现代民用风扇发动机PW-myh2

高涵道比涡扇发动机结构分析,普惠公司,主要内容,一 商用涡扇发动机的发展 二 PW4000发动机概述 三 支承方案和支承结构 四 压气机 风扇、增压级、高压压气机 五 燃烧室 六 涡轮 习题,一 商用涡扇发动机的发展,航空发动机 活塞发动机 1903年莱特兄弟“飞行者一号” 飞机的动力装置=活塞发动机+螺旋桨 飞行速度低M=0.50.7 燃气涡轮发动机（WP、WS、WJ、WZ） WP发动机（1936年） 热机/推进器；空气流量大；连续做功；超音飞行 经济性差 WS发动机（1960年） 冲压发动机 靠高速飞行的冲压作用增压 适用高速高空飞行（导弹）,一 商用涡扇发动机的发展,第一代：低涵道比（1950年）,风扇结构演变,4级风扇+3级增压级 B=0.3/0.6；sfc10-20%； F=5730daN,前3级变为2级风扇 B=1.4 ； sfc13%; F=7700daN 27-50% 用于B707和DC-8,后置风扇,后置风扇,制造成本高、加工困难 工作环境恶劣 效率低,一 商用涡扇发动机的发展,第二代：中涵道比（1960-1980年）,低涵道比的军用加力发动机（F为10780daN;推重比8.0;低sfc） 高涵道比的商用发动机 （F为19600daN;推重比8.0;低sfc）,一 商用涡扇发动机的发展,第三代：高涵道比（1970-1980年） （F为19600daN;推重比8.0;sfc30%;三高）,一 商用涡扇发动机的发展,第三代：中小尺寸 高涵道比（1970-1980年）,一 商用涡扇发动机的发展,第四代：高可靠性、高性能（1990年）,一 商用涡扇发动机的发展,未来：试验验证,PW8000,二 PW4000发动机概述,P&W公司于1982年12月8日，宣布研制大推力涡扇发动机 PW4000 旨在取代JT9D-7R4发动机，用于 B767-200、-300、-300ER A310-200、-300 A300-600 B747-200B、-300等 满足未来宽体客机的需要 20年不落后,外径；总长；安装节位置,二 PW4000发动机概述,1984.4，首次台架试车 推力达27488daN。 1985.7.31日首次进行了飞行试验， 装备A300B 1986.7获得推力24909daN级适航证 PW4052、 PW4152 1987.7首次交付使用 装备于B767-200、A310 1988.4获推力26690daN级适航证。 PW4158,二 PW4000发动机概述,PW4000发动机系列发展,浮壁式燃烧室,非对称机匣减少气流激励,二 PW4000发动机概述,PW4000发动机系列发展,环行机匣,无凸台宽弦空心叶片,Kevlar 包容环,高DN值 滚珠轴承,三 支承方案和支承结构,总体结构1+4+11_2+4 5个支点 3个承力框架,三 支承方案和支承结构,支承方案,JT9D,PW4000,1964年 LP 0-1-1 HP 1-1-0,1984年 LP 0-2-1 HP 1-1-0,具有良好的继承性 设计时间相距20年，总体支承结构没有变化。,三 支承方案和支承结构,支承方案,普惠公司一直沿用传统 总体结构设计方案 （F100、JT9D、PW2000、V2500）,90年代后 开始使用中介轴承 F119 、PW8000,减轻重量,三 支承方案和支承结构,转子结构特征 低压轴 刚度差-长而细，质量集中在前后二端，支承结构应保证轴的刚性（三支点、无中介） 高压轴 HP：1-1-0支承方案,PW4000,三 支承方案和支承结构,1号支点,4级空气,滚珠轴承 风扇轮盘后 靠近风扇 外环带安装边 内环环下供油 端面石墨密封,三 支承方案和支承结构,1号支点-滚珠轴承,三 支承方案和支承结构,1号支点-滚珠轴承,三 