航空发动机减速器方案设计

摘要
因涡桨发动机具有重量轻、振动小、耗油率低和起飞推力大等优点，其一度受到人们的关注。

由于受螺旋桨限制，涡桨发动机的高速性能不理想，曾逐渐被涡扇发动机所取代，但在中、小型运输机和通用飞机上仍有较广泛的用途。

近年来，随着世界油价的涨升，耗油率低的涡桨发动机重回人们的视线，在国外先进大型运输机上得到应用。

由于螺旋桨的工作转速较低，所以需要有减速器，用来使涡轮转子与螺旋桨部分的转速相匹配。

文中分析了涡桨发动机中采用的同心式与偏心式减速器及减速器的各种传动方案，其中有游星式、差动式及组合式方案。

研究了减速器的结构类型和安装布局对发动机和飞机的工作性能影响。

本文重点研究航空发动机的同心式、偏心式减速器和游星式、差动式传动方案，对同心式、偏心式减速器的结构特点与气动特点进行了分析，研究分析了减速器传动方案对发动机性能、进气道功能和机翼升力的影响，其中还穿插介绍了几种典型的涡桨发动机减速器。

最后，本文对比分析不了同类型减速器的优缺点，从减速器的传动方案，齿形，轴承，游星架，润滑冷却，减速器机匣等几个方面进行比较，确定并设计了一种优化的减速器传动方案。

关键词：涡桨发动机，同心式减速器，偏心式减速器，减速器方案
ABSTRACT
The turboprop engine has advantages of light weight,little vibration,low fuel consumption and big take-off thrust,people once pay much attention to it.Due to limit of propeller,the high speed performance of turboprop engine was not that satisfied,which was replaced gradually by the turbofan engine,however,the turboprop engine is still widely used in medium or small transport plane,and in general purpose aircraft.In recent years,along with the world oil prices rise,the turboprop engine,which has the quality of low fuel consumption,attract people's attention again,and is apply on heavy transport plane.
Because the propeller's speed is lower,a reduction gearbox must be equipped with the turboprop engine,to make the speed of turbine section and propeller match with each other.A turboprop engine reduction gearbox adopts a concentric type or a eccentric type,and transmission scheme of reducer are variety,including planetary gear,differential gear and combined scheme.And the construction and the type of installation layout have a great influence in working performance of the engine and aircraft.This paper will focus on the concentric type and the eccentric type,and on the transmission scheme of planetary gear and differential gear.We will analyze the structure characteristics and areodynamic characteristics of concentric type and eccentric type,together with the effect of transmission scheme on the performance of the engine,inlet duct and the wing lift.At the same time,we will introduce several typical turboprop engine reduction gearboxes.
Finally,this paper will compare the advantages and disadvantages of different type of reduction gearboxes,in the reduction transmission scheme,gear,bearing, planetary frame,lubricating and cooling,case of reduction gearbox and other several aspects,to identify and design an optimal transmission scheme.
KEY WORDS：turboprop engine,concentric type reduction gearbox,eccentric type reduction gearbox,reduction scheme
目录
第一章绪论 (5)
1.1研究背景 (5)
1.2航空发动机减速器概述 (6)
1.2.1航空发动机减速器性能要求 (7)
1.2.2减速器类型 (8)
1.2.3减速器传动方案 (8)
1.3本文的主要工作 (9)
第二章同心式与偏心式减速器 (10)
2.1同心式减速器 (10)
2.1.1同心式减速器结构特点 (11)
2.1.2同心式减速器气动特点 (12)
2.2偏心式减速器 (12)
2.2.1偏心式减速器组成及结构特点 (14)
2.2.2偏心式减速器气动特点 (15)
2.3两种减速器的应用统计 (16)
2.4本章小结 (17)
第三章游星式与差动式减速器 (19)
3.1传动比计算方法 (19)
3.2游星式减速器 (20)
3.2.1单游星式与重游星式减速器特点 (20)
3.2.2单游星式与重游星式方案传动比 (22)
3.3差动式减速器 (22)
3.3.1差动式减速器特点 (23)
3.3.2封闭差动式方案传动比 (24)
3.4本章小结 (25)
第四章减速器方案设计 (26)
4.1选择方案的前提 (26)
4.2减速器优缺点比较与方案选择 (26)
4.3齿形的优化 (29)
4.4齿数与模数的确定 (30)
4.5轴承的选择 (31)
4.6游星架 (32)
4.7润滑与冷却 (33)
4.8减速器机匣 (34)
4.9弹性轴 (34)
4.10测扭机构 (34)
4.11减速器整体结构 (34)
4.12减速器方案的优点、缺点以及补救措施 (35)
第五章结论 (37)
参考文献 (38)
致谢 (39)
毕业设计小结 (40)
第一章绪论
1.1研究背景
涡轮螺旋桨发动机主要靠螺旋桨产生的拉力或推力驱动飞机，其非常适合中等飞行速度的飞机使用，但因为受螺旋桨的限制，这些螺旋桨飞机的速度一般都不超过800km/h。

