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PW1100G齿扇发动机部件新技术综述.rar

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    PW1100G 发动机 部件 新技术 综述
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    摘要本科毕业设计(论文)PW1000G 齿扇发动机部件新技术综述学生姓名: 余邦宁专 业: 飞行器动力工程 学 号: 130141234指导教师: 张银波 所属学院: 航空工程学院二〇一七年六月中国民航大学本科毕业设计(论文)PW1100G 齿扇发动机部件新技术综述Overview of New Technologies for PW1100G Gear Fan Engine Components学生姓名:余邦宁专 业:飞动学 号:130141234指导教师:张银波学 院:航空工程2017 年 6 月创见性声明本人声明:所呈交的毕业论文是本人在指导教师的指导下进行的工作和取得的成果,论文中所引用的他人已经发表或撰写过的研究成果,均加以特别标注并在此表示致谢。与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献也已在论文中作了明确的说明并表示谢意。毕业论文作者签名: 签字日期: 年 月 日本科毕业设计(论文)版权使用授权书本毕业设计(论文)作者完全了解中国民航大学有关保留、使用毕业设计(论文)的规定。特授权中国民航大学可以将毕业设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交毕业设计(论文)的复印件和磁盘。(保密的毕业论文在解密后适用本授权说明)毕业论文作者签名: 指导教师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日摘 要民航业的不断进步发展,伴随着民航发动机技术的不断革新。先进的航空发动机,象征着一个国家的工业实力。为了了解民航发动机最前沿的技术以及其发展方向,对普惠最新研制的风扇齿轮传动发动机(GTF )所用到的新技术的概述。通过阅读普惠手册以及阅读大量文献,对比之前的相关技术来分析 PW1000G所应用新技术,来了解其优越性能。发动机结构的新技术首先对 PW1000G 发动机的结构进行简单介绍,从整体了解这款发动机的结构。然后按照结构从前往后的顺序依次介绍其主要部件所应用的新技术,并与当前先进的航空发动机,如 LRAP 系列发动机、TRENT1000、GE90 等,进行比较,分析各自的优劣。据普惠公司宣称,PW1000G 油耗比传统发动机降低 40%,维修成本降低 40%,噪声水平低约 15 分贝。这主要得益于其风扇传动齿轮系统的创新。于是对 PW1000G 的风扇齿轮传动系统进行了重点介绍。关键词:PW1000g;风扇齿轮传动系统;RQL 燃烧室;陶瓷涂层AbstractThe development of the civil aviation industry has been accompanied by the continuous innovation of civil aviation engine technology. The advanced aviation engine symbolizes the industrial strength of a country. In order to understand the forefront of civil aviation engine technology and its development direction, the Pratt FDGS; RQL combustion chamber; Ceramic coating Ⅰ目 录第 1 章 绪论 .....................................................................................................................11.1 概述 ....................................................................................................................11.2 航空发动机新技术发展背景 ............................................................................11.3 发展历程 ............................................................................................................21.4 发展前景 ............................................................................................................3第 2 章 PW1000 发动机部件综述 ..................................................................................42.1 气路配置 ............................................................................................................42.2 发动机法兰盘 ....................................................................................................42.3 发动机站位 ........................................................................................................52.4 发动机主轴承 ....................................................................................................62.5 发动机模块 ........................................................................................................6第 3 章 新技术综述 .......................................................................................................173.1 风扇 ..................................................................................................................173.1.1 风扇叶片材料 .......................................................................................173.1.2 掠式风扇叶片 .......................................................................................183.1.3 无凸肩空心风扇叶片 ...........................................................................193.1.4 风扇转速 ...............................................................................................193.2 齿轮传动减速系统 ..........................................................................................203.3 高压压气机 ......................................................................................................213.3.1 整体叶盘 ...............................................................................................213.3.2 整体叶盘制造技术 ...............................................................................223.3.3 紧度连接 ...............................................................................................223.4 燃烧室 ..............................................................................................................233.4.1 燃烧室类型 ...........................................................................................233.4.2 RQL 燃烧室 ..........................................................................................233.4.3 RQL 燃烧室的先进性 ..........................................................................253.4.4 RQL 燃烧室进一步发展—— TALON X 燃烧室 ................................253.4.5 先进发动机燃烧室对比 .......................................................................263.4.6 浮壁式燃烧室 .......................................................................................273.5 高压涡轮 ..........................................................................................................283.5.1 高压涡轮叶片 .......................................................................................283.5.2 陶瓷涂层 ...............................................................................................293.5.3 涡轮叶片冷却 .......................................................................................30第 4 章 结论 ...................................................................................................................31参考文献 ...........................................................................................................................32致 谢 ...............................................................................................................................33附录:外文翻译文献 .......................................................................................................34中国民航大学本科毕业论文1第 1 章 绪论1.1 概述PW1000G,即 GTF(齿轮传动涡轮风扇发动机)。PW 既代表了该发动机的生产公司普拉特·惠特尼,其还显示了这款发动机的一个特点——pure power(清洁能源)。这是一款号称改变游戏规则的发动机,它采用的齿轮传动技术是航空发动机的一种技术革新。通过传动齿轮,使风扇转速和低压转子转速同时达到最佳,从而大大提高发动机性能。PW1000G 系列发动机与 V2500 或 CFM56 相比,维修成本降低 40%,噪声水平低约15 分贝,排放比 CAEP II 限制低了多达 70%。