齒輪驅(qū)動(dòng)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)分析

薛冰晶，周 淼

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108）

齒輪驅(qū)動(dòng)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)分析

薛冰晶，周 淼

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108）

分析了大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)提高經(jīng)濟(jì)性的方法和限制耗油率降低的原因，給出了齒輪傳動(dòng)構(gòu)型的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。與雙軸直驅(qū)型對(duì)比分析，給出了齒輪傳動(dòng)構(gòu)型總體性能的參數(shù)變化趨勢(shì)和匹配規(guī)律，得出了高速低壓系統(tǒng)/部件氣動(dòng)設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)，分析了傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及難點(diǎn)。

齒輪驅(qū)動(dòng)；大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；GTF發(fā)動(dòng)機(jī)；技術(shù)特點(diǎn)

1 引言

隨著民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，低油耗、低污染排放和高安全性已成為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)競(jìng)相追逐的目標(biāo)。大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為降低單位耗油率所采用的方法主要為：提高循環(huán)熱效率和提高推進(jìn)效率。

提高循環(huán)熱效率的主要途徑如下：①提高循環(huán)總壓比；②提高循環(huán)溫比，即提高渦輪前溫度T4；③提高部件效率。其中前兩者均受材料和冷卻技術(shù)的限制。提高推進(jìn)效率的主要途徑為：提高涵道比，降低風(fēng)扇壓比，降低外涵的排氣速度。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率的提高主要依賴于外涵排氣速度的降低，排氣速度越接近飛行速度，推進(jìn)效率越高。

對(duì)于傳統(tǒng)雙軸直驅(qū)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，增大風(fēng)扇直徑、降低風(fēng)扇壓比和排氣速度，將使涵道比增大。當(dāng)涵道比增大到一定量值，會(huì)帶來一些棘手的問題：①增大涵道比（增大風(fēng)扇直徑）使得短艙直徑增大，從而增大推進(jìn)系統(tǒng)重量；②增大風(fēng)扇直徑將使風(fēng)扇葉尖切線速度增加 （風(fēng)扇葉尖馬赫數(shù)大于1.4），由此帶來較大的氣動(dòng)損失和氣動(dòng)噪聲；③為降低噪聲排放需降低低壓轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，從而降低了增壓級(jí)增壓比和低壓渦輪單級(jí)膨脹比。其中前者一定程度上可以由提高高壓壓氣機(jī)壓比的方法予以彌補(bǔ)，不用大幅增加級(jí)數(shù)；但對(duì)于低壓渦輪只能通過增加級(jí)數(shù)或者抬高流道以保證適當(dāng)?shù)呐蛎洷群托?。這將大幅增加發(fā)動(dòng)機(jī)重量，使推進(jìn)系統(tǒng)更復(fù)雜，提高了飛行成本。

為解決上述問題，近年來國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者逐步開始探索新的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型。齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（Geared Turbofan，簡(jiǎn)稱GTF）就是其中的典型代表。

2 GTF發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型及技術(shù)特點(diǎn)

普惠公司等航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造商就認(rèn)識(shí)到，如果在風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)間引入一個(gè)齒輪減速器，就可以兼顧低壓轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇在不同轉(zhuǎn)速下工作的需要，在低壓轉(zhuǎn)子保持高效率高轉(zhuǎn)速工作的同時(shí)，使得低速風(fēng)扇產(chǎn)生小的氣動(dòng)損失和低的噪聲排放。圖1給出了GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)型。

圖1 GTF發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型示意圖

相比傳統(tǒng)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)的主要構(gòu)型特點(diǎn)是在風(fēng)扇與增壓級(jí)間安裝一個(gè)齒輪減速器。其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：①降低了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和葉尖速度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲；②增大發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比，降低了整機(jī)油耗和污染排放；③減少了壓氣機(jī)和渦輪級(jí)數(shù)、降低了級(jí)負(fù)荷；④大幅減少發(fā)動(dòng)機(jī)的零件數(shù)，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格與使用成本，并提高可靠性。

