航空发动机主轴轴承应用技术/航空发动机基础与教学丛书

第1章航空发动机转子支承方案 【学习要点】 掌握：航空发动机转子支承方案的分析方法；止推支点的位置要求。 熟悉：单转子发动机常用的几种支承方案及其优缺点。 了解：发动机总体结构设计的一般要求。 在航空燃气涡轮发动机中，压气机(或风扇)转子与涡轮转子以及联接这些转子的零、组件共同构成了发动机的转子系统。转子通过支承结构支承到发动机的机匣上，同时将转子上承受的气体轴向力、重力、惯性力及惯性力矩等各种负荷传递至机匣，*后由机匣通过安装节传递到飞机结构[1]。 航空发动机转子采用几个支承结构(简称支点)、何种支点形式、支点安排在何处，是在转子支承方案设计时需要解决的问题。转子支承方案决定了发动机转子支点的数量、类型和位置，因此也决定了主轴轴承在发动机上的数量、类型和安装位置。通过转子支承方案可以初步了解主轴轴承在发动机总体结构中的地位和作用。 转子支承方案对航空发动机的总体性能有很大的影响，包括发动机的复杂程度、重量、振动特性、性能衰退等。在发动机总体设计时，应从性能、重量、可靠性、结构复杂程度、性能衰退率等多方面进行综合考虑，不仅要保证转子的横向刚性，能够可靠地承受转子的负荷，还应使发动机的结构简单、装拆方便。 在研究转子支承方案时，通常习惯将复杂的转子简化成能表征其支承特点的转子支承方案简图，在简图中用小圆圈表示支点处的滚珠轴承，小方块表示滚棒轴承。其中，滚珠轴承可以同时承受轴向和径向载荷，滚棒轴承仅能承受径向载荷。同时，为了表示发动机转子支点的数目和位置，在转子支承方案表述中常用两条前后排列的横线分别代表压气机转子和涡轮转子，两条横线前后及中间的数字代表支点的数目。例如，130的转子支承方案，表示压气机转子前有一个支点，压气机与涡轮转子之间有三个支点，涡轮转子后没有支点，即压气机后一个支点，涡轮盘前轴上有两个支点，整个转子支承在4(1+3+0)个支点上。 目前，大推力涡轮风扇发动机几乎全部都是多转子结构，但是在转子支承方案分析时，通常将每一个转子视为一个单转子发动机。因此，为了方便，本章先分析单转子发动机的转子支承方案，再分析多转子发动机，*后分析涡轴和涡桨发动机的一些特殊结构。 1.1单转子支承方案 1.1.1四支点支承方案 图1-1为四支点支承方案，这是早期发动机中采用的支承方案，基于*简单的机械原理和发动机工作机理设计。压气机、涡轮转子均采用两个支点支承，且各自都有承受转子轴向负荷的止推支点(滚珠轴承)，两个转子之间采用浮动套齿A连接，且仅传递扭矩。 图1-1 1-3-0四支点支承方案 该转子的支承方案为1-3-0，压气机转子前、后各有一个支点，承受轴向负荷的止推支点位于压气机前端。由于压气机转子的轴向力通常较大，仅用一个滚珠轴承无法承受，因而多采用并列多个滚珠轴承的方式(此处为三个)。涡轮转子的轮盘前有两个支点，由于靠近涡轮盘处的温度较高，因此将仅承受径向载荷的滚棒轴承置于此处，而将承受轴向负荷的止推支点置于前端。由于涡轮向后的轴向力较小，因此涡轮转子的止推支点只用一个滚珠轴承即可[2]。 这种支承方案从结构设计到装拆等都比较简单，但是涡轮、压气机转子的轴向负荷需要分别由各自的止推支点承受。在空气流量与增压比稍大一些的发动机中，由于两个转子特别是压气机转子的轴向负荷很大，导致该方案无法采用，因此该方案只在早期的一些小推力发动机中采用过。 很容易想到，由于压气机、涡轮转子的轴向负荷方向相反，因此在结构设计时可以使二者的轴向负荷相互抵消一部分。