齒輪驅(qū)動大涵道比渦扇發(fā)動機設(shè)計技術(shù)特點分析

薛冰晶，周 淼

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，上海 201108）

齒輪驅(qū)動大涵道比渦扇發(fā)動機設(shè)計技術(shù)特點分析

薛冰晶，周 淼

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，上海 201108）

分析了大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機提高經(jīng)濟性的方法和限制耗油率降低的原因，給出了齒輪傳動構(gòu)型的大涵道比渦扇發(fā)動機的特點及優(yōu)勢。與雙軸直驅(qū)型對比分析，給出了齒輪傳動構(gòu)型總體性能的參數(shù)變化趨勢和匹配規(guī)律，得出了高速低壓系統(tǒng)/部件氣動設(shè)計的技術(shù)特點，分析了傳動齒輪的設(shè)計特點及難點。

齒輪驅(qū)動；大涵道比渦扇發(fā)動機；GTF發(fā)動機；技術(shù)特點

1 引言

隨著民用航空發(fā)動機技術(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)動機競相追逐的目標。大涵道比渦扇發(fā)動機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)動機推進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，推進效率越高。

對于傳統(tǒng)雙軸直驅(qū)大涵道比渦扇發(fā)動機而言，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。當涵道比增大到一定量值，會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損失和氣動噪聲；③為降低噪聲排放需降低低壓轉(zhuǎn)子的設(shè)計轉(zhuǎn)速，從而降低了增壓級增壓比和低壓渦輪單級膨脹比。其中前者一定程度上可以由提高高壓壓氣機壓比的方法予以彌補，不用大幅增加級數(shù)；但對于低壓渦輪只能通過增加級數(shù)或者抬高流道以保證適當?shù)呐蛎洷群托省＿@將大幅增加發(fā)動機重量，使推進系統(tǒng)更復(fù)雜，提高了飛行成本。

為解決上述問題，近年來國內(nèi)外眾多學(xué)者逐步開始探索新的發(fā)動機構(gòu)型。齒輪傳動發(fā)動機（Geared Turbofan，簡稱GTF）就是其中的典型代表。

2 GTF發(fā)動機構(gòu)型及技術(shù)特點

普惠公司等航空發(fā)動機設(shè)計與制造商就認識到，如果在風(fēng)扇和低壓壓氣機間引入一個齒輪減速器，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，使得低速風(fēng)扇產(chǎn)生小的氣動損失和低的噪聲排放。圖1給出了GTF發(fā)動機的基本構(gòu)型。

圖1 GTF發(fā)動機構(gòu)型示意圖

相比傳統(tǒng)大涵道比渦扇發(fā)動機，GTF發(fā)動機的主要構(gòu)型特點是在風(fēng)扇與增壓級間安裝一個齒輪減速器。其優(yōu)勢表現(xiàn)在：①降低了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和葉尖速度，降低發(fā)動機噪聲；②增大發(fā)動機的涵道比，降低了整機油耗和污染排放；③減少了壓氣機和渦輪級數(shù)、降低了級負荷；④大幅減少發(fā)動機的零件數(shù)，從而降低發(fā)動機的價格與使用成本，并提高可靠性。

3 GTF發(fā)動機總體參數(shù)匹配性分析

通過理論分析和計算，在給定的推力需求和最高T4溫度限制的情況下，保證發(fā)動機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)動機工作在最優(yōu)的狀況下，給出了GTF發(fā)動機推進效率、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，這實際上限制了核心機的做功能力。涵道比的增加主要是依靠外涵流量增加和內(nèi)涵流量降低來實現(xiàn)。外涵流量的增大，勢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)動機，外涵推進效率提高，耗油率降低。在風(fēng)扇進口軸向馬赫數(shù)受限時，發(fā)動機總流量的增加主要依靠風(fēng)扇直徑的增大來實現(xiàn)。圖2給出了推進效率和耗油率隨涵道比的變化規(guī)律。可以看出，耗油率隨涵道比增大而降低，推進效率隨涵道比增大而增大。

圖2 耗油率、推進效率與涵道比的關(guān)系

3.2 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨涵道比增加而降低

考慮到風(fēng)扇噪聲和葉根強度等因素，在增大風(fēng)扇直徑的同時，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（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。對于大涵道比渦扇發(fā)動機，由于推力大部分由外涵產(chǎn)生，因此在推力需求不變時，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)動機對部件設(shè)計技術(shù)特點分析

4.1 風(fēng)扇設(shè)計技術(shù)特點分析

為實現(xiàn)更低的耗油率，GTF發(fā)動機涵道比需升高，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)傳動方案，由于風(fēng)扇增壓比降低，風(fēng)扇進出口焓差下降，在保持風(fēng)扇葉尖切線速度U不變時，齒輪傳動方案的風(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，這將使得齒輪傳動方案的發(fā)動機噪聲排放低于雙軸直驅(qū)傳動方案。

4.2 增壓級設(shè)計技術(shù)特點分析

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

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

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

4.3 低壓渦輪設(shè)計技術(shù)特點分析

對于低壓渦輪設(shè)計而言，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)速的提升對其載荷降低的貢獻非常顯著，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，使得級載荷系數(shù)大大降低，利于提高單級膨脹比，降低級數(shù)，減輕發(fā)動機的總重量。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 傳動齒設(shè)計特點及難點

作為齒輪傳動系統(tǒng)，GTF發(fā)動機減速器原理比較簡單，關(guān)鍵是其設(shè)計參數(shù)的確定。通過減速齒輪箱，改變轉(zhuǎn)動力矩，同等功率條件下，轉(zhuǎn)動速度越快的扭矩越小。傳動齒輪的主要參數(shù)是齒數(shù)和模數(shù)，其他設(shè)計參數(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)計參數(shù)的確定涉及傳動齒輪的材料、齒型、公差、磨損容許量、設(shè)計極限，以及整個減速器的性能極限、效率目標和耐久性等。高速、大功率減速器是GTF發(fā)動機研制成敗的關(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)點是沖擊明顯減輕，減輕振動，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，在保證大傳動比的同時，提高了可靠性，延長了使用壽命。

6 結(jié)論

經(jīng)過分析與計算，初步給出了GTF方案構(gòu)型的特點，部件設(shè)計的技術(shù)特點，以指導(dǎo)總體氣動方案設(shè)計工作。

［1］陳光.齒輪傳動風(fēng)扇PW8000高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機［J］.民航經(jīng)濟與技術(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