二、三、多支點支承簡介和PW4000、WP7發動機轉子支承方案| 陳光談航發195

原標題：二、三、多支點支承簡介和PW4000、WP7發動機轉子支承方案| 陳光談航發195

3.1.2二支點支承方案

將壓氣機轉子與渦輪轉子剛性地連接成一體,組成了發動機(或高壓轉子)整體轉子,此時轉子只需支承兩個支點上,形成了二支點支承方案。在一些老式的單轉子發動機或小型發動機中,曾廣泛採用過這種方案,圖16、圖17、圖18、圖19、圖20和圖21示出了各種二支點支承方案。

渦槳、渦軸發動機中廣泛採用圖18、圖19和圖20的方案。在圖16、圖19和圖20中的 10 1支承方案中,壓氣機轉子、渦輪轉子均無懸臂結構,整個轉子縱向剛性較好,但支點間距離較大。圖17、圖18所示的11 0與0 2 0支承方案中,兩個支點距離較近,但轉子懸臂支承,且為了安裝軸承,壓氣機與渦輪間的軸只能作成小直徑的,轉子縱向剛性較差。

在多轉子發動機中,為了減少支點數目,簡化結構,高壓轉子多作成二支點的,圖21即為普惠公司軍民用發動機F100、PW2037、JT9D和PW4000高壓轉子中採用的1 1 0的二支點支承方案,GE公司發動機中的高壓轉子則多採用1 0 1的二支點的支承方案,WP7、WP13發動機的高壓轉子也採用0 2 0的二支點方案。

3.1.3 三支點支承方案

在大多數單轉子發動機以及多轉子的低壓轉子中,多採用三支點支承方案。

圖22所示WP6發動機支承方案即為典型的三支點支承方案,在此方案中,壓氣機轉子前後各用一個支點,渦輪盤前有一個支點,成為1-2-0 支承方案,渦輪軸前端通過聯軸器與壓氣機轉子連接。

圖22、WP6發動機轉子1-2-0支承方案

在此,聯軸器不僅傳遞扭矩、軸向力,而且也作為渦輪轉子的前支點(即傳徑向力);當渦輪支點與前兩個支點的軸線不同軸線時(實際上如不採取特種的精加工方法很難做到同軸線),渦輪軸還要求通過聯軸器能正常地工作。

因此,要求聯軸器作成鉸接形式,使壓氣機轉子前支點與中支點在一直線上,中支點與後支點也在一直線上,二軸線間允許有一個偏斜角。這種支承方案,不僅只有一個支點承受軸向負荷,承受的軸向負荷較小,而且每個轉子均支承於兩個支點上,相對剛性較好,所以得到廣泛使用。

當渦輪級數較多時,為了不使渦輪轉子外懸過多,可以採用如圖23所示的1 1 1支承方案。

在三支點支承方案中,三個支點很難做到同心。因此,絕大多數發動機中,渦輪與壓氣機轉子間的聯軸器採用柔性聯軸器。

但是在一些新型的高涵道比渦輪風扇發動機的低壓轉子中,雖然採用了三支點支承方案,但聯軸器卻作成剛性的,圖24所示為PW4000發動機低壓轉子的支承方案,即採用了剛性聯軸器的0-2-1的三支點支承方案。

這樣,可使渦輪轉子與機匣間能始終保持較均勻的徑向間隙,能獲得較高的效率;特別是有些發動機,例如 CFM56,它的高壓轉子後支點是支承於低壓轉子上即採用中介支點,在這種方案中如聯軸器採用柔性的,將會使高壓轉子特別是渦輪端的徑向間隙在圓周上變化很大,對渦輪工作非常不利。低壓轉子採用剛性聯軸器能克服上述問題。

但是,在三支點支承方案中採用剛性聯軸器,要求加工精度大大提高,才能保證轉子、機匣的三支點均達到高的同軸心度,否則,無法採用剛性聯軸器。

圖24所示的低壓轉子支承方案,在新一代雙轉子發動機中得到廣泛採用,例如CFM56、PW2037和 V2500等的低壓轉子均採用了這種結構。

3.2 多轉子支承方案

多轉子(雙轉子、三轉子)發動機中,轉子數多,支承數目多,而且低壓轉子要由高壓轉子中心穿過,使結構複雜,但原則上可以將發動機的各個轉子(低壓、中壓和高壓轉子)分割出來,每個轉子按前述方法,分別進行處理。

