航空發動機轉子的典型結構和新結構

航空發動機轉子系統的結構包括:轉子結構、轉子支承方案與轉子支承結構等三部分。轉子系統的結構設計,在很大程度上影響發動機的重量、可靠性和振動特性等。

因此,在發動機發展過程中,轉子結構、轉子支承結構的設計,有較大的變化與發展;而轉子支承方案在發展中也突出了簡化結構的思想。

像20世紀60年代研製的斯貝發動機中那樣複雜的轉子結構設計與支承方案的布局,在20世紀80年代發展的發動機中已見不到了,取而代之的是簡單、緊湊的焊接轉子結構與支點數目少的支承方案。

這種變化當然該歸功於發動機先進的氣動設計(減少級數)、先進的工藝方法(電子束焊、慣性摩擦焊接轉子)和高精尖的加工手段(確保了支點的高度同心)等的發展與在發動機中的推廣應用。

至於轉子支承結構的設計,為滿足發動機壽命日益增長、可靠性要求愈來愈高的需要,在20世紀80年代研製的發動機中又普遍採用在60年代中已得到廣泛應用,但在70年代又不採用的擠壓油膜、帶擠壓油膜的彈性支座。

對於渦槳、渦軸發動機,由於流入發動機的空氣流量小,壓氣機、渦輪的直徑小,因而轉子轉速高達3~4萬轉每分鐘甚至更高,轉子動力學的問題變得尤為突出,所以在它們的轉子支承結構中,普遍採用彈性支座、擠壓油膜和帶擠壓油膜的彈性支座等。

另外,由於航空燃氣渦輪發動機轉子轉速高、重量輕,支承轉子的滾動軸承容易產生打滑現象,經常要採用防止出現滑蹭損傷的措施。

為了改善主軸滾珠軸承的工作條件,提高其可靠性,在滾珠軸承處並列增加一滾棒軸承的支承結構,已在一些新發動機,特別是用于波音777的 GE90發動機中採用。估計在今後新研製的發動機中將會得到進一步發展。

圖1、斯貝 MK511低壓壓氣機轉子結構圖

轉子結構

2.1 轉子的基本結構形式

轉子可分為三種基本結構形式:鼓式、盤式和混合式。

圖2、CFM56 2風扇增壓壓氣機轉子結構圖

2.1.1 鼓式轉子

鼓式轉子的基本構件是一圓柱形或圓錐形鼓筒,借安裝邊和螺栓等與前後軸頸連成一體。鼓筒外表面加工有環向或縱向燕尾形槽,用來安裝工作葉片。

圖1所示為斯貝 MK511渦扇發動機的低壓壓氣機轉子,是典型的鼓式轉子結構。鼓筒分為前後兩段,每段又由三段通過氬弧焊對接焊成。前段帶有前軸頸,後段帶有後軸頸。前後兩段用24個精密螺栓連接,其中3個是圓柱形螺栓,起裝配定心作用,其餘為錐形螺栓,工作時定心傳扭。強度與剛性還在轉子的最後一級加上盤,如圖3所示。

圖3 、CF6風扇增壓壓氣機轉子結構圖

2.1.2 盤式轉子

盤式轉子由一組輪盤與中心軸組成,扭矩通過盤軸傳遞。與鼓式轉子相比,盤式轉子強度好;主要缺點是抗彎剛性差,並容易產生振動。目前這種轉子只用在單盤或小流量壓氣機上。

2.1.3 混合式轉子

混合式轉子由盤、鼓筒和軸組成。鼓筒與輪盤可以做成一體或者單獨製成。扭矩由軸、盤或軸、鼓、盤逐級傳遞。混合式轉子兼有鼓式轉子抗彎剛性好及盤式轉子強度好的優點,所以在發動機中得到廣泛應用。其結構方案也是多種多樣的。

圖4為CFM56發動機的核心機轉子結構圖,是一典型的混合式轉子。該轉子壓氣機部分共9級,由1級渦輪帶動,壓氣機與渦輪通過鼓筒軸用短螺栓連接。壓氣機的第3級盤處與前軸頸連接,後軸與壓氣機後封嚴篦齒盤相連接。