与活塞式发动机相比，涡轮螺旋桨发动机具有功重比大、迎风面积小、振动小、推进效率高等特点，特别是随着飞行高度的增加，其性能更显优越，而且，由于减少了往复运动的部件，涡桨发动机的运转稳定性好、噪音小、工作寿命长、维修费用低；与涡轮喷气发动机及涡轮风扇发动机相比，涡轮螺旋桨发动机又具有耗油率低、起飞推力大等特点。

此外，涡桨发动机装配在飞机上后，还具有一些综合优势，比如螺旋桨特性（滑流增升、反桨）、飞机机翼构型决定了涡桨飞机较强的起飞/着陆能力，可大幅度缩短起飞/着陆距离，涡桨发动机较低的燃气排放温度可以大幅度降低氮氧化物、噪声排放及红外辐射等。

涡轮螺旋桨发动机的这些优点对于往返于中小型机场甚至是简易机场的短、中途运输机和通用飞机来说，是非常适宜的。

自20世纪50年代起，世界各国纷纷发展了一系列以涡轮螺旋桨发动机为动力的中型运输机。

1942年，英国研制出了世界上第一台涡轮螺旋桨发动机“曼巴（Memba）”，装配在皇家海军“塘鹅”舰载反潜飞机上。

1945年，由涡轮喷气发动机Derwent发展而成的涡轮螺旋桨发动机，被装在皇家空军著名的“流星”战斗机上首飞成功，这标志着涡轮螺旋桨发动机进入实用阶段。

随后，美国将涡轮螺旋桨发动机T56装配在C-130运输机、P-3C侦察机以及E-2C预警机等多型飞机上，涡轮螺旋桨发动机的用途扩大，从军用转变为民用。

而且值得一提的是，后来的AE2100涡轮螺旋桨发动机的减速器就是在T56发动机减速器的基础上改进而来的。

我国也于1976初成功试飞定型了涡桨6发动机，其被安装在运8等飞机上。

在此之后的时间里，普惠公司的PT6A发动机在民用涡桨发动机领域，无论是生产数量还是产值，都成了当之无愧的“带头大哥”。

欧洲螺旋桨公司（EPI）于2011年投产的高性能涡桨发动机TP400-D6是最新一代的涡桨发动机，其当时被看成是“曾设计过的唯一真正的欧洲发动机”。

因涡轮螺旋桨发动机的高速性能不理想，其市场一度为涡轮风扇发动机所取代。

然而，近年来随着油价的飙升，涡轮螺旋桨发动机的经济性优势更为凸显，同时，随着螺旋桨设计、制造技术的进步，涡轮螺旋桨飞机在飞行时的推进效率
大大提高，涡桨飞机又重新受到人们的青睐，其市场也开始逐渐复苏。

涡桨发动机的功重比都比较大，一般都在3kW/daN以上，像PT6A这种中小型发动机功重比都能达到2.99kW/daN，功重比大的，如TP400-D6系列，可达4.45~4.57kW/daN，有的能到5.59kW/daN。

