《現代航空燃氣輪機結構分析》討論課PW4000高涵道比渦扇發動機總體結構分析報告人：朱美印劉宏蕾陳懷榮徐蒙王漢義能源與動力工程學院2014年11月PW4000渦扇發動機總體結構PW4000風扇、增壓壓氣機支承結構PW4000發動機低壓轉子采用鼓式結構，其結構特點是結構簡單、零件數目少、加工方便，具有較高的抗彎剛性，但受到強度的限制。

PW4000發動機的單級風扇盤上固定著4級低壓壓氣機（即增壓壓氣機），是目前高涵道比渦扇發動機的常規設計。做成弧線形的低壓壓氣機氣流通道，在末級動葉后有放氣環。風扇和高壓壓氣機之間的中介機匣是主承力機匣，是最復雜的構件。增壓壓氣機葉片采用可控擴散葉型。低壓轉子的滾珠軸承設在風扇盤之后成為1號軸承。風扇盤上的后軸未直接與低壓渦輪軸相連，而是通過中介軸與低壓渦輪軸相連，中介軸與風扇后軸、低壓渦輪軸均用套齒聯軸器相連，這樣設計主要是為了提高低壓渦輪軸的安全性。PW4000高壓壓氣機轉子

高壓轉子采用盤鼓混合式結構，且為焊接和短螺栓連接。其結構特點是由盤、鼓筒和軸組成，兼具鼓式轉子抗彎性和盤式轉子強度高的特點。

11級高壓壓氣機的增壓比約為11.0，平均級增壓比為1.234。葉片與低壓壓氣機一樣，采用了可控擴散葉型。高壓轉子為焊接結構。后3級鎳基合金盤與后軸焊成一體，第2-8級鈦合金盤焊成一體，第1級盤和前軸（均為鈦合金）做成單件，然后在第1-2級和第8-9級盤間分別用短螺栓連接以組成整體轉子。PW4000轉子支承方案

PW4000LP0--2--11#、1.5#、4#

HP1--1--02#、3#

JT9D

LP0--1--11#、4#

HP1--1--02#、3#

JT9DPW4000PW4000支承方案分析

PW4000發動機主要采用不帶中介軸承的支承方案。PW4000低壓轉子為0—2—1方案，高壓轉子為1—1—0方案，5個支點支承于3個機匣上，無中介支點。在低壓轉子上，增加了一個支點，即在風扇后滾珠軸承后面，增加一個滾棒軸承。這種設計方案很好地解決了低壓轉子剛度不足的問題。高壓轉子采用的二支點支承方案將渦輪后支點放在渦輪前，縮短了高壓軸的長度，有利于控制軸的變形，具有良好的振動特性，同時給低壓轉子提供了一定的設計裕度，但由于軸承徑向尺寸的限制，渦輪軸剛性較小，并且兩級渦輪盤呈懸臂。由于PW4000支承方案不帶中介軸承，因而相比較帶中介軸承的支承方案，其結構簡單，但需要有較長的低壓軸，導致加工比較困難。PW4000傳力路線分析

