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[交流] GTF发动机行星齿轮传动系统设计技术研究

GTF发动机行星齿轮传动系统设计技术研究

引言
随着航空发动机技术的发展，常规大涵道比发动机已经发展到瓶颈阶段，噪声、污染和经济性很难有较大飞跃，为进一步提高燃油经济性，减少污染排放，未来的商用航空发动机在技术上着重研究将低压转子和风扇均设计在最佳转速下工作，其核心技术是将行星齿轮传动系统作为低压转子和风扇之间的减速装置，使低压转子在高速运转时驱动风扇低速运转，保证低压转子和风扇同时在高效率下工作，其传动功率大、空间结构紧凑，但工作条件恶劣。目前国际上应用该技术的代表性发动机是PW 公司的齿轮驱动风扇（GTF）发动机[1]。本文以中航工业沈阳发动机设计研究所开展的GTF发动机齿轮传动系统概念设计为基础，开展行星齿轮传动系统设计技术研究，为GTF 发动机在中国的发展积累经验及奠定基础。

1 航空行星齿轮传动技术发展现状

根据国际现有GTF 发动机（PW1000G 和Honeywell TFE731）、开式转子发动机（RB3011 和578-DX），以及大量齿轮传动系统在航空领域（螺旋桨发动机、直升机减速系统）的应用经验，在航空发动机大功率、高可靠性、大传动比、小体积的应用中，行星齿轮传动系统是最佳选择[2]。行星齿轮传动系统主要有结构紧凑、质量轻、传动比范围大、传动效率高和噪声小等优点，其结构如图1 所示。在GTF发动机应用中，太阳轮由低压转子驱动，行星架固定，外环齿轮驱动单级
风扇。

PW1000G和Honeywell TFE731 发动机均采用行星齿轮传动系统作为低压涡轮和风扇之间的减速装置[3]。但PW公司研制的PW1000G发动机行星齿轮传动系统采用人字齿齿轮和滑动轴承与柔性支承结构，与TFE731-50 发动机的直齿圆柱齿轮和滚动轴承相比较，结构更紧凑，形式更简单。

目前国内对GTF 发动机行星齿轮传动系统的设计技术仍处于预先研究阶段。中航工业沈阳发动机设计研究所的研究团队开展了GTF 发动机的关键技术———齿轮传动系统的概念设计[1]研究，为 GTF 发动机在中国的发展奠定了基础。

2 GTF发动机行星齿轮传动系统设计技术

2.1 结构设计

首先根据技术指标确定行星齿轮传动系统轮系结构形式，然后进行重要部件的选型和基本参数设计，最后确定其结构方案。GTF发动机行星齿轮传动系统的技术指标要求见表1。

2.1.1 行星齿轮设计

目前应用在行星齿轮传动系统中的齿轮有多种型式，包括直齿圆柱齿轮、高重合度直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮和人字齿齿轮[4-5]。根据本文GTF 发动机行星齿轮传动系统的技术指标要求，采用人字齿齿轮，如图2 所示。将2个斜齿轮反向并排安装在同一轴上，其承载能力大，传动平稳，冲击、振动、噪声较小，而且通过产生相反的轴向力可以消除轴向推力，最大程度地减小行星轴承上的载荷。对于行星齿轮传动系统，齿轮材料应具有较高的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、热硬度、断裂韧度，以及抗擦痕性能。太阳轮和行星轮材料为渗碳钢，通过渗碳，表面硬度可达HRC 60，具有高硬度、高韧性及

2.1.2 行星轴承设计

目前应用在行星齿轮传动系统中的行星轴承主要包括圆柱滚子轴承、球面滚子轴承和滑动轴承3
种。轴承型式的选择和设计需要从承载能力、工作转速、润滑方式、寿命等方面考虑[6]。根据本文GTF发动机行星齿轮传动系统的技术指标要求，采用滑动轴承，如图3所示。其形式简单，结构紧凑，承载能力高，工作平稳可靠，在良好的润滑条件下，其摩擦损失小，寿命更长，同时润滑油膜具有一定的吸振能力。但是滑动轴承对润滑系统的要求较高，一旦润滑油不足，轴承将严重磨损并导致失效；同时在发动机起动初始过程中，提供轴承所需的润滑形成油膜也是1 项关键技术[7-8]。

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