涡桨发动机的空气流量有大也有小，小的只有2.62kg/s，大的能达到20.4kg/s。

而总增压比一般在7~17的范围，有些涡桨发动机的增压比也能达到25。

涡桨发动机的涡轮前温度一般为900~1200℃。

早期的涡桨发动机多为固定涡轮式单转子结构，现在较为主流的是自由涡轮式双转子或自由涡轮式单转子结构。

1.2航空发动机减速器概述
航空发动机减速器是航空发动机驱动螺旋桨或旋翼必不可少的部件，它是涡桨发动机、涡轴发动机和直升机旋翼传动系统的重要组成部分，是将涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机输出轴的转速降低到空气螺旋桨（或旋翼）所需转速的齿轮传动装置，其使得两个转速不同的部件相互匹配，分别在各自的最佳转速工作，并能高效率的传递功率。

在燃气涡轮发动机中，为提高涡轮的效率，涡轮转子叶片尖部的切线速度很高。

不同空气流量的发动机由于流通部分平均直径不同，相应于这些切线速度的最有利工作转速也不同。

现代大流量的发动机涡轮转子的工作转速约为8000~10000r/min，中等流量的发动机涡轮转子工作转速约为15000~18000r/min，而小空气流量发动机的涡轮工作转速可达22000~60000r/min。

然而，大功率的螺旋桨对应于效率最高时的工作转速大约只有800~1200r/min，中、小型直升机的旋翼工作转速则大约只有320~360r/min。

如果直接用涡轮驱动这些推进装置会因转速太低，使涡轮效率低到无法正常工作的水平，或者是使涡轮平均直径增大到结构与重量不允许的程度。

因此，虽然在动力装置中采用减速器会使发动机结构复杂、尺寸和发动机自重增加，但在涡桨发动机和涡轴发动机中减速器仍是一个必不可少的部件。

现在在涡桨发动机减速器方面，十分重视与涡桨发动机配套的高效、轻质减速器的发展，与之相关的有诸如美国的先进旋翼传动系统（ART）项目等，目前，国际上在新型传动机构、轴承、齿轮轴一体化设计、新材料等方面进行了一系列基础研究及应用试验研究，也取得了相应的成果。

图1-1涡桨发动机中的减速器
而且，有些大流量比涡扇发动机也使用减速器传动风扇，如TFE731，ALF502，PW8000等，这种带减速器的风扇称为齿轮传动风扇，即GTF技术。

大流量比涡扇发动机所遇到的问题与涡轴、涡桨发动机相同。

由于风扇空气流量大，风扇直径大，要求的工作转速比较低。

如果直接由涡轮驱动，则涡轮的级有效功减小，驱动风扇的低压涡轮的级数就要增多。

采用减速器后，驱动同样的风扇，低压涡轮的级数可以大大减少。

而风扇可以在更低的转速工作，不但效率达到最佳，而且噪声也大大降低。

目前，航空发动机减速器采用的是齿轮减速器。

图1-2ALF502涡轮风扇发动机风扇的减速传动机构
1－风扇轴；2－大齿圈；3－中介齿轮；4－固定托架；5－主动齿轮
1.2.1航空发动机减速器性能要求
（1）在尺寸小，重量轻的条件下传递大功率
在航空上，尺寸小、重量轻是设计工作者必须遵循的原则。

对于减速器来说，同样应该得到满足，尤其有的减速器设置在压气机进口，它的外表面构成进气道的内壁，外形的不对称性与过大的径向尺寸都会影响进气道的气流流动，造成较
大的损失，而且减速器的重量一般都很大，约为发动机压气部分与涡轮部分重量之和，因此，航空减速器的形状与尺寸受到较苛刻的限制，与此同时，它又必须传递相当大的功率。

减速器的齿轮主要处于高负荷状态下工作，每对啮合齿轮已成为传送功率的最薄弱环节之一。

为了不使减速器的尺寸增大，通常采用多路并联传送功率的方案。

随着减速器在大型发动机中的应用，传动功率还要大大提高。

（2）传动比大，效率高
发动机动力涡轮的转速与螺旋桨或旋翼的转速之比称为传动比。

由于螺桨、旋翼与动力涡轮间的转速相差很悬殊，传动比很大，减速器尺寸又受到限制，故而常用较复杂的多级传动，并广泛采用游星轮系。

由于采用多级传动与复杂轮系，会给传动效率带来不利影响，因此，在优化设计轮系的基础上，合理选用材料与热处理方法，提高制造精度以及采用良好的润滑冷却等措施，可以使它们的传动效率保持很高的水平。

