柔性联轴器(斯贝、CFM56、WP13、PД 33和 АЛ 31Ф发动机转子支承方案)

斯贝发动机转子支承方案

斯贝发动机转子支承方案如图32所示,它是一种支点数目多、承力构件多且比较复杂的支承方案。低压转子采用了1 2 1式四支点支承方案,高压转子为12 0式三支点支承方案,共七个支点。

其中,低压转子的止推支点(4号轴承)为中介支点,其负荷通过高压转子、高压转子止推轴承(5号轴承)传出。各支点的负荷通过五个承力构件外传,即1号轴承通过进口导流叶片,2,3号轴承通过中介机匣,4,5号轴承通过燃烧室扩散机匣,6号轴承通过十根通气导管,7号轴承通过后轴承机匣外传。另外,为了避免低压涡轮轴过长,采用了一根中介轴将涡轮轴与风扇后轴连接起来。

图、 斯贝发动机转子支承方案

WP13发动机转子支承方案

WP13发动机在总体结构上基本同于 WP7 的,但它的高压压气机却在 WP7 的基础上增加了2级成为5级,因而使低压转子长度增加,削弱了低压轴的刚性。为此,在 WP7支承方案的基础上,在2,5号中介轴承间又增加1个中介轴承 A如图28所示,以限制低压轴的挠度。因此,可以看出,在发动机中采用中介轴承的作用有两个,一是为了减少支承的承力结构,二是为了限制低压轴的挠度。

图28、 WP13发动机转子支承方案

3.2.5 CFM56发动机转子支承方案

CFM56发动机为高涵道比的涡扇发动机,它的两个转子支承于五个支点上如图29所示,通过两个承力构件将轴承负荷外传,是承力构件最少的发动机之一。

它的低压转子采用了高涵道比涡扇发动机中常用的类似于图24的0-2-1支承方案,高压转子采用了10 1的二支点的支承方案,承力构件少的原因在于将高压涡轮后轴,通过中介支点(4号)支承于低压涡轮轴上,这种支承方式可使整台发动机的承力构件减少,发动机长度也可能短,但却带来另一个重要问题,即将大直径的高压转子支承于直径较小的低压轴上,会因低压转子的振动、变形(与高压转子相比,低压转子相对容易变形些)而影响高压转子的工作。为了尽量减小这种影响,低压转子虽然采用了三支点支承方案,但涡轮轴与风扇轴间的联轴器却要采用刚性联轴器,这样,只有提高加工精度才能做到。

这种将高压转子通过中介轴承支承于低压轴上的设计,是 GE公司传统作法,该公司由F101发动机开始采用这种支承方案后,F404、F110 以及CFM56 均继承采用了这种方案。法国国营航空发动机研究制造公司(SNECMA)发展的 M88发动机也用了这种方案。

英国罗·罗公司的 RB199发动机高压涡轮转子也是通过中介轴承支承于中压涡轮轴上的。

苏联发展、生产的发动机也广泛地采用这种支承方案,例如民用发动机 HK8、军用发动机РД33、АЛ31Ф。美国普惠公司的军民用发动机一直采用如图26所示的支承方案,但它用于第四代战斗机的F119发动机却一改以往的传统设计,换用了 CFM56的将高压转子后支点支承于低压转子上的设计。

由此可以看出,类似CFM56发动机的转子支承方案,由于具有独特的优点,已广泛得到应用。但是,在这种支承方案中有两个需待更好解决的问题,其一是中介轴承的打滑问题,其二是尽量减小低压转子的变形、振动对高压转子的影响问题。

在CFM56的支承方案中,支承高压涡轮后轴的中介轴承外环固定于高压轴上,内环固定于低压轴上。 由于高低压转子转速相差较大,特别是在高涵道比涡扇发动机中,例如在CFM56 3中,高压转子转速为15183r/min,低压转子转速为5200r/min,工作中,随高压转子转动的中介轴承外环转速大很多,膨胀量要大,而内环随低压轴转动,转速低很多,膨胀量小,其结果是增大了轴承内的游隙,易在轻载下打滑。

为此在 CFM56系列发动机中,是仔细使用较紧的中介轴承装配游隙来保证不出现打滑的。有的发动机,例如 RB199、HK8,将中介轴承的内环与高压轴相连,而外环与低压轴相连,这样,在工作时,轴承内游隙不是增加而是减小的,因而能避免出现中介轴承打滑问题。

为减小低压转子不稳定的工作对高压转子的影响,在CFM56、F101、F110和F404等发动机中,如前所述,将三支点支承的低压转子采用刚性联轴器。但在苏制发动机中,却采用了另外的措施,以避开提高加工精度这一难度很大的措施。

图29、CFM56发动机转子支承方案

3.2.6 PД 33发动机转子支承方案

PД 33是苏制米格 29战斗机用的发动机,它的支承方案同于F404、F110,即低压转子采用了1-1-1式三支点方案,高压转子采用了10 1式二支点方案。高压涡轮后轴通过中介轴承支承于低压转子上。

三支点的低压转子采用了常规的柔性联轴器,这时,如将高压涡轮的中介轴承按CFM56的方式支承于低压轴上如图30(a)所示,工作中,低压轴必然会绕着联轴器有回转运动,其结果会使高压转子不能正常工作。为此,在РД33中采用了一种特殊的支承方法,即将低压涡轮后轴承4置于中介轴承2同一轴线位置上如图30(b)所示,这时,不论低压转子有多大的振动或挠度,都不会影响高压转子的工作。

但是,在这一支承方案中,低压转子后轴承(图30中之4)尺寸太小,很难承受低压涡轮加上高压涡轮作用的径向负荷,其使用寿命必然较低,因此,对寿命要求稍高的发动机,一般不宜采用。

图30、 高压涡轮通过中介轴承支承于低压转子上的两种方案

3.2.7 АЛ 31Ф发动机转子支承方案

图31示出了苏制 AЛ31Ф发动机简图。它的高压转子采用了与CFM56相同的10 1二支点支承方案,且高压涡轮后轴也是通过中介轴承5支承于低压轴上的。

但是,它的低压部分却采用了前述的、如图15所示的四支点方案,即风扇转子支承于1,2号支点上,2号支点为滚珠轴承,低压涡轮转子支承于前后两个支点即3,6号轴承上。

这样,低压涡轮工作条件较好,因而不会对高压转子带来不利影响。低压转子与风扇转子间则采用了传递扭矩、轴向力的柔性联轴器。在四支点支承方案中,风扇转子的轴线很难与低压涡轮转子轴线保持同轴度,因而必须在两个转子间采用柔性联轴器。AЛ31Ф的转子支承方案虽然解决低压转子不正常工作对高压转子的影响问题,但是,它的支点数目比F404、F110多一个,且其联轴器也较复杂。

图31 、АЛ 31Ф发动机支承简图