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1、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,PW4000涡扇发动机总体结构,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
2、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。,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
3、和第8-9级盘间分别用短螺栓连接以组成整体转子。,PW4000转子支承方案,PW4000 LP 0-2-1 1#、 1.5#、4# HP 1-1-0 2#、 3# JT9D LP 0-1-1 1#、 4# HP 1-1-0 2#、 3#,JT9D,PW4000,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021方案，高压转子为110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
4、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。,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
5、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）,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
6、；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,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,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
7、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1.661.76。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。,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。,PW4000机匣结构特点,1.前风扇机匣结构特点支撑
8、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
9、。,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。,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
10、，以减少气流流过静叶的气动力损失。压比为1.661.76。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)。,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,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。,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
11、盘后滚珠轴承,PW4000 支点1号轴承结构,滑油喷嘴,9级气，封严,PW4000支点-1.5号轴承,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”,PW4000支点 2号轴承结构,PW4000支点-3号轴承,PW4000支点-3号轴承,PW4000支点-3号轴承,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,PW4000支点-4号轴承结构,PW4000-低压联轴器,PW4000高气动效率的实现措
12、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
13、气量减少，发动机的效率得到提高。,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,欢迎老师、各位同学提问与探讨！,
