PW4000发动机总体结构分析

1、电子信息工程学院 现代航空燃气轮机结构分析现代航空燃气轮机结构分析讨论课讨论课 PW4000PW4000高涵道比涡扇发动机高涵道比涡扇发动机 总体结构分析总体结构分析 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风扇、增压压气机支承结构 PW4000PW4000发动机低压转子采用鼓发动机低压转子采用鼓 式结构，其结构特点是结构简单、式结构，其结构特点是结构简单、 零件数目少、加工方便，具有较高零件数目少、加工方便，具有较高 的抗弯刚性

2、，但受到强度的限制。的抗弯刚性，但受到强度的限制。 PW4000PW4000发动机的单级风扇盘上发动机的单级风扇盘上 固定着固定着4 4级低压压气机（即增压压气级低压压气机（即增压压气 机），是目前高涵道比涡扇发动机机），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构件。增压压气机叶片采用可控扩 散叶型。散叶型。 低压转子的滚珠轴承设在风

3、扇盘之后成为低压转子的滚珠轴承设在风扇盘之后成为1 1号轴承。风扇盘上号轴承。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。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压气机转子 高 压 转 子 采高 压 转 子 采 用盘鼓混合式结用盘鼓混合式结 构，且为焊接和构，且为焊接和 短螺栓连接。其短螺栓连接。其 结构特点是由盘

4、、结构特点是由盘、 鼓筒和轴组成，鼓筒和轴组成， 兼具鼓式转子抗兼具鼓式转子抗 弯性和盘式转子弯性和盘式转子 强度高的特点。强度高的特点。 1111级高压压气机的增压比约为级高压压气机的增压比约为11.011.0，平均级增压比为，平均级增压比为1.2341.234。叶片与低。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 3级镍基合级镍基合 金盘与后轴焊成一体，第金盘与后轴焊成一体，第2-82-8级钛合金盘焊成一体，第级钛合金盘焊成一体，第1 1级盘和前轴（均为钛级盘和前轴（均为钛 合金）做成单件，然后在第合金）做成

5、单件，然后在第1-21-2级和第级和第8-98-9级盘间分别用短螺栓连接以组成整级盘间分别用短螺栓连接以组成整 体转子。体转子。 电子信息工程学院 PW4000转子支承方案转子支承方案 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 电子信息工程学院 PW4000支承方案分析支承方案分析 PW4000PW4000发动机主要采用不带中介轴承的支承方案。发动机主要采用不带中介轴承的支承方案。PW4000PW4000 低压转子为低压转子为021021方案，高压转子

6、为方案，高压转子为110110方案，方案，5 5个支个支 点支承于点支承于3 3个机匣上，无中介支点。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。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，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

7、转子提供了一定的设计裕度，但由振动特性，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。盘呈悬臂。 由于由于PW4000PW4000支承方案不带中介轴承，因而相比较带中介轴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。致加工比较困难。 电子信息工程学院 PW4000传力路线分析传力路线分析 扭矩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，气动产生的扭矩一方面通过转子叶

8、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。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，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

9、要卸荷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。向载荷。 惯性力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。将由轴承支承，而轴承最终将力传递给机匣。PW4000PW4000应用了涡轮应用了涡轮 级间支撑框架传力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

10、率。同时由于做法拉长了发动机轴向长度，且降低了涡轮效率。同时由于 PW4000PW4000涡轮转子有后支点，结构上采用了涡轮后轴承机匣，将轴涡轮转子有后支点，结构上采用了涡轮后轴承机匣，将轴 承负荷外传。承负荷外传。 总体传力路线：总体传力路线：叶片叶片盘盘 鼓筒鼓筒轴承轴承轴轴机匣（径向）机匣（径向） 电子信息工程学院 PW4000结构支承传力分析结构支承传力分析 轴承轴承1 1将低压压气机的推力传递给中介机匣；将低压压气机的推力传递给中介机匣； 轴承轴承1.51.5径向支承低压转子驱动轴；径向支承低压转子驱动轴； 轴承轴承2 2将高压压气机推力传给中介机匣；将高压压气机推力传给中介机匣；

11、轴承轴承3 3径向支承高压压气机和高压涡轮；径向支承高压压气机和高压涡轮； 轴承轴承4 4径向支承低压转子尾端和低压涡轮。径向支承低压转子尾端和低压涡轮。 轴承从左向右轴承从左向右 依次编号：依次编号： 1 1、1.51.5、2 2、3 3、4 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风扇转子结构特点风扇转子结构特点 PW4000PW4000发动

12、机单级风扇上固定着发动机单级风扇上固定着4 4级低压压气机，风扇叶级低压压气机，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，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。物撞击能力。 3838片叶身带中间凸肩的钛合金叶片（片叶身带中间凸肩的钛合金叶片（PW4084PW4084为无凸台的宽为无凸台的宽 弦空心叶片）。弦空心叶片）。 风扇排气涵道的收敛度大，以减

13、少气流流过静叶的气动损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。压力比失。压力比1.661.761.661.76。 叶根为燕尾型榫头。叶根为燕尾型榫头。 风扇叶片为风扇叶片为LRULRU，可在外场按重量矩成对更换。，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。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机匣设计要求机匣设