扭矩——氣動產生的扭矩一方面通過轉子葉片傳給軸承再傳給軸，另一方面將通過靜子傳給支撐機匣，粗略地看兩者可以抵消。而實際上由渦輪輸出的燃氣并非完全軸向，故最終作用于機匣上少量力矩，再由發動機安裝邊傳給飛機。扭矩的傳遞依靠聯軸器。軸向力——氣動產生的軸向力在壓氣機跟渦輪上有著較大的力，先是氣體沖撞葉片傳遞給葉片，再由鼓筒或盤傳遞給軸承，而軸承承受的軸向力需要卸荷——一方面壓氣機和渦輪的軸向力方向相反，相鄰安裝有助于卸荷，另一方面卸荷腔的應用也將減小軸向載荷。慣性力——發動機內的部件自身質量會產生徑向力，這個徑向力將由軸承支承，而軸承最終將力傳遞給機匣。PW4000應用了渦輪級間支撐框架傳力——在兩級渦輪之間建立了承力框架，但這種做法拉長了發動機軸向長度，且降低了渦輪效率。同時由于PW4000渦輪轉子有后支點，結構上采用了渦輪后軸承機匣，將軸承負荷外傳。總體傳力路線：葉片—盤\鼓筒—軸承—軸—機匣（徑向）PW4000結構支承傳力分析軸承1將低壓壓氣機的推力傳遞給中介機匣；軸承1.5徑向支承低壓轉子驅動軸；軸承2將高壓壓氣機推力傳給中介機匣；軸承3徑向支承高壓壓氣機和高壓渦輪；軸承4徑向支承低壓轉子尾端和低壓渦輪。軸承從左向右依次編號：1、1.5、2、3、4轉子要有足夠的剛性和強度；基本原則是等強度，等剛度設計；抗外物打傷能力和包容能力強；采用結構措施提高可靠性；防喘、減緩振動，避免共振；效率提高、工作穩定可靠；重量輕、壽命長、成本低。PW4000風扇轉子設計要求PW4000風扇轉子結構特點PW4000發動機單級風扇上固定著4級低壓壓氣機，風扇葉片保留有一個減振凸臺，雖然對凸臺的設計做了許多改進，但與無凸臺相比，在性能、強度、和加工性等方面仍略為遜色。葉片前緣由原先常規的尖頭改成橢圓，提高其抗外物撞擊能力。38片葉身帶中間凸肩的鈦合金葉片（PW4084為無凸臺的寬弦空心葉片）。風扇排氣涵道的收斂度大，以減少氣流流過靜葉的氣動損失。壓力比1.66—1.76。葉根為燕尾型榫頭。風扇葉片為LRU，可在外場按重量矩成對更換。葉身構造特點：帶凸肩阻尼結構的葉片葉身中部配有減振凸肩（或稱阻尼臺），各個葉片之間的凸肩相互頂緊，可避免發生共振和顫振，提高葉片抗外物打擊能力。PW4000機匣設計要求在支撐結構中承擔著承力框架的作用，同時承擔防止葉片飛出時的包容作用和吸聲降噪的作用。風扇機匣提供一平滑氣流通道并支撐安裝進氣道整流罩。PW4000機匣結構特點1.前風扇機匣結構特點支撐安裝進氣道整流錐包容環（阻隔器）：內有風扇葉尖防磨帶——可阻擋風扇葉片斷裂時徑向飛出發動機。2.中介機匣結構特點風扇和高壓壓氣機之間的中介機匣是主承力機匣，也是最復雜的構件。它的中心部分是由合金鋼鑄成的帶9個承力支持的同心三層圓環。外涵道中的9個承力支板單獨鑄成后焊在中心部分外環上。這種用鑄、焊結合制造復雜構件的辦法，也是新一代發動機中為減少零件數常采用的措施。3.高壓壓氣機機匣結構特點采用典型雙層機匣結構，內機匣做成沿軸向分成多段，每段機匣均做成整環，用兩段機匣的安裝邊將帶安裝邊的外環夾住，靜子葉片做成幾個扇形段。裝拆時，無需裝拆葉片。這種結構設計保證了均勻的葉尖間隙，但結構變的復雜，質量增加。PW4000機匣結構特點第4級以后的機匣做成雙層。外層機匣與燃燒室機匣相連，是承受負荷的構件；內層機匣作為氣流通道的包容機匣并固定靜葉。前4級采用可調靜葉，機匣外部要求安裝調節裝置，加上本身直徑相對較大，所以第4級以前按單層設計。渦輪后承力機匣的內外環用可擴散葉型的葉片連接，葉片數比常規的承力支板多出一倍，起到半級渦輪的作用。高低壓渦輪上都采用了主動間隙控制技術，即按照不同的工況，改變吹向機匣外壁的冷卻空氣量。PW4000氣流通道設計特點進氣口：環形，固定唇口。風扇：單級軸流式。鈦合金輪轂上裝有38片帶凸臺窄弦轉子葉片(PW4084為無凸臺的寬弦空心葉片)，風扇排氣涵道的收斂度大，以減少氣流流過靜葉的氣動力損失。壓比為1.66～1.76。低壓壓氣機：4級軸流式。高壓壓氣機：11級軸流式。燃燒室：短環形。高壓渦輪：2級軸流式。低壓渦輪：4級軸流式(PW4168和PW4084分別為5級和7級)。PW4000氣流通道設計特點低壓壓氣機：通道形式為弧形高壓壓氣機：采用等內徑設計

PW4000氣流通道設計特點氣動流態圖主函道氣流提供約20%的推力；主要用于燃燒、冷卻、發動機穩定性控制及氣動系統的動力源。風扇函道氣流提供約80%的推力；主要用于冷卻渦輪機匣、發動機組件及發動機整流罩。軸承帶安裝邊

內環分半環下供油

端面石墨密封PW4000

支點—1號軸承風扇輪盤后滾珠軸承PW4000

支點—1號軸承結構滑油噴嘴9級氣，封嚴PW4000支點-1.5號軸承PW4000支點-2號軸承滾珠軸承彈性支承擠壓油膜阻尼器端面石墨封嚴內環供油彈性支座，降低轉子支承剛性，使發動機工作轉速低于臨界轉速，減少振動。折返式彈性支座，在限幅環中充以滑油，形成了“帶擠壓油膜的彈性支座”PW4000支點—2號軸承結構PW4000支點-3號軸承PW4000支點-3號軸承PW4000支點-3號軸承PW4000支點-4號軸承4級空氣軸承座---帶擠壓油膜封嚴---徑向石墨式PW4000支點-4號軸承結構PW4000-低壓聯軸器PW4000高氣動效率的實現措施1.為了在起飛大負荷狀態下將風扇葉尖的彎曲度降到最小，在低壓轉子上1號軸承后增加了一個滾棒軸承，即1.5號軸承。2.葉片前緣由原先常規的尖頭改成橢圓，提高其抗外物撞擊能力。做成弧線形的低壓壓氣機氣流通道，在末級動葉后有放氣環。葉片上斜著裝在鼓環上，增壓壓氣機葉片采用了可控擴散葉型。3.高壓壓氣機葉片采用可控擴散葉型。在低空、大工況（即起飛、爬升）下工作時，第5級空氣進入轉子內腔對轉子冷卻以避免葉尖與機匣相碰，同時還對低壓渦輪等處進行冷卻；當高度超過5000m時，N2達到80%-90%（即進入巡航狀態）時，閥門關閉，無冷卻空氣進入，轉子受熱膨脹，縮小了葉尖間隙和封嚴環間間隙，此時冷卻渦輪的空氣量減少，發動機的效率得到提高。4.在低壓壓氣機出口和高壓第5級處分別裝有序號為2.5及2.9的放氣活門。另外，高壓