斯貝、CFM56、WP13、PД33和АЛ31Ф發動機轉子支承方案

斯貝發動機轉子支承方案

斯貝發動機轉子支承方案如圖32所示,它是一種支點數目多、承力構件多且比較複雜的支承方案。低壓轉子採用了1 2 1式四支點支承方案,高壓轉子為12 0式三支點支承方案,共七個支點。

其中,低壓轉子的止推支點(4號軸承)為中介支點,其負荷通過高壓轉子、高壓轉子止推軸承(5號軸承)傳出。各支點的負荷通過五個承力構件外傳,即1號軸承通過進口導流葉片,2,3號軸承通過中介機匣,4,5號軸承通過燃燒室擴散機匣,6號軸承通過十根通氣導管,7號軸承通過後軸承機匣外傳。另外,為了避免低壓渦輪軸過長,採用了一根中介軸將渦輪軸與風扇後軸連接起來。

圖、 斯貝發動機轉子支承方案

WP13發動機轉子支承方案

WP13發動機在總體結構上基本同於 WP7 的,但它的高壓壓氣機卻在 WP7 的基礎上增加了2級成為5級,因而使低壓轉子長度增加,削弱了低壓軸的剛性。為此,在 WP7支承方案的基礎上,在2,5號中介軸承間又增加1個中介軸承 A如圖28所示,以限制低壓軸的撓度。因此,可以看出,在發動機中採用中介軸承的作用有兩個,一是為了減少支承的承力結構,二是為了限制低壓軸的撓度。

圖28、 WP13發動機轉子支承方案

3.2.5 CFM56發動機轉子支承方案

CFM56發動機為高涵道比的渦扇發動機,它的兩個轉子支承於五個支點上如圖29所示,通過兩個承力構件將軸承負荷外傳,是承力構件最少的發動機之一。

它的低壓轉子採用了高涵道比渦扇發動機中常用的類似於圖24的0-2-1支承方案,高壓轉子採用了10 1的二支點的支承方案,承力構件少的原因在於將高壓渦輪後軸,通過中介支點(4號)支承於低壓渦輪軸上,這種支承方式可使整台發動機的承力構件減少,發動機長度也可能短,但卻帶來另一個重要問題,即將大直徑的高壓轉子支承於直徑較小的低壓軸上,會因低壓轉子的振動、變形(與高壓轉子相比,低壓轉子相對容易變形些)而影響高壓轉子的工作。為了盡量減小這種影響,低壓轉子雖然採用了三支點支承方案,但渦輪軸與風扇軸間的聯軸器卻要採用剛性聯軸器,這樣,只有提高加工精度才能做到。

這種將高壓轉子通過中介軸承支承於低壓軸上的設計,是 GE公司傳統作法,該公司由F101發動機開始採用這種支承方案後,F404、F110以及CFM56均繼承採用了這種方案。法國國營航空發動機研究製造公司(SNECMA)發展的M88發動機也用了這種方案。

英國羅·羅公司的RB199發動機高壓渦輪轉子也是通過中介軸承支承於中壓渦輪軸上的。

蘇聯發展、生產的發動機也廣泛地採用這種支承方案,例如民用發動機 HK8、軍用發動機РД33、АЛ31Ф。美國普惠公司的軍民用發動機一直採用如圖26所示的支承方案,但它用於第四代戰鬥機的F119發動機卻一改以往的傳統設計,換用了 CFM56的將高壓轉子後支點支承於低壓轉子上的設計。

由此可以看出,類似CFM56發動機的轉子支承方案,由於具有獨特的優點,已廣泛得到應用。但是,在這種支承方案中有兩個需待更好解決的問題,其一是中介軸承的打滑問題,其二是盡量減小低壓轉子的變形、振動對高壓轉子的影響問題。

在CFM56的支承方案中,支承高壓渦輪後軸的中介軸承外環固定於高壓軸上,內環固定於低壓軸上。 由於高低壓轉子轉速相差較大,特別是在高涵道比渦扇發動機中,例如在CFM56 3中,高壓轉子轉速為15183r/min,低壓轉子轉速為5200r/min,工作中,隨高壓轉子轉動的中介軸承外環轉速大很多,膨脹量要大,而內環隨低壓軸轉動,轉速低很多,膨脹量小,其結果是增大了軸承內的游隙,易在輕載下打滑。

為此在 CFM56系列發動機中,是仔細使用較緊的中介軸承裝配游隙來保證不出現打滑的。有的發動機,例如 RB199、HK8,將中介軸承的內環與高壓軸相連,而外環與低壓軸相連,這樣,在工作時,軸承內游隙不是增加而是減小的,因而能避免出現中介軸承打滑問題。

為減小低壓轉子不穩定的工作對高壓轉子的影響,在CFM56、F101、F110和F404等發動機中,如前所述,將三支點支承的低壓轉子採用剛性聯軸器。但在蘇制發動機中,卻採用了另外的措施,以避開提高加工精度這一難度很大的措施。

圖29、CFM56發動機轉子支承方案

3.2.6 PД 33發動機轉子支承方案

PД 33是蘇制米格 29戰鬥機用的發動機,它的支承方案同於F404、F110,即低壓轉子採用了1-1-1式三支點方案,高壓轉子採用了10 1式二支點方案。高壓渦輪後軸通過中介軸承支承於低壓轉子上。

三支點的低壓轉子採用了常規的柔性聯軸器,這時,如將高壓渦輪的中介軸承按CFM56的方式支承於低壓軸上如圖30(a)所示,工作中,低壓軸必然會繞著聯軸器有迴轉運動,其結果會使高壓轉子不能正常工作。為此,在РД33中採用了一種特殊的支承方法,即將低壓渦輪後軸承4置於中介軸承2同一軸線位置上如圖30(b)所示,這時,不論低壓轉子有多大的振動或撓度,都不會影響高壓轉子的工作。

但是,在這一支承方案中,低壓轉子後軸承(圖30中之4)尺寸太小,很難承受低壓渦輪加上高壓渦輪作用的徑向負荷,其使用壽命必然較低,因此,對壽命要求稍高的發動機,一般不宜採用。

圖30、 高壓渦輪通過中介軸承支承於低壓轉子上的兩種方案

3.2.7 АЛ 31Ф發動機轉子支承方案

圖31示出了蘇制 AЛ31Ф發動機簡圖。它的高壓轉子採用了與CFM56相同的10 1二支點支承方案,且高壓渦輪後軸也是通過中介軸承5支承於低壓軸上的。

但是,它的低壓部分卻採用了前述的、如圖15所示的四支點方案,即風扇轉子支承於1,2號支點上,2號支點為滾珠軸承,低壓渦輪轉子支承於前後兩個支點即3,6號軸承上。

這樣,低壓渦輪工作條件較好,因而不會對高壓轉子帶來不利影響。低壓轉子與風扇轉子間則採用了傳遞扭矩、軸向力的柔性聯軸器。在四支點支承方案中,風扇轉子的軸線很難與低壓渦輪轉子軸線保持同軸度,因而必須在兩個轉子間採用柔性聯軸器。AЛ31Ф的轉子支承方案雖然解決低壓轉子不正常工作對高壓轉子的影響問題,但是,它的支點數目比F404、F110多一個,且其聯軸器也較複雜。

圖31 、АЛ 31Ф發動機支承簡圖

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