14、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。道并支撑安装进气道整流罩。 电子信息工程学院 PW4000机匣结构特点机匣结构特点 1.1.前风扇机匣结构特点前风扇机匣结构特点 支撑安装进气道整流锥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包容环（阻隔器）：内有风扇叶尖防磨带可阻挡风扇叶片断裂可阻挡风扇叶片断裂 时径向飞出发动机。时径向飞出发动机。 2.2.中介机匣结构特点中

15、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。件。 它的中心部分是由合金钢铸成的带它的中心部分是由合金钢铸成的带9 9个承力支持的同心三层圆个承力支持的同心三层圆 环。外涵道中的环。外涵道中的9 9个承力支板单独铸成后焊在中心部分外环上。这种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。件数常采用的措施。 3.3.高压压气机机匣结构特点高压压气机机匣结构特点 采用典型双

16、层机匣结构，内机匣做成沿轴向分成多段，每段机匣均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。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机匣结构特点机匣结构特点 第第4 4级以后的机匣做成双层。外层机匣与燃烧室机匣相连，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

17、的构件；内层机匣作为气流通道的包容机匣并是承受负荷的构件；内层机匣作为气流通道的包容机匣并 固定静叶。前固定静叶。前4 4级采用可调静叶，机匣外部要求安装调节级采用可调静叶，机匣外部要求安装调节 装置，加上本身直径相对较大，所以第装置，加上本身直径相对较大，所以第4 4级以前按单层设级以前按单层设 计。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。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，即按照不同的高低压涡轮上都采用了主动间隙控制技术，即

18、按照不同的 工况，改变吹向机匣外壁的冷却空气量。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 进进 气气 口：环形，固定唇口。口：环形，固定唇口。 风扇：单级轴流式。钛合金轮毂上装有风扇：单级轴流式。钛合金轮毂上装有3838片带凸台窄弦转子片带凸台窄弦转子 叶片叶片(PW4084(PW4084为无凸台的宽弦空心叶片为无凸台的宽弦空心叶片) )，风扇排气涵道的收敛度，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。压比为大，以减少气流流过静叶的气动力损失。压比为1.661.661.761.76。 低压压气机：低压压气机：4 4级轴流式。级轴流式。

19、 高压压气机：高压压气机：1111级轴流式。级轴流式。 燃燃 烧烧 室：短环形。室：短环形。 高压涡轮：高压涡轮：2 2级轴流式。级轴流式。 低压涡轮：低压涡轮：4 4级轴流式级轴流式(PW4168(PW4168和和PW4084PW4084分别为分别为5 5级和级和7 7级级) )。 电子信息工程学院 PW4000气流通道设计特点 低压压气机：通道形式为弧形低压压气机：通道形式为弧形 高压压气机：采用等内径设计高压压气机：采用等内径设计 电子信息工程学院 PW4000气流通道设计特点 气动流态图气动流态图 u主函道气流主函道气流 提供约提供约20%20%的推力；主要用于燃烧、的推力；主要用于燃

20、烧、 冷却、发动机稳定性控制及气动系统的动力源。冷却、发动机稳定性控制及气动系统的动力源。 u风扇函道气流风扇函道气流 提供约提供约80%80%的推力；主要用于冷却涡的推力；主要用于冷却涡 轮机匣、发动机组件及发动机整流罩。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 支点支点11号轴承号轴承 风扇轮盘后滚珠轴承风扇轮盘后滚珠轴承 电子信息工程学院 PW4000 支点支点11号轴承结构号轴承结构 电子信息工程学院 滑油喷嘴 9级气， 封严 PW4000支点支点-1.5-1.5号轴承号轴承 电子信息工程学院 PW4000支点支点

21、-2-2号轴承号轴承 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支点支点 2 2号轴承结构号轴承结构 电子信息工程学院 PW4000支点支点-3-3号轴承号轴承 电子信息工程学院 PW4000支点支点-3-3号轴承号轴承 电子信息工程学院 PW4000支点支点- -3 3号轴承号轴承 电子信息工程学院 PW4000支点支点-4-4号轴承号轴承 4级空气 轴承座轴承座-带挤压油膜带挤压油膜 封封 严严-径向石墨

22、式径向石墨式 电子信息工程学院 PW4000支点支点-4-4号轴承结构号轴承结构 电子信息工程学院 PW4000- -低压联轴器低压联轴器 电子信息工程学院 PW4000高气动效率的实现措施高气动效率的实现措施 1.1.为了在起飞大负荷状态下将风扇叶尖的弯曲度降到最小，为了在起飞大负荷状态下将风扇叶尖的弯曲度降到最小， 在低压转子上在低压转子上1 1号轴承后增加了一个滚棒轴承，即号轴承后增加了一个滚棒轴承，即1.51.5号号 轴承。轴承。 2.2.叶片前缘由原先常规的尖头改成椭圆，提高其抗外物撞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。片采用了可控扩散叶型。 3.3.高压压气机叶片采用可控扩散叶型。在低空、大工况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（即起飞、爬升）下工作时，第5 5级空气进入转子内腔对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；当高度超过处进行冷却；当高度超过500050