如图1-2所示的支承方案就是一种修正的四支点支承方案。在该方案中，用于连接压气机和涡轮转子的联轴器不仅传递扭矩而且传递轴向负荷，因此仅需一个止推支点来承受两个转子所受轴向负荷的差值，如图1-2所示，止推支点置于压气机后，构成了1-3-0的支承方案。由于两个转子的四个支点很难同心，因此要求联轴器能够在两个转子轴心不同轴(即不同心)的情况下也能适应。 图1-2修正的1-3-0四支点支承方案 这种支承方案虽然比前一方案好一些，但它的支点数目仍很多(4个)。因此，除J47发动机采用过外，很少被其他发动机采用。需要注意的是，在苏(俄)制第三代大推力涡扇发动机АЛ-31Ф(用于苏27系列飞机)中，低压转子也采用了该支承方案(图1-3)。这是由于该发动机的高压涡轮后轴通过中介轴承支承在低压涡轮轴上，为了保证高压转子能够平稳地工作，受加工工艺限制，只能将低压涡轮支承在两个支点上。 图1-3АЛ-31Ф发动机的转子支承方案 1.1.2三支点支承方案 图1-4为WP6发动机的转子支承方案，这是一种典型的三支点支承方案。在此方案中，压气机转子前后各用一个支点，涡轮轴前端通过联轴器与压气机转子连接，涡轮盘前有一个支点，构成120支承方案。联轴器不仅传递扭矩、轴向力，同时也作为涡轮转子的前支点(即传递径向力)。压气机转子前支点与中支点在一直线上，中支点与后支点也在一直线上，两根轴线之间允许有一定的偏斜角，即当涡轮支点与前两个支点的轴线不同轴时，涡轮轴通过联轴器仍能正常工作，因此要求联轴器做成铰接形式，不承受弯矩。 图1-4WP6发动机转子支承方案(1-2-0支承方案) 该支承方案不仅只有一个支点承受轴向负荷，需承受的轴向负荷较小，而且每个转子都支承在两个支点上，刚性较好，所以在单转子发动机中得到了广泛应用。 在上述支承结构中，涡轮转子处于悬臂状态，由于涡轮轮盘及叶片等结构重量较大，易造成转子弯曲变形。因此当发动机的涡轮级数较多时，为了改善涡轮转子的支承，可以采用如图1-5所示的1-1-1三支点支承方案。 图1-51-1-1三支点支承方案 由于三个支点很难做到同心，因此在绝大多数发动机中，涡轮与压气机转子间均采用柔性联轴器。但是，随着加工工艺的提高，在一些新型大涵道比涡扇发动机中，风扇或低压压气机转子仍采用了带刚性联轴器的三支点支承方案，图1-6为PW4000发动机低压转子的联轴器结构。 图1-6PW4000发动机的低压涡轮轴与低压压气机转子的刚性联接 在三支点支承方案中采用刚性联轴器需要加工精度达到极高的水平，才能保证转子的三个支点与机匣均达到高的同轴心度。由于采用刚性联轴器可以使涡轮转子与机匣之间始终保持较均匀的径向间隙，从而获得较高的效率，特别是对于采用中介支点的发动机优势明显，因此随着加工技术的提高，这种低压转子三支点支承方案已在大多数双转子发动机中得到广泛应用，如CFM56、PW2037、 V2500等。 1.1.3二支点支承方案 当发动机的压气机级数较少、燃烧室轴向尺寸短、转子跨度小且转轴足够粗时，转子的刚性足够强，因而可以将压气机转子与涡轮转子刚性地连接成一体，组成一个整体转子，此时转子只需要支承在两个支点上，形成二支点支承方案。这种设计可以显著地简化发动机结构，减少承力构件，进而减轻发动机重量。 图1-7～图1-10给出了多种二支点支承方案，不同的支点配置组成了不同的转子承力系统，可以根据需要和结构空间选择布置。 