（3）有限寿命与可靠性
航空减速器都是按有限寿命使用的，但这并不意味着它们的所有零组件都是按有限寿命设计的，多数的齿轮、转轴与机匣等零组件就是按“无限寿命”考虑到。

但是，由于载荷谱的随机性与结构工艺等的复杂性，往往会使减速器的故障率提高，从而危及发动机的空中停车率、提前拆换率，给可靠性和发动机寿命带来不利影响。

为此，在减速器结构设计时，常采用的措施有：简化结构与减少零件数目；提高齿轮加工精度与修整齿形，以消除振动与提高传动的平稳性；改善均荷措施；采用斜齿、“人”字齿或螺旋齿，以提高齿轮传动的重合度，从而改善齿轮交替啮合时齿上负荷不同、变形不同而引起的角速度变化，使传动平稳并防止扭转振动的发生；合理地增加齿数可以提高传动平稳性，并避开与发动机其他零件产生共振现象等等。

另外，增设测扭装置不仅能使驾驶员了解与掌握发动机的工作状态，而且还可以对减速器不正常的工作情况及时发出警报，这对减速器的可靠性也具有十分重要的意义。

（4）结构复杂，高加工精度
由于减速器通常设置在压气机前，减速器齿轮尺寸过大会使得减速器外形增大，发动机迎风面积变大而增加阻力，且发动机进气道中的气流偏转大会造成较大的进气损失，使发动机功率降低。

因此，为了解决传动比大与外廓尺寸要求尽量小的矛盾，涡轮螺旋桨发动机的减速器只能设计得较复杂，加工精度要求高。

1.2.2减速器类型
根据减速器的用途与结构形式，减速器的分类方法往往是多样的，比如按减速器与发动机是否固定在一起可分为机外减速器与机内减速器，按输入轴和输出
轴相对位置可分为同心式减速器与偏心式减速器，按输出轴数目可分为单桨轴和双桨轴减速器。

各类型的减速器对发动机的影响也都不同，后文将着重讨论同心式减速器与偏心式减速器。

1.2.3减速器传动方案
尽管减速器的传动方案是多样的，但是它们不外乎为简单式、游星式、差动式这三种基本形式，以及它们的不同组合方案。

航空发动机减速器传动方案取决于发动机的型式与传动对象，比如，涡桨发动机减速器通常设置在发动机的前面，而涡轴发动机减速器的设置取决于发动机的总体安排，有的在前，有的在后，有的甚至在发动机的中间[1]。

1.3本文的主要工作
减速器的结构类型和安装布局对发动机和飞机的工作性能都影响很大。

本文将在所学基础理论和专业知识的基础上，专门研究航空发动机的同心式、偏心式减速器和游星式、差动式减速器，在理解其工作原理并掌握减速比计算公式基础上，进行同心式、偏心式减速器的结构特点分析，研究减速器传动方案对发动机性能、进气道功能和机翼升力的影响，对比分析不同类型减速器的优缺点，确定并设计一种优化的减速器传动方案。

第二章同心式与偏心式减速器
2.1同心式减速器
减速器的输入轴与输出轴的中心线重合在一起的称为同心式减速器，由于它的结构具有对称性，因此通常采用沿圆周均布几个游星齿轮或中间齿轮的并联传动方案，在工作时，可以使齿轮上的负荷减小很多；而且主动与从动齿轮轴上的轴承几乎不受径向力；此外，减速器的外壳尺寸也会相应减小，这对提高发动机的推重比有着重要意义。

因此，同心式减速器用于涡桨发动机与桨扇发动机居多，如俄罗斯的AI-20发动机，普惠公司的PT6A涡桨发动机等采用的是同心式减速器。

对于正在研制的新型的大涵道比涡扇发动机与桨扇发动机，它们的减速器也采用了同心式减速器。

同心式减速器传动方案如图2-1所示。

图2-1同心式简单传动方案
(a)外啮合方案；(b)内啮合方案；
1－主动齿轮；2，3－中间齿轮；4－从动齿轮
PT6A-27涡轮螺旋桨发动机是一种用于小型民用飞机的发动机，其起飞功率为500kW，螺旋桨由发动机的自由涡轮经减速器带动，在各种工作状态均保持其转速为2200r/min。