3 GTF發(fā)動(dòng)機(jī)總體參數(shù)匹配性分析

通過理論分析和計(jì)算，在給定的推力需求和最高T4溫度限制的情況下，保證發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比和部件效率一致，通過優(yōu)化內(nèi)外涵排氣速度比，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)的狀況下，給出了GTF發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率、耗油率以及相關(guān)部件參數(shù)隨涵道比的變化規(guī)律。

3.1 風(fēng)扇直徑等與涵道比的變化規(guī)律

風(fēng)扇直徑隨涵道比增加而增大，風(fēng)扇外涵壓比隨涵道比增加而降低，推進(jìn)效率隨涵道比增加而增大。

由于限制了渦輪前溫度，且要保證需求的推力，這實(shí)際上限制了核心機(jī)的做功能力。涵道比的增加主要是依靠外涵流量增加和內(nèi)涵流量降低來實(shí)現(xiàn)。外涵流量的增大，勢(shì)必要求較低的外涵壓比和較低的外涵排氣速度，因而形成較低單位質(zhì)量流量推力的高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，外涵推進(jìn)效率提高，耗油率降低。在風(fēng)扇進(jìn)口軸向馬赫數(shù)受限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)總流量的增加主要依靠風(fēng)扇直徑的增大來實(shí)現(xiàn)。圖2給出了推進(jìn)效率和耗油率隨涵道比的變化規(guī)律?？梢钥闯觯挠吐孰S涵道比增大而降低，推進(jìn)效率隨涵道比增大而增大。

圖2 耗油率、推進(jìn)效率與涵道比的關(guān)系

3.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨涵道比增加而降低

考慮到風(fēng)扇噪聲和葉根強(qiáng)度等因素，在增大風(fēng)扇直徑的同時(shí)，需降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以限制風(fēng)扇葉尖切線速度。在葉尖切線速度不變時(shí)（比如380 m/s），風(fēng)扇物理轉(zhuǎn)速不斷下降，圖3給出了風(fēng)扇物理轉(zhuǎn)速隨涵道比的變化規(guī)律。

圖3 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、低壓渦輪膨脹比與涵道比的關(guān)系

3.3 低壓渦輪的膨脹比增加

在保證推力需求和T4溫度的限制的前提下，內(nèi)涵物理流量隨涵道比的上升而下降。對(duì)于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，由于推力大部分由外涵產(chǎn)生，因此在推力需求不變時(shí)，低壓渦輪功率基本保持不變。所以，需要提高低壓渦輪膨脹比以保證用更小的流量發(fā)出相同的功率。圖3給出了低壓渦輪膨脹比隨涵道比的變化規(guī)律。

4 GTF發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)部件設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)分析

4.1 風(fēng)扇設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)分析

為實(shí)現(xiàn)更低的耗油率，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比需升高，從而使得風(fēng)扇直徑增大，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與直徑成反比關(guān)系且單調(diào)下降；外涵流量增大，排氣速度下降，風(fēng)扇增壓比下降。

相比于雙軸直驅(qū)傳動(dòng)方案，由于風(fēng)扇增壓比降低，風(fēng)扇進(jìn)出口焓差下降，在保持風(fēng)扇葉尖切線速度U不變時(shí)，齒輪傳動(dòng)方案的風(fēng)扇載荷系數(shù)2降低；若保持風(fēng)扇載荷系數(shù)不變，則可使得風(fēng)扇葉尖切線速度U降低，這將使得齒輪傳動(dòng)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲排放低于雙軸直驅(qū)傳動(dòng)方案。

4.2 增壓級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)分析

圖4給出了相同需求推力條件下，與雙軸直驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)方案具有相同的總壓比和渦輪前溫度T4的齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)方案的增壓級(jí)轉(zhuǎn)速和載荷系數(shù)隨涵道比的變化規(guī)律（減速器的傳動(dòng)比為2.5）。