支承方案和支承结构,1.5号支点,滚棒轴承 低压压气机后 外环带安装边 2套端面石墨密封,三 支承方案和支承结构,1.5号支点-滚棒轴承,三 支承方案和支承结构,2号支点,滚珠轴承 高压压气机前 弹性支承 折返式-缩短长度 降低支承刚性 调节临界转速 挤压油膜阻尼器SFD 限幅、阻尼减振 端面石墨封严 内环供油 锥齿轮,三 支承方案和支承结构,2号支点,三 支承方案和支承结构,3号支点,滚棒轴承 高压涡轮前 对2级涡轮动力特性有利 外环椭圆形 径向预载、防打滑 2套端面石墨+篦齿封严 大油腔 多层隔热/冷却,12级压气机气,三 支承方案和支承结构,3号支点,三 支承方案和支承结构,3号支点,三 支承方案和支承结构,4号支点,滚棒轴承 低压涡轮后-热端轴承 外环供油SFD 直喷冷却润滑轴承 径向石墨封严 隔热盖-油毡,三 支承方案和支承结构,4号支点,三 支承方案和支承结构,低压联轴器-刚性套齿联轴器,三 支承方案和支承结构,低压联轴器-刚性套齿联轴器,四 压气机,4.1 风扇,作用 结构 1级 38片 带凸肩窄弦叶片 离心负荷大 FOD 噪音,四 压气机,4.1 风扇 叶身带中间突肩 好处 叶片刚性 叶片振动 叶根应力 FOD 阻尼减振 问题 制造 强度 性能,四 压气机,4.1 风扇 宽弦空心风扇叶片（无凸肩） 优点 叶栅通道面积 喘振裕度 级效率 减振性能 抗外物打击能力 叶片振动应力 结构特点 弦长 40 厚度 空心-减重,四 压气机,4.1 风扇 宽弦空心风扇叶片（无凸肩）RB211-535E4、V2500、RB211-524G/H PW4084,四 压气机,4.2 增压级,4级 轴流式 独特的气流通道 集物腔 防核心机打伤 正交叶片 分流环 鼓式焊接转子 加大动静叶距离 噪音,四 压气机,4.2 增压级,4级,5级,6级,四 压气机,4.3 高压压气机特点 气流通道等内径设计；可控扩散叶形； 双层机匣；主动间隙控制技术,四 压气机,4.3 高压压气机 可控扩散叶型叶型厚度及曲率按最佳分布 基本消除了附面层的分离；有效流通面积；效率 叶弦较宽，前、后缘较厚 抗腐蚀及抗冲击性能好；叶片数,四 压气机,4.3 高压压气机 环型燕尾槽 GE 、PW、RR的民机均采用； 高压压气机后几级采用； 推重比8 以上的大多采用； 零件数，重量 特点 结构简单 加工方便 承载力差,四 压气机,4.3 高压压气机 机匣开斜槽减小二次损失，提高叶片效率。 利用机匣壁上几何结构突变形成稳定的湍流区以阻止气流流动 气动叶冠,四 压气机,4.3 高压压气机 钛火-典型案例 CF6：1977年为止工作800万小时发生14次; PW4000：1986年5月6日进行包容性试验时发生钛火。1987.6EIS； F404：1987年11月美海军宣布当年摔9架其中4架是由于钛火； 俄罗斯HK-8-2Y、HK-86 、-30KY 1977-1987年发生7次钛火事件；1980年EIS 在定型试验中发生4次； 1982年-1991年发生10次钛火；,四 压气机,4.3 高压压气机 钛火-典型案例,F100(F-15)试车时发生钛火,四 压气机,4.3 高压压气机 钛火 钛转子与钛静子或机匣 大幅度降低重量 产生原因 在空气温度、压力较高时，钛转子与钛静子或机匣碰摩会引起钛火， 5-10秒即可烧穿机匣。 压力愈高，钛合金的燃点越低。一般情况下，高压压气机3-4级的条件正好。风扇中一般可不考虑钛着火问题。,四 压气机,4.3 高压压气机 防钛火的措施 不“成对”使用钛合金CF6：1978年后采用钢机匣；F404：1987年后高压压气机采用钢机匣(M152)；外涵机匣采用PMR15复合材料，发动机总重量增加0.454kg。 CFM56：加防火衬套，1987年10月采用钢机匣(M152)，零件数减少140件，重量仅增加5.63kg。