陈光/文
3.1.2二支点支承方案
将压气机转子与涡轮转子刚性地连接成一体,组成了发动机(或高压转子)整体转子,此时转子只需支承两个支点上,形成了二支点支承方案。在一些老式的单转子发动机或小型发动机中,曾广泛采用过这种方案,图16、图17、图18、图19、图20和图21示出了各种二支点支承方案。
涡桨、涡轴发动机中广泛采用图18、图19和图20的方案。在图16、图19和图20中的 10 1支承方案中,压气机转子、涡轮转子均无悬臂结构,整个转子纵向刚性较好,但支点间距离较大。图17、图18所示的11 0与0 2 0支承方案中,两个支点距离较近,但转子悬臂支承,且为了安装轴承,压气机与涡轮间的轴只能作成小直径的,转子纵向刚性较差。
在多转子发动机中,为了减少支点数目,简化结构,高压转子多作成二支点的,图21即为普惠公司军民用发动机F100、PW2037、JT9D和PW4000高压转子中采用的1 1 0的二支点支承方案,GE公司发动机中的高压转子则多采用1 0 1的二支点的支承方案,WP7、WP13发动机的高压转子也采用0 2 0的二支点方案。
3.1.3 三支点支承方案
在大多数单转子发动机以及多转子的低压转子中,多采用三支点支承方案。
图22所示WP6发动机支承方案即为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,涡轮盘前有一个支点,成为1-2-0 支承方案,涡轮轴前端通过联轴器与压气机转子连接。
图22、WP6发动机转子1-2-0支承方案
在此,联轴器不仅传递扭矩、轴向力,而且也作为涡轮转子的前支点(即传径向力);当涡轮支点与前两个支点的轴线不同轴线时(实际上如不采取特种的精加工方法很难做到同轴线),涡轮轴还要求通过联轴器能正常地工作。
因此,要求联轴器作成铰接形式,使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,二轴线间允许有一个偏斜角。这种支承方案,不仅只有一个支点承受轴向负荷,承受的轴向负荷较小,而且每个转子均支承于两个支点上,相对刚性较好,所以得到广泛使用。
当涡轮级数较多时,为了不使涡轮转子外悬过多,可以采用如图23所示的1 1 1支承方案。
在三支点支承方案中,三个支点很难做到同心。因此,绝大多数发动机中,涡轮与压气机转子间的联轴器采用柔性联轴器。
但是在一些新型的高涵道比涡轮风扇发动机的低压转子中,虽然采用了三支点支承方案,但联轴器却作成刚性的,图24所示为PW4000发动机低压转子的支承方案,即采用了刚性联轴器的0-2-1的三支点支承方案。
这样,可使涡轮转子与机匣间能始终保持较均匀的径向间隙,能获得较高的效率;特别是有些发动机,例如 CFM56,它的高压转子后支点是支承于低压转子上即采用中介支点,在这种方案中如联轴器采用柔性的,将会使高压转子特别是涡轮端的径向间隙在圆周上变化很大,对涡轮工作非常不利。低压转子采用刚性联轴器能克服上述问题。
但是,在三支点支承方案中采用刚性联轴器,要求加工精度大大提高,才能保证转子、机匣的三支点均达到高的同轴心度,否则,无法采用刚性联轴器。
图24所示的低压转子支承方案,在新一代双转子发动机中得到广泛采用,例如CFM56、PW2037和 V2500等的低压转子均采用了这种结构。
3.2 多转子支承方案
多转子(双转子、三转子)发动机中,转子数多,支承数目多,而且低压转子要由高压转子中心穿过,使结构复杂,但原则上可以将发动机的各个转子(低压、中压和高压转子)分割出来,每个转子按前述方法,分别进行处理。
与单转子发动机不同的另一点是,有些支点,不直接安装在承力机匣上,而是装在另一个转子上,通过另一转子的支点将负荷外传。由于这个支点是介于两个转子之间的,所以称为中介支点(或称轴间支点)。
中介支点的轴承则称中介轴承或轴间轴承。在发动机中,采用中介支点,可使发动机长度缩小,承力机匣数减少。但是轴间轴承的润滑、冷却和封严要复杂些,轴承的工作条件也较差,如果中介轴承为滚珠轴承,装拆也比较困难。
但由于有前述的优点,目前,中介支点在多转子发动机中广泛地得到采用,连一向不采用中介支点的普惠公司(它的军民用发动机中一直不采用中介支点),在1995年提出的、为100座支线客机发展的PW6000也采用了带中介支点的,如同 CFM56 的支承方案;该公司为第4代战斗机F22研制的F119发动机中也采用了中介支点。
3.2.1 JT9D发动机转子支承方案图25示出了JT9D高涵道比涡扇发动机的转子支承方案,该发动机长度较大,由风扇前安装边到涡轮后轴承机匣后安装边的长度为3.38m,如此长的发动机转子,支承方案却采用了较简单的形式,低高压转子各支承于两个支点上,低压转子为01 1方案,高压转子为 11 0方案。
四个支点支承于三个承力框架上,无中介支点,因而结构简单,但却需要有近3m长的低压轴,该轴加工十分困难。另外在使用中发现低压转子二支点相距太远,转子纵向刚性较差,易于变形而造成转子与机匣相碰磨,使发动机性能衰退率高。
图25 、JT9D发动机转子支承方案
3.2.1 PW4000发动机转子支承方案
PW4000是普惠公司在JT9D 的基础上改进发展的,由于JT9D 低压转子采用二支点后带来前述的缺点,在PW4000上在风扇轴后端增加了一个支点,使低压转子形成0 2 1支承方案,用以增加低压转子的纵向刚性。这种方案除用于PW4000外,还用于 PW2037、V2500发动机中,如图26所示。
图26 、PW4000发动机转子支承方案
不论是JT9D,还是PW4000,高压转子的后支点均置于高压压气机与高压涡轮间,由于受到轴承内径的限制,压气机后轴只能作得较细,使转子刚性变弱,且双级高压涡轮是悬臂支承的,因而对工作不利,但这是普惠公司的传统作法,它的军用发动机 F100也采用了这种结构。
3.2.3 WP7发动机转子支承方案
WP7发动机是双转子发动机中级数最少的,如图27所示,高低压压气机各三级,高低压涡轮各一级。低压转子采用1 2 0方案,高压转子采用02 0方案。为了减少支承轴承的承力构件数,采用了两个中介支点(2,5号支点),即低压转子的后两个支点均支承于高压转子内,其负荷均通过高压转子的支承点外传。
这种结构虽使发动机长度缩短,总体结构简单,但高压转子工作时的振动、变形会影响低压转子的工作。在 WP7中,高压转子的轴短而直径大,刚性较好,因而对低压转子的影响可以减少。另外,由于高压压气机与高压涡轮级数少,所以压气机、涡轮均悬臂地支承着,成为0 2 0的支承方案,这种方案与1 0 1方案比,可缩短发动机长度。低压转子的前支点不像一般发动机装在第1级轮盘前,而是装于1,2级轮盘间。轴承的负荷通过1级压气机的整流叶片外传,这样可以省去带径向支板与内锥的进气机匣。因此,这种支承方式也被无进口导流叶片的 WP13、WP15发动机采用。
图27、 WP7发动机转子支承方案
WP7发动机的支承方案中,还有一个特点,那就是三处支点的负荷均通过静子叶片(1,2, 3号轴承)或叶片内的承力件(4,5号轴承)外传的,没有采用另外的承力机匣,进一步缩短了发动机的长度与简化了总体结构。
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