圖4 增壓級(jí)轉(zhuǎn)速和載荷系數(shù)隨涵道比的變化規(guī)律

在齒輪傳動(dòng)方案，增壓機(jī)轉(zhuǎn)速的提升的收益如下：①為了充分發(fā)揮增壓級(jí)對(duì)氣流的做功能力，可以提高增壓級(jí)增壓比，降低為了提高總壓比而對(duì)高壓壓氣機(jī)的依賴。②可適當(dāng)降低增壓級(jí)流道高度，減輕增壓級(jí)重量；這也有利于提高增壓級(jí)后過渡段的總壓恢復(fù)系數(shù)。

4.3 低壓渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)分析

對(duì)于低壓渦輪設(shè)計(jì)而言，若保持低壓渦輪流道尺寸和膨脹比不變，則低壓渦輪進(jìn)出口焓差不變，低壓渦輪載荷系數(shù)將隨葉尖切線速度2的升高而下降。

基于上述分析， GTF方案中，雖然隨著涵道比增大低壓渦輪膨脹比有所提高（見圖3），但是由于轉(zhuǎn)速的提升對(duì)其載荷降低的貢獻(xiàn)非常顯著，所以在低壓渦輪轉(zhuǎn)速提升帶來的收益如下：①葉尖切線速度2的升高，使得級(jí)載荷系數(shù)大大降低，利于提高單級(jí)膨脹比，降低級(jí)數(shù)，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的總重量。圖5給出了GTF方案低壓渦輪膨脹比和載荷系數(shù)隨涵道比變化規(guī)律；②降低低壓渦輪流道高度，降低高低壓渦輪間和低壓渦輪后過渡段的損失，提高了總壓恢復(fù)系數(shù)。

5 傳動(dòng)齒設(shè)計(jì)特點(diǎn)及難點(diǎn)

作為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，GTF發(fā)動(dòng)機(jī)減速器原理比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是其設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。通過減速齒輪箱，改變轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，同等功率條件下，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快的扭矩越小。傳動(dòng)齒輪的主要參數(shù)是齒數(shù)和模數(shù)，其他設(shè)計(jì)參數(shù)包括分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、頂隙、齒形等。設(shè)計(jì)參數(shù)的確定涉及傳動(dòng)齒輪的材料、齒型、公差、磨損容許量、設(shè)計(jì)極限，以及整個(gè)減速器的性能極限、效率目標(biāo)和耐久性等。高速、大功率減速器是GTF發(fā)動(dòng)機(jī)研制成敗的關(guān)鍵。

圖5 低壓渦輪膨脹比和載荷系數(shù)隨涵道比變化規(guī)律

另外，低壓轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇之間的減速器必須采用柔性聯(lián)接。與剛性聯(lián)接相比，柔性聯(lián)接的優(yōu)點(diǎn)是沖擊明顯減輕，減輕振動(dòng)，噪音明顯降低。通過柔性聯(lián)接的齒輪系統(tǒng)撓度大，彈性變形大，在保證大傳動(dòng)比的同時(shí)，提高了可靠性，延長(zhǎng)了使用壽命。

6 結(jié)論

經(jīng)過分析與計(jì)算，初步給出了GTF方案構(gòu)型的特點(diǎn)，部件設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)，以指導(dǎo)總體氣動(dòng)方案設(shè)計(jì)工作。

［1］陳光.齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇PW8000高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)［J］.民航經(jīng)濟(jì)與技術(shù)，1998（05）：37-39.

［2］G.Wilfert，B.Kriegl，Hermann Scheugenpflug.CLEAN -Validation of a High Efficient Low NOx core，a GTF High Speed Turbine and an Integration of a Recuperator in an Environmental Friendly Engine Concept［C］.41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA 2005-4195,2005.

〔編輯：白潔〕

C829.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.040

2095-6835（2017）13-0040-03