1.2 航空发动机新技术发展背景当代民航发动机要求集经济性、高速度、高安全性、良好的维修性、高可靠性、高耐久性和良好的环保性于一体。其具体目标是:涵道比超过 10、耗油率再下降 10-20%、噪声和排放大幅度下降、寿命超过 10 万小时、生产和使用成本大幅下降。这需要我们不断改进发动机,通过发展新技术来提高发动机的性能。目前,在 0.8 马赫的巡航速度下,一般航空发动机的热效率在 0.475 左右,推进效率在 0.75 左右,燃油消耗率在 0.55kg/(kgf·h)。然而,理论上,航空发动机的热效率可以达到 0.6 左右,推进效率达到 0.95 左右,燃油消耗率降低到 0.35kg/(kgf ·h)。当代民用涡扇发动机的总增压比、涡轮前温度、部件效率已经处于较高水平,若想进一步提高,需要花费几十年的研究和验证。现在,想要进一步提高航空发动机效率,主要是通过提高发动机的热效率和推进效率来提高燃油的经济性。我们可以通过改进发动机的气动设计、改进结构设计、改进材料、替代燃料这些方法来提高燃油的经济性。齿轮风扇技术,就是通过改进结构设计来使发动机的耗油率大大降低。其设计思路就是通过在低压轴和风扇轴之间,用一个齿轮传动系统来使风扇转子和低压压气机转子以各自最佳的转速来运行。由于齿轮减速装置的存在,使得风扇转子以较低的速度转动,这样我们就可以把风扇直径做的更大,提高涵道比。并且,压气机可以以更少的级数实现更高的增压比。从而大大提高了发动机的推进效率,燃油经济性明显改善。开式转子,也是通过改进发动机结构来同时提高推进效率和热效率。它兼具涡桨发动机推进效率高、耗油低和涡扇发动机飞行速度大的优点。开式转子结构的发动机采用宽弦、掠形薄叶片,双排对转。这样,可以减少激波损失和排气旋流,使飞行马赫数比常规螺旋桨高,能在较高的飞行速度下保持较高的推进效率。而且,开式转子出口轴向中国民航大学本科毕业设计2马赫数高、无需喷管、叶片数目少、无需短舱和反推装置。桨扇叶片可调,可以根据情况调整角度,还能产生反推。这样,也大大简化了发动机结构,减轻发动机重量。开式转子的涵道比可达 30-90.而目前窄体客机的发动机涵道比一般在 5-6,波音 787 安装的新型发动机涵道比为 10-11,GTF 发动机涵道比为 10-12。这可以说是一个飞跃式提高。但是这种结构有噪声太大,无法适应对环保要求,需要改进。可以通过降低叶尖速度,改进宽弦掠形薄叶型面,增加叶数等措施减少噪声。根据风洞测试数据显示,当前改进的开式转子噪声已经达到比 4 级标准低 10-13 分贝的水平。1.3 发展历程普惠公司于 20 世纪 80 年代末期开始齿轮传动发动机的研究,普惠公司在研究GTF 实践过程中,在发展用于传动风扇的减速装置时,充分利用了西科斯基研制直升机主减速器和普惠加发展多型齿轮风扇传动发动机及涡轮轴发动机减速器,以及实施先进涵道桨扇发动机(ADP)技术、P&W 公司先进技术整体风扇”(ATFI )验证机技术计划和欧洲 CLEFI 技术计划的经验和技术,跨越了 PW8000 和 PW800 发动机的技术发展台阶,迄今花费近 20 年时间、投入 10 多亿美元,取得重要进展。1987-1989 年,普惠于公司与艾里逊公司合作,对全尺寸齿轮传动桨扇验证发动机进行了地面试验和试飞。1992-1993 年,普惠在 40000 磅推力级别的“先进涵浆发动机”上试验了齿轮系统。1994-1998 年,普惠公司研制了重量轻的启动型齿轮系统。1998 年,普惠公布了一项新型发动机发展计划:齿轮传动的 PW8000 高涵道比涡轮风扇发动机。2001-2002 年,普惠公司在 11000 磅推力验证发动机上试验了新的齿轮构型。2005 年,普惠公司及其合作伙伴开始为下一代支线喷气飞机和单通道飞机的新型齿轮传动风扇发动机进行技术台架试验,当时新型齿轮传动风扇发动机被改称为 GTF 发动机。2007 年,全尺寸 30000磅推力的新型 GTF 发动机验证发动机开始地面试验, 2008 年开始飞行试验。同时,普惠公司将 GTF 发动机改称为“清洁动力 PW1000G 系列发动机”,涵盖了推力级别为14000-23000 磅的新型齿轮传动风扇发动机。2008 年,生产型清洁动力 PW1000G 系列发动机项目启动。2009 年 8 月,普惠完成了相当于使用 40000 小时的减速器耐久性试验,其中有 15000 个循环是在最大扭矩和严酷的滑油温度下进行的。试验完成后,齿轮的齿面磨损极小,说明其可靠度是很高的。而且齿轮的设计是没有时限的。2009 年 8月 15 号,普惠在莫斯科航展上宣布,PW1000G 试验机已经完成了 406 小时的地面台架试车和 120 小时的空中试车。其中,在波音 747SP 飞行平台上进行 12 次 45 小时试车,在空客的 A340-600 平台上进行 27 次 75 小时试车。 2015 年 11 月 11 日,普惠PW1200G 发动机就为日本支线客机 MRJ 的首飞提供了动力。2016 年 1 月 20 日,德国中国民航大学本科毕业设计3汉莎航空正式接收了安装有普惠静洁动力 PW1100G-JM 发动机的首架空客 A320neo 客机。2017 年 2 月中国南方航空公司引进了 3 架选装 PW1000G-JM 发动机的空客A320neo 飞机。1.4 发展前景由于齿轮系统和全新核心机的完美组合,GTF 发动机不仅大大减少了燃油消耗,节约了航空公司运营成本。而且,更加环保,噪声低,氮氧化合物排放减少。相比较于现役发动机(其实 GTF 发动机现在也算是现役了), GTF 发动机油消耗降低 15%,维护成本降低 20%,噪音降低 75%,污染物排放降低 50%,同时拥有世界级的可靠性。鉴于其技术性能特点和性能优势,GTF 发动机不仅可以应用于不同的飞机尺寸(商务机、单通道、宽机身)和任务(支线、中程、远程),还具有发展成为军用航空动力的潜力。目前 PW1000G 发动机不仅可以传动低端支线飞机和单通道干线飞机,推力为44.5~182kN,还可以装备空客和波音公司的下一代高端单通道客机。 同时,GTF 发动机将来还可能应用于双通道宽体客机。中国民航大学本科毕业设计4第 2 章 PW1000 发动机部件综述2.1 气路配置气路配置是描述组成空气通过发动机主通道的模块的总称。这些模块作为一个集件可以单独从发动机上拆下或安装。气路组件和它们的级数如下列出。每一级由一个转子组件和一个定子组件构成。在压气机部分转子在定子之前。在涡轮部分转子在定子之后。表 2-1 气路结构组件 级数风扇转子 1风扇中介机匣 N/A低压压气机 3压气机中介机匣 N/A高压压气机 8扩压器和燃烧室 N/A高压涡轮 2涡轮中介机匣 N/A低压涡轮 3涡轮排气机匣 N/A2.2 发动机法兰盘发动机法兰盘在发动机机匣中有许多结构上的功能。包括:1. 把发动机组件连接在一起。2. 使发动机有流线型的外壳,称为吊舱。3. 支撑发动机组件上的支架。
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