,四 压气机,4.3 高压压气机 防钛火的措施,带有防钛火结构机匣,CFM56-3,四 压气机,4.3 高压压气机 防钛火的措施,带防钛火衬套机匣结构,PW4000 在钛机匣内镶嵌4.3毫米的钢环再加2.67毫米厚的金属毛毡,四、高压压气机结构,4.3 高压压气机 防钛火的措施（续） 俄适航条令关于使用钛合金机匣的规定 在使用钛合金时应满足以下温度要求： 叶片小于500， 静子叶片小330 机匣外环小于330 转动篦齿环小于300,四 压气机,4.3 高压压气机 防钛火的措施（续） 阻燃钛合金的研制 钛合金着火问题阻碍了高压机匣采用； 钛合金中含V量大于25% 、含Cr量大于15%时有较好的阻燃性能； Alloy C (Ti-35V-15Cr) 在F119上应用； R.R公司正在发展价廉的Ti-25V-15Cr-2Al(621所参加),只能提高起燃温度，不能根本解决,五 燃烧室,PW4000高温部件,五 燃烧室,短环形燃烧室 内、外机匣同叶片式扩压器整体铸造,五 燃烧室,火焰筒 滚轧成型的环形段焊接 (EBW) 而成 折返式气膜冷却 焊缝位于冷却孔附近的冷区 等离子喷涂铝镁“隔热涂层” 采用Hastelloy X 镍基高温合金 头部用Inconel 625 镍基合金铸出,五 燃烧室,火焰筒,PW4090 浮壁式火燃筒,早期 机械加工火燃筒,五 燃烧室,24个单路气动喷嘴,优点： 油气混合均匀冒烟积炭； 不要求很高的供油压力； 出口温度场分布比较均匀喷雾锥角度稳定缺点： 起动时雾化不良 贫油熄火极限 稳定工作范围,六 涡轮,6.1 结构特点 涡轮的工作环境为高温，高速 应在工作条件下防止热应力和热膨胀 寿命 可靠性 工作效率,六 涡轮,高压涡轮,2级 轴流式 提高效率 空气冷却 静叶三维流设计 双层机匣 主动间隙控制 提高涡轮盘片寿命 无孔盘减少应力集中 薄壁轴颈结构减少产热量 采用双级整体结构加强刚性 单晶+定向结晶,六 涡轮,高压涡轮 冷却系统,六 涡轮,高压涡轮 冷却系统基本特征 采用第12、15级压气机气流冷却 根据腔内压力变化不断供气，以求得用最少的空气得到最好的冷却效果 腔内换热为旋转换热，气流向下流动较为困难，换热系数难以确定,六 涡轮,高压涡轮 高压转子结构变化对比,封严结构,级间封严,六 涡轮,低压涡轮 4级 短螺栓连接 不冷却 静叶 1、2级高温涂层 弯曲叶形 端壁损失效率 涡轮后承力机匣 可控扩散叶型 叶片数比承力支板多1倍 起到半级涡轮的作用,六 涡轮,低压涡轮,低压涡轮转子刚度 盘鼓混合结构 转子刚性 分叉结构 盘轴连接刚性 局部刚性远大于涡轮轴段,关键结构的 连接角刚度,六 涡轮,低压涡轮,100” PW4168,112”PW4084,94” PW4000,六 涡轮,低压涡轮,大转动惯量转子会产生大的弯曲力矩 连接结构应该保持状态稳定接触应力,PW4090,练 习,PW4000的风扇设计特点 高压涡轮支点的结构特点 低压转子的刚性联轴器结构（画图说明） 画图说明端面石墨封严结构及工作过程。,下周课前交,滑油系统,采用了传统的滑油系统设计，是新一代发动机中唯一在回油总管中不设细油滤的发动机。,燃油调节器,全功能数字式燃油调节器（ FADEC ） PW2037 比较精确地控制推力 发动机稳定工作范围 能限制超温、超速，具有自诊断能力 Sfc1.5 维修费用，但其研制费和成本较高。,主动间隙控制,高、低压涡轮上都采用 即按不同的工况，改变吹向机匣外壁的冷却空气量，控制叶尖间隙。,JT8D,PW4084 B777,PW4000 B747,RR CONWAY F=5730daN；B=0.3/0.6；VC-10、DC-8和B707,罗罗公司 康威,RR TAY,罗罗公司 泰,PW 8000 GEARED TURBOFAN (“CFM KILLER”),