這幾處的連接均採用帶自鎖螺母的短螺栓。壓氣機後與渦輪盤前均設有篦齒封嚴盤。壓氣機的前兩級鈦合金盤焊成一體,4~9級鎳基合金盤焊成一體。焊接方式均採用摩擦焊。該轉子的兩處篦齒環均帶有盤,這是由於該轉子的轉速較高,篦

齒產生的離心負荷較大。篦齒盤的結構在現代高轉速發動機的核心機轉子上被廣泛採用。

圖4、 CFM56 3發動機核心機轉子結構圖

2.2 轉子的連接結構

轉子的連接主要要解決盤盤連接、盤軸連接、葉片與盤的連接等問題。前兩種連接又可分為可拆卸式和不可拆卸式兩種。

2.2.1 可拆卸式連接

可拆卸式連接有短螺栓、多根長螺栓、圓弧端齒加中心拉杆以及套齒連接等方式。

(1)短螺栓連接是當代發動機上廣泛採用的一種結構。這種連接結構一般採用圓柱面定心,緊度配合,摩擦和剪切共同傳扭。根據不同發動機的不同結構,有各種各樣的形式。

圖4所示轉子的幾處螺栓連接均採用了這種連接方式,其中的螺母又均採用了自鎖螺母。自鎖螺母不用打鎖片,靠螺母與螺桿之間的緊度等方式鎖緊,只要用限力扳手按給定的擰緊力矩擰緊即可,不但簡化了結構、使裝拆方便,而且可以據此設計一些新的、特定的結構;

有些結構,沒有自鎖螺母則根本無法實現。圖4所示的轉子的鼓筒軸與壓氣機轉子的連接處就是在壓氣機轉子和渦輪轉子分別平衡好後,拆下渦輪後軸頸,從渦輪盤中心孔處伸入工具,擰緊該處的48個自鎖螺母。

圖5、兩級渦輪盤連接

如果螺母不自鎖,還須打鎖片,根本就無法裝配,這種結構也就不能實現。

圖5所示為某型發動機的渦輪轉子連接結構,兩級盤與承力錐之間的連接採用的短螺栓結構,兩端均用自鎖螺母;兩級盤上的安裝邊與承力錐之間採用圓柱面定心,緊度配合,摩擦傳扭。

螺栓的形狀如圖6所示。該螺桿兩端帶螺紋,中間段為類似於運動場跑道的形狀。該段的長度比承力錐在此處的厚度略小一些,與承力錐上相同形狀的孔配合防止螺栓轉動。跑道形的孔應力集中情況比圓孔好。

裝配時,先將螺桿插入2級盤安裝邊上的孔中,擰緊右側的自鎖螺母,再將承力錐和1級盤裝入,用專用工具擰緊左邊的自鎖螺母。承力錐再與軸連接形成轉子。

圖6、特型螺栓

(2)長螺栓連接在一些發動機中採用,可用中心長螺栓或沿圓周分布的多根長螺栓將幾級盤和軸(鼓筒軸、前後軸)一起連接起來。

圖7所示的 AЛ31Ф高壓壓氣機轉子後三級盤及篦齒封嚴盤和第4級盤後的安裝邊的連接,各級盤間都夾著一個等直徑的鼓筒,鼓筒與盤靠圓柱面定位,用一組長螺桿將鼓筒和各級輪盤拉緊,靠端面摩擦傳扭。

為防止鼓筒在夾緊時發生變形,鼓筒和長螺桿間還裝有襯套。螺桿在與盤配合的位置處直徑加大,用來徑向定位,必要時還可剪切傳扭。各級盤緣處均左右外伸,互相之間採用圓柱面配合,形成外層鼓筒和封嚴結構,進一步增加了剛性。

裝配時必須嚴格控制螺桿的預緊力,以防工作時轉子剛性變差,或螺桿內應力過大,以致斷裂;同時還要保證各桿的受力均勻。

圖7、АЛ31Ф高壓壓氣機轉子(右圖為輪盤、鼓筒連接處詳圖)

渦軸7發動機壓氣機轉子採用了多根長螺栓的連接方式,如圖8所示。它由3級軸流及1級離心組成,盤與盤間採用定距環定位,通過一周均布的若干個長螺栓加預緊力擰緊,將離心葉輪與三級軸流盤連接成一體。

圖8、渦軸7發動機燃氣發生器轉子結構圖

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！