自由涡轮的工作转速为33000r/min，减速器的减速比为
0.0688。

减速器（如图2-2所示）采用的是双级行星齿轮同心式减速器。

第一级行星轮减速级安装在后机匣内，自由涡轮通过中心主动轮带动三个第一级行星轮，这三个行星轮与带内齿的第一级固定齿圈啮合。

第一级行星轮的行星架悬臂
支持在后机匣的滑动轴承上，并用套齿及弹性套齿环带动第二级减速器的中心主动轮，这样可以减少级间扭转振动的影响。

第二级的五个行星轮用滑动轴承衬套支持在轴销上，轴销固定在行星架上，而行星架用套齿带动螺旋桨轴。

图2-2PT6A－27发动机的减速器
1－桨轴；2-－封严圈；3－锥齿轮；4－分油环；5－前机匣；6－螺桨调速器传动轴；7－安装边A；8－第二级主动齿轮；9－弹性套齿环；10－后机匣；11－第一级行星齿轮；12－套齿；13－安装边B；14－测扭机构；15－第一级固定齿圈；16－第二级固定齿圈；17－第二级行星齿轮；18－滚棒轴承；
19－分油衬套；，20－拉力轴承盖；21－拉力轴承
2.1.1同心式减速器结构特点
（1）结构紧凑，基本无径向力
由于同心式减速器的输入轴与输出轴的中心线重合，使得其结构更加紧凑，在安装时能有更多的选择余地。

而且，同心式减速器的主动与从动齿轮轴上的轴承几乎不受径向力。

（2）传动效率高
由于同心式减速器结构的对称性，通常它具有数个匀称分布的行星轮，使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能互相平衡，从而有利于达到提高传动效率的目的。

（3）传动比大
同心式减速器在其传动比很大时，仍然可以保持结构紧凑、质量小、体积小
等许多优点。

2.1.2同心式减速器气动特点
（1）能使发动机进口的空气具有均匀的速度场
涡轮螺旋桨发动机的减速器一般安装在发动机的前部，减速器机匣的外形应保证空气能自由地流入压气机，并使进口的空气具有均匀的速度场。

要达到这种要求，就必须使减速器机匣对螺旋桨的轴线——压气机的轴线的延长线成对称形状。

如果空气流入压气机的对称条件被破坏，进口周围的速度场就会有一定的不均匀性。

同心式减速器的对称结构能满足这种对均匀速度场的要求。

（2）发动机迎风面积较小
同心式减速器结构紧凑，可以将其尺寸设计得较小，而且由于输入轴与输出轴的中心线重合，安装在发动机上可以减小发动机的迎风面积。

（3）对发动机进气的影响
采用同心式减速器的涡桨发动机，其减速器正对着发动机压气机部分，虽然不会破坏进口空气速度场的均匀性，但会对空气进入发动机具有一定的影响。

同心式减速器的外表面构成进气道的内壁，当减速器外廓尺寸较大时，会增大进气道中的气流偏转，造成较大的进气损失，使发动机功率降低。

有的发动机（如PT6A涡桨发动机）为了消除这种影响，选择从发动机的后面进气，将压气机置于发动机尾端，整个发动机的布局顺序则为：减速器——涡轮——压气机——进气口，如图2-3所示。

图2-3后进气的涡桨发动机
2.2偏心式减速器
减速器输入轴与输出轴中心线不重合的称为偏心式减速器。

在俄罗斯及我国的涡桨发动机中很少采用偏心式减速器，而在欧美涡轮螺旋桨发动机上运用较
广，如新型的AE2100发动机，TP400-D6发动机等都是采用偏心式减速器。

图2-4AE2100发动机采用偏心式减速器
AE2100涡桨发动机的减速器是在T56涡桨发动机的减速器基础上重新设计的，采用的是偏心式减速器，其重量比T56的减速器轻了68kg，故障间隔时间为3万小时。