图1-7 1-0-1二支点支承方案 图1-8 1-1-0二支点支承方案 图1-9 0-2-0二支点支承方案 图1-10 1-0-1二支点支承方案 一般情况下，两支点的支承方案可以采用1-1-0的形式，如图1-8所示。如果压气机的轴向尺寸很短，且其重心接近支点，则可以采用0-2-0的形式。例如，在图1-9所示的转子系统中，压气机转子与涡轮转子均处于悬臂状态，但由于压气机为一级单面离心式，压气机重心接近支点，两个转子悬臂的弯曲力矩都不大，对转子也不会造成较大的挠曲变形，因此可以采用0-2-0的支承方案。在这种方案中，虽然轴的直径受轴承尺寸限制而不能加大，但由于两个支点距离较短，因而一定程度上保证了转子的刚性。 如果压气机和涡轮转子的级数较多，两个转子的轴向尺寸都很长，转子悬臂的弯曲力矩太大，就不能采用020或1-1-0的支承方案，而只能采用1-0-1的支承方案，如图1-7和图1-10所示。此时，压气机转子和涡轮转子都没有悬臂结构，整个转子纵向刚性较好。由于涡轮前及压气机后都没有支承，因此不再受轴承尺寸的约束，可以采用大直径的鼓轴，并使用刚性连接，以加强转子的刚性。该方案的不足之处在于，支点间的距离较大，而且由于涡轮后支点处于高温燃气包围之中，冷却润滑的管路需要从高温区域穿过，在支承结构中需要增加隔热和散热措施，结构会较为复杂。 综上，对于由单级离心压气机和单极涡轮组成的转子，可采用0-2-0支承方案；如果空气流量较大，为了获得较好的刚性，可采用1-0-1的支承方案；涡桨、涡轴发动机则广泛采用图1-9和图1-10的方案。 在多转子发动机中，为了减少支点数目、简化结构，高压转子大多也会采用二支点支承方案。其中，普惠公司的军用、民用发动机F100、PW2037、JT9D和PW4000的高压转子采用了1-1-0的二支点支承方案；GE公司的发动机高压转子则多采用1-0-1的二支点支承方案；我国WP7、WP13发动机的高压转子则采用了0-2-0的二支点方案。 1.2多转子支承方案 1.2.1多转子涡扇发动机 现代军用、民用大推力涡扇发动机几乎全部采用多转子结构，发动机中转子数多、支承数目多，而且低压转子要从高压转子中心穿过，发动机结构非常复杂。在转子支承方案分析时，通常将发动机的各个转子(低压、中压和高压转子)分割开，每个转子分别按照一个单转子发动机的方法进行处理，然后再根据刚性、传力、装拆、结构(包括滑油系统、轴承支承)等多方面因素进行综合考虑。在后文中会详细介绍多型国内外主要军、民用发动机的转子支承方案和支承结构，在此不再一一赘述。 与单转子发动机的另一个不同点是，在多转子发动机中会有些支点不直接支承在承力机匣上，而是“骑跨”在另一个转子上，通过另一转子的支点将负荷向外传递。由于这个支点介于两个转子之间，因此称为中介支点(或称轴间支点、轴间中介支点)[3]。 中介支点的轴承称为中介轴承或轴间轴承。采用中介支点可以大幅缩短发动机长度，减少承力机匣，对减轻发动机重量具有显著的效果。但是，轴间轴承的润滑、冷却和封严结构非常复杂，轴承的工作条件也较差，对发动机转子的加工和装配精度要求也较高。如果中介轴承为滚珠轴承，其装拆也会比较困难。但由于前述的优点非常突出，因此中介支点在多转子发动机中仍然被广泛采用。 1.2.2涡桨发动机 大多数涡桨发动机采用的也是多转子结构，但因其动力涡轮轴输出的功率需要通过减速器带动螺旋桨，因此涡桨发动机的转子支承方案与多转子涡扇发动机存在一些差异。 图1-11为某型涡桨发动机的转子支承方案简图，燃气发生器转子由单级轴