与鼓式转子相比结构强度好，但抗弯性能差，。容易产生振动。

转子特点：

38片叶身带中间肩的钛合金叶片。

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。

3.2机匣

3.2.1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。

3.2.2结构特点

前风扇机匣：

1、支撑安装进气道整流锥

2、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。

中介机匣：

1、发动机的主要结构件

2、有许多发动机组件的安装点，主要实现内外涵道分流或气流通道的过渡转接。

高压压气机机匣：

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。

4.气流通道设计特点

4.1特点

进口处：外物易打伤、结冰、腐蚀。

转速高：叶片根部、轮盘承受负荷极大，平衡要求高。

对空气做功：要求效率高、叶型设计

叶片高而薄：易振动、高频疲劳。

4.2气流通道形式

等外径设计：

能充分提高叶片切向速度，加大加工量，以减少压气机级数。

切向速度受到强度的限制。

多在压气机前面几级使用。

等内径设计：

优点：提高末级叶片效率。

缺点：对气体加功量小，级数多。

等中径设计：

介于两者之间，一般均混合采用

4.3PW4000

低压压气机：通道形式：弧形

高压压气机：采用等内径设计

5.涡轮转子-支承结构设计特点

3号轴承是高压涡轮转子前支点。它装于轴承衬套上，衬套上安装轴承处开有五道环形槽，衬套与涡轮轴仅在前后端接触，减少了对轴承的传热。另外，滑油喷油嘴对着涡轮轴喷入一定量的滑油，使涡轮轴的温度降低。滑油腔的封严采用石墨密封装置。静止不转动的石墨环的前端面，在弹簧的作用下压在与轴一起旋转的封严挡环上，进行动密封。石墨与隔热罩间有缝隙，也会产生滑油的泄露，因此采用了两圈涨圈紧紧抵住石墨内环内径，进行静密封。工作时，涨圈与石墨间基本无相对移动，仅石墨端面与封严挡环间有相对摩擦；当石墨磨损后，石墨在弹簧的作用下会有微量轴向移动，这是石墨与涨圈间有很小的相对轴向摩擦。为了润滑石墨端面与封严挡环间相对摩擦的表面，并冷却封严挡环，设有专门的喷嘴对其喷以滑油。由于石墨具有高温稳定性、良好的导热性及润滑性，所以它在高温、高压差、高转速下能可靠工作。

4号轴承是低压涡轮转子后支点，采用带弹性支座挤压油膜的支点结构。轴承外环以一定的间隙装入后轴承机匣中，间隙中引入润滑系统的压力滑油形成油膜。为防止滑油由两侧泄露，轴承外环两侧处开有环形槽，槽中装有封严环，为防止轴承外环在座孔中转动，在后盖板上做有限动凸块，插入轴承外环的缺口中。挤压油墨减振的工作原理类似于一般的液压减振器或缓冲器，轴承在转子的不平衡力作用的方向移动挤压油膜，在液体动力特性的作用下，外环的移动受到阻碍，同时滑油吸收了外环运动的能量，即振动能量的大部分，从而传到机匣的振动值与振幅均大大减小。该支点采用的是拉杆式弹性支座（折叠式的弹性支座），安装支座的机匣与轴承基本处于同一轴向位置上。这种设计不仅使承力框架间的轴向距离缩短，而且也便于在改型中，不需要改变机匣即可添加一个弹性支座。

6. 结构设计上可以保证高气动效率的实现的措施

1.可以采用端削的方式提高压气机的叶片效率，实现高气动效率。用削去叶尖处部分叶盆金属的办法，使叶尖处的加工量增大，从而延迟了避免附面层的分离，不仅扩大了压气机的稳定工作范围，还有利于提高增压比和效率。PW4000采用了可控扩散叶型和及端部过弯叶身的叶片，这样使得叶型厚度及曲率按最佳分布，因而基本消除了附面层的分离，增加了压气机的有效流通面积，提高了压气机的效率，端部过弯叶身是为了减少叶片两端壁附面层所造成的二次损失，因而将叶身尖部及根部前后缘特别地加以弯曲。

2.涡轮叶片采用带冠叶片。这样可以减小叶片尖部由叶盆向叶背的漏气，降低二次损失，提高涡轮效率。

3.涡轮叶片也可采用可控涡变量叶片。燃气流在导向器和转子叶片间的环形通道中的做功量是根据需要来控制的，可控涡的变功量设计减少了二次损失，提高了涡轮效率。

参考文献

陈光，洪杰，马艳红.航空燃气涡轮发动机结构.北京：北京航空航天大学出版社，2010.

陈光.航空发动机结构设计分析.北京：北京航空航天大学出版社，2006.