拉杆式、折返式、帶擠壓油膜的彈性支座介紹

拉杆式彈性支座

斯貝發動機低壓渦輪後軸承採用的彈性支座是典型的拉杆式彈性支座,如圖60中 F及圖68(a)所示。其結構做成後端(即右端)有一向內翻邊的安裝邊,用以安裝軸承;軸承的外環做成加長並帶前、後安裝邊,後安裝邊與支座的右側安裝邊用螺釘連接,軸承外環的前安裝邊

用以固定封嚴件。支座的前安裝邊(即左端)向外翻邊用以與機匣相連。在兩個安裝邊之間均布有30根直徑為3.0mm,長度為32.8mm的鋼桿,桿兩端分別插入彈性支座前後安裝邊的鑽孔內,並用釺焊焊接成一體。在滾棒軸承的外端設有限幅環,限幅間隙為0.355~0.406mm。

在這種拉杆式彈性支座中,如圖68(b)所示,可用改變拉杆直徑d、拉杆長度l,及桿

數來改變其剛性。

Tay發動機的低壓渦輪後軸承也採用了拉杆式彈性支座,其結構基本與斯貝的相似,如圖69所示。

GE 公司的E3發動機的核心機中,兩個軸承均採用了拉杆式的彈性支座,圖70、圖71分別示出其前支座(滾珠軸承)與後支座(滾棒軸承)的結構。

E3核心機前支點的彈性支座中,有34 根加工成雙錐型(前、後直徑大、中間直徑小)的拉杆,其總彈性係數為525.4kN/cm 。 拉杆做成錐形的是為了將高應力區從應力集中係數較高的兩端移到桿的中間。

限幅環的限幅間隙為0.506mm,在拉杆撓曲為0.506mm 時桿條中的最大應力低於拉杆材料 Margge250的持久極限值。

圖69、Tay低壓渦輪後軸承彈性支座

如圖70所示,在彈性支座外還做有具有5層薄環的擠壓油膜。五層薄環間以及薄環與機匣、薄環與彈性支座間均留有間隙,總間隙為1.173~1.326mm,中間通以滑油。

E3核心機後支點的彈性支座類似於其前支點的彈性支座,也是拉杆式的如圖71所示,共有34根錐形桿條,限幅環的限幅間隙也是0.506mm,但它沒有採用擠壓油膜。

4.2.4 折返式拉杆彈性支座

在20世紀80年代發展的一些發動機中,廣泛地採用了折返式的拉杆彈性支座,它的設計思想類似前述的J100發動機後軸承彈性支座(圖65)的設計思想,即採用彈性支座後不增加發動機長度。

由前述的各種鼠籠式或拉杆式彈性支座看,彈性支座安裝邊(也即固定軸承的機匣)與軸承間有一較長的距離。在發動機轉子長度一定時,發動機長度勢必加長,這也是為什麼20世紀70年代發展的發動機不採用彈性支座的原因之一。採用折返式彈性支座時,固定軸承的機匣(也即彈性支座安裝邊處)與軸承基本在同一軸線位置上。這樣,不僅不會增加發動機長度,而且也便於對已投入使用的發動機在改型時能方便地增裝彈性支座。

圖72中示出了 V2500等發動機高壓壓氣機前支點採用的彈性支座示意圖,它是典型的折返式拉杆彈性支座,彈性支座是由向後伸的承力錐體5、多根長螺桿4與安裝軸承的軸承座3組成。

螺桿4在後端插焊於承力錐體中,前端用螺帽將軸承座3擰緊在一起,組成一整體的彈性支座,用承力錐體的前安裝邊固定於機匣上,機匣的內圓作為限幅環,中間通以滑油形成擠壓油膜,為避免滑油大量外泄,軸承座兩側均裝有封嚴漲圈。 因此,這種支座是帶擠壓油膜的折返式拉杆彈性支座,類似這種結構已用於PW2037、PW4000和F100 PW 229等發動機中。

圖72、帶擠壓油膜的折返式彈性支座示意圖

圖59為PW2037發動機高壓壓氣機前支點的帶擠壓油膜的折返式拉杆彈性支座,它的結構基本同於 V2500。

PW2037發動機風扇後的滾珠軸承,在設計中採用了通常的剛性支座,如圖73(a)所示,但在使用中,特別是在使用時間很長後,低壓轉子的振動值會增加,為此希望在該支點處採用彈性支座。在改型中,發動機各部件、組件的沿長度方向的位置不能動,這時,採用折返式的彈性支座就較容易地實現改型,圖73(b)示出了改裝彈性支座後的結構。