偏心式减速器的传动方案为简单式与游星式的组合方案，而且偏心式的结构使AE2100发动机得以在减速器的后面安装有交流发电机。

涡桨发动机一般采用电加热或者热滑油除冰，在减速器后安装交流发电机对电加热除冰是很有利的。

图2-5TP400-D6发动机结构形式
原先的TP400发动机减速器采用的是两级行星传动，带单螺旋齿轮。

输出轴
在发动机中心线位置。

TP400-D6发动机采用的是偏心式减速器，以便使螺旋桨轴高于气流进口。

传动方案跟AE2100的减速器类似，但它是简单式与差动式组合的传动方案，螺旋桨轴也是由第二级齿圈传动的，而不是游星架传动。

减速器的第一级中心主动轮是人字齿轮，它通过一个带扭矩计的固定环形人字齿轮传动第二级中心主动直齿轮，该主动齿轮带动五个行星轮，与五个行星轮啮合的第二级齿圈带动螺旋桨轴转动。

2.2.1偏心式减速器组成及结构特点
偏心式减速器的组成跟同心式减速器的组成比较起来，差距并不像它们名字显示的那样巨大，恰恰相反，二者之间还是存在很大的相似性的，因为，偏心式传动一般都是由简单传动跟同心式传动组合而成，如图2-6所示。

图2-6由简单式与同心式组成的偏心式
偏心式减速器有以下结构特点：
（1）偏心式减速器利于通过螺旋桨轴的尾部对螺旋桨进行控制
采用偏心式减速器后，涡轮螺旋桨发动机的压气机轴线与螺旋桨轴线不重合，使得对螺旋桨的控制更为方便。

（2）偏心式减速器的第二级通常都是同心式的
为了满足各项要求，涡轮螺旋桨发动机的减速器一般设计得都比较复杂，就算是偏心式减速器，其第二级减速机构也可以被看作是同心式的，这使得其在结构上也具有同心式减速器的诸多优点。

（3）偏心式减速器利于发动机的安装
考虑到飞机整体性能及飞行安全等因素，飞机设计中应尽量增加发动机吊挂的前伸量，减小发动机吊挂的下沉量，而采用偏心式减速器的涡桨发动机能满足这些条件，而且，在偏心式减速器涡桨发动机的安装时可以采用减速器机匣连接形式，从而减少发动机主体弯曲载荷，降低吊挂结构对发动机二次气流的干扰。

（4）改善野战性能
一些军用螺旋桨飞机，通常工作在环境比较恶劣的野外，起降条件较差，采用偏心式减速器后，会使螺旋桨轴距地面的高度增加，从而减少了螺旋桨与地面或外物碰触的风险，改善了飞机的野战性能。

2.2.2偏心式减速器气动特点
（1）采用偏心式减速器可增加机翼升力
目前，涡桨飞机多为拉进式，而涡桨发动机也多装在机翼上，螺旋桨后面的高速气流可以用来增加机翼升力，改善飞机飞行性能。

采用偏心式减速器，使得螺旋桨轴与机翼的相对高度发生变化，增加机翼升力的效果要比采用同心式减速器好。

（2）对进气道工作有利
偏心式减速器的输入轴与输出轴所在线不重合，减速器不会正对着发动机的压气机部分，对发动机的进气影响减小，减速器位置上移，减小了进气道中的气流偏转，减少了流动损失，同时还能增大发动机的进气流量。

（3）有利于发动机采用粒子分离器
涡桨发动机一般安装于起落地面条件可能较差的运输机上，容易吸入地面的沙石及其他杂物，所以在进气装置处设有防尘网或进口粒子分离器，但是防尘网会增加进气的阻力。

采用偏心式减速器后，可给发动机设计有沿螺旋桨下整流罩前部弯曲成形的大进气口，由于管道急剧向上弯曲，粒子分离器可以巧妙地利用大颗粒物质的离心惯性力使其排出发动机外。

试验证明：粒子分离器在能量损失低于3%的情况下，除砂效率超过90%，更能体现当前对粒子分离器的设计要求：在满足特定的最低飞机性能的基础上尽量提高分离技术水平。

如图2-7所示为采用偏心式减速器后，涡桨发动机的进气。