與單轉子發動機不同的另一點是,有些支點,不直接安裝在承力機匣上,而是裝在另一個轉子上,通過另一轉子的支點將負荷外傳。由於這個支點是介於兩個轉子之間的,所以稱為中介支點(或稱軸間支點)。

中介支點的軸承則稱中介軸承或軸間軸承。在發動機中,採用中介支點,可使發動機長度縮小,承力機匣數減少。但是軸間軸承的潤滑、冷卻和封嚴要複雜些,軸承的工作條件也較差,如果中介軸承為滾珠軸承,裝拆也比較困難。

但由於有前述的優點,目前,中介支點在多轉子發動機中廣泛地得到採用,連一向不採用中介支點的普惠公司(它的軍民用發動機中一直不採用中介支點),在1995年提出的、為100座支線客機發展的PW6000也採用了帶中介支點的,如同 CFM56 的支承方案;該公司為第4代戰鬥機F22研製的F119發動機中也採用了中介支點。

3.2.1 JT9D發動機轉子支承方案圖25示出了JT9D高涵道比渦扇發動機的轉子支承方案,該發動機長度較大,由風扇前安裝邊到渦輪後軸承機匣後安裝邊的長度為3.38m,如此長的發動機轉子,支承方案卻採用了較簡單的形式,低高壓轉子各支承於兩個支點上,低壓轉子為01 1方案,高壓轉子為 11 0方案。

四個支點支承於三個承力框架上,無中介支點,因而結構簡單,但卻需要有近3m長的低壓軸,該軸加工十分困難。另外在使用中發現低壓轉子二支點相距太遠,轉子縱向剛性較差,易於變形而造成轉子與機匣相碰磨,使發動機性能衰退率高。

圖25 、JT9D發動機轉子支承方案

3.2.1 PW4000發動機轉子支承方案

PW4000是普惠公司在JT9D 的基礎上改進發展的,由於JT9D 低壓轉子採用二支點後帶來前述的缺點,在PW4000上在風扇軸後端增加了一個支點,使低壓轉子形成0 2 1支承方案,用以增加低壓轉子的縱向剛性。這種方案除用於PW4000外,還用於 PW2037、V2500發動機中,如圖26所示。

圖26 、PW4000發動機轉子支承方案

不論是JT9D,還是PW4000,高壓轉子的後支點均置於高壓壓氣機與高壓渦輪間,由於受到軸承內徑的限制,壓氣機後軸只能作得較細,使轉子剛性變弱,且雙級高壓渦輪是懸臂支承的,因而對工作不利,但這是普惠公司的傳統作法,它的軍用發動機 F100也採用了這種結構。

3.2.3 WP7發動機轉子支承方案

WP7發動機是雙轉子發動機中級數最少的,如圖27所示,高低壓壓氣機各三級,高低壓渦輪各一級。低壓轉子採用1 2 0方案,高壓轉子採用02 0方案。為了減少支承軸承的承力構件數,採用了兩個中介支點(2,5號支點),即低壓轉子的後兩個支點均支承於高壓轉子內,其負荷均通過高壓轉子的支承點外傳。

這種結構雖使發動機長度縮短,總體結構簡單,但高壓轉子工作時的振動、變形會影響低壓轉子的工作。在 WP7中,高壓轉子的軸短而直徑大,剛性較好,因而對低壓轉子的影響可以減少。另外,由於高壓壓氣機與高壓渦輪級數少,所以壓氣機、渦輪均懸臂地支承著,成為0 2 0的支承方案,這種方案與1 0 1方案比,可縮短髮動機長度。低壓轉子的前支點不像一般發動機裝在第1級輪盤前,而是裝於1,2級輪盤間。軸承的負荷通過1級壓氣機的整流葉片外傳,這樣可以省去帶徑向支板與內錐的進氣機匣。因此,這種支承方式也被無進口導流葉片的 WP13、WP15發動機採用。

圖27、 WP7發動機轉子支承方案

WP7發動機的支承方案中,還有一個特點,那就是三處支點的負荷均通過靜子葉片(1,2, 3號軸承)或葉片內的承力件(4,5號軸承)外傳的,沒有採用另外的承力機匣,進一步縮短了發動機的長度與簡化了總體結構。

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