圖73、 PW2037風扇後(1號)支點

4.3 帶擠壓油膜的彈性支座

在大多數彈性支座中,將限幅環的限幅間隙中通以滑油並在兩端加以封嚴形成擠壓油膜,這樣,使限幅環起到了兩個作用,使發動機振動可以降低更多。這種帶擠壓油膜的彈性支座不僅可以改變轉子支承剛性,使轉子變為柔性轉子,而且還可利用擠壓油膜來減小外傳的振動,因而被大多數發動機採用。

由現有資料看,只有羅·羅公司研製的斯貝發動機、Tay發動機中採用的彈性支座沒有加擠壓油膜(每型發動機均有兩個支點採用彈性支座)。

其他一些發動機,例如J69、J100、PW2037、PW4000、V2500、GE90、T65和 T72等發動機中,TM333、TM319等燃氣發生器轉子中,RTM322、T700和 CT7等發動機的燃氣發生器、動力渦輪中均採用了帶擠壓油膜的彈性支座。圖74、圖75和圖76分別示出了 CT79渦槳發動機燃氣發生器轉子前支點(軸流壓氣機前)、後支點(離心壓氣機與渦輪間)和燃氣發生器前支點(圖34中的5號支點)所採用的帶擠壓油膜的彈性支座的結構圖。

4.4 滾珠軸承與滾棒軸承並列作為一個支點

發動機轉子的止推支點(即承受轉子軸向負荷的支點)處一般均採用一個滾珠軸承或兩個並列的滾珠軸承(當轉子的軸向負荷較大時),該滾珠軸承除受軸向負荷外,還要承受徑向力,與單純作為傳遞徑向力的支點(滾棒軸承)相比,它的工作條件惡劣得多。

因此,在設計時,需將軸承的直徑系列選得較重,即在同一個轉子上,滾棒軸承的直徑系列如選用特輕系列,則滾珠軸承需用輕系列;如滾棒軸承用超輕系列,則滾珠軸承需用特輕系列,以加大滾珠軸承的尺寸,增大它承受載荷的能力,但即使如此,滾珠軸承仍然易於出現故障。

圖76 、CT7 9動力渦輪轉子前支點帶擠壓油膜的彈性支座

例如 CFM56 3發動機在1989年中發生過32起空中停車事件,其中由於高壓轉子滾珠軸承出現故障引起的就有11起,佔總的空中停車原因的34%。

又如CFM56 3在1986年1月到1992 年12 月的6 年時間內,由於該軸承損壞而引起的空中停車事件占各種原因引起空停的25%,在各種原因中名列首位。

為此,在它的改型CFM565中,在該軸承後側增加一滾棒軸承如圖77所示,用滾棒軸承來承受徑向負荷,滾珠軸承僅承受軸向載荷。因此可將原來的滾珠軸承負荷大大降低,改善了它的工作條件。

為了能確保在滾珠軸承與滾棒軸承並列時,滾珠軸承只承受軸向負荷,一定要採取措施防止轉子的徑向負荷通過它傳出,一般可以採用將滾珠軸承外環與機匣配合

處選用較大的間隙配合,而滾棒軸承則用緊度與機匣配合;或則將滾珠軸承支承於剛性小的彈性支座中,滾棒軸承支承於剛性大的支座中,在CFM56 5中即採用了後一種措施,如圖77所示。

在CF6 80C2發動機的高壓壓氣機後止推支點處,也採用了滾珠軸承與滾棒軸承並列的結構,如圖78所示,其滾珠軸承也是支承於彈性支座的。

GE90發動機高壓壓氣機前支點(參見圖52)也採用了滾珠軸承與滾棒軸承並列的結構,且二者均支承於彈性支座中,但滾珠軸承用彈性支座剛性較滾棒軸承用的彈性支座的剛性小。

滾珠、滾棒二軸承並列使用時,還可使工作時轉子與機匣間的間隙特別是葉尖間隙較均勻,使發動機性能較好。這是因為當單獨採用滾珠軸承作為一個支點時,滾珠軸承有點像個萬向接頭,因而可能會使轉子作自轉轉動外還會有一個繞中心旋轉的迴轉運動,使葉尖間隙沿圓周不均勻,當增加一個滾棒軸承後,會限制這種迴轉運動。

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