陳光/文

3.2.12F100發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案

圖39示出F100發(fā)動(dòng)機(jī)簡圖。由圖39可以看出,它的高壓轉(zhuǎn)子采用的1 1 0支承方案同于JT9D(圖25)、PW4000(圖26)的,這是普惠公司慣用的設(shè)計(jì),它的 PW2037、V2500均采用了這種支承方案。低壓轉(zhuǎn)子由于有風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)流葉片,因而采用了F110、F404等軍用發(fā)動(dòng)機(jī)慣用的1 1 1式三支點(diǎn)支承方案。

整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)無中介支點(diǎn)。因而承力構(gòu)件比采用中介支點(diǎn)的F110、F404的多1個(gè)即4個(gè)。

圖39、F100發(fā)動(dòng)機(jī)簡圖

3.3 渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案

3.3.1 某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案

圖40示出某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案簡圖,燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子由單級軸流壓氣機(jī)、單級離心式壓氣機(jī)與雙級渦輪組成,支承于三個(gè)支點(diǎn)上,其中,1號、2號支點(diǎn)均為滾珠軸承,裝于軸流葉輪與離心葉輪間,3號支點(diǎn)為滾棒軸承,因此其支承方案為2’0 1(用2’表示在軸流葉輪與離心葉輪間有兩個(gè)支點(diǎn))。三個(gè)軸承均裝在彈性支座中。

1號、2號支點(diǎn)同時(shí)采用滾珠軸承是為了共同承擔(dān)壓氣機(jī) 渦輪聯(lián)合轉(zhuǎn)子的軸向力,為使它們在工作中能均衡軸向力,在裝配軸流轉(zhuǎn)子時(shí)cf6軸承,對其彈性支座施加780N的軸向預(yù)緊力。動(dòng)力渦輪支承于渦輪盤后的兩個(gè)剛性支點(diǎn)(4,5號)上,其中5號支點(diǎn)由雙排滾珠軸承組成。動(dòng)力渦輪軸輸出端與減速器傳動(dòng)軸左端以套齒軸相連,傳遞扭矩。螺旋槳軸支承于兩個(gè)支點(diǎn)上。

圖40、某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承簡圖

3.3.2 CT7渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案

圖41示出了CT7渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案簡圖,整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子支承于六個(gè)支點(diǎn)上,其中輸出軸支承于1號、2號支點(diǎn);燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子支承于3號、4號支點(diǎn)上,為11 0支承方案;低壓渦輪轉(zhuǎn)子在輪盤后有兩個(gè)支點(diǎn)(5號,6號),渦輪軸前端藉外套齒伸入到輸出軸,與其內(nèi)套齒相嚙合,作為其前支點(diǎn),為1(套齒嚙合處)2支承方案。

在這些支點(diǎn)中,1號支點(diǎn)為加了軸向預(yù)載的兩個(gè)滾珠軸承,3號、6號為滾珠軸承,分別承受燃?xì)獍l(fā)生器與動(dòng)力渦輪的軸向負(fù)荷;2,4,5號滾棒軸承均支承于彈性支座上。

圖41、CT7渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承簡圖

3.3.3 渦槳6渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案

圖42示出了渦槳6渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)簡圖。渦槳6發(fā)動(dòng)機(jī)屬單軸式結(jié)構(gòu),即3級渦輪既驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子又通過減速器驅(qū)動(dòng)螺旋槳。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案為1 2 0。

圖42、渦槳6渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)簡圖

轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子均用滾動(dòng)軸承支承于機(jī)匣內(nèi),在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的最初階段,軸承均直接裝于固定在機(jī)匣上用于固定軸承的襯套中。

但在20世紀(jì)60年代,由于發(fā)動(dòng)機(jī)壽命要求越來越長吊車公司,要求發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)振動(dòng)小,于是有些發(fā)動(dòng)機(jī)在軸承外環(huán)與襯套間留有間隙,間隙內(nèi)充滿潤滑用的壓力滑油,形成擠壓油膜;

有些發(fā)動(dòng)機(jī)軸承不直接固定于機(jī)匣上,而裝在一個(gè)稱為彈性支座的剛性較低的襯套中,襯套再固定于機(jī)匣上;

通常還將彈性支座與限幅環(huán)間的間隙中,充以滑油,形成了帶擠壓油膜的彈性支座。擠壓油膜、彈性支座、帶擠壓油膜的彈性支座很快地得到推廣。但是,到了20世紀(jì)70年代發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)又都不采用這些結(jié)構(gòu),20世紀(jì)80年代這些技術(shù)措施又在發(fā)動(dòng)機(jī)中相繼予以采用,得到更大的發(fā)展,并已成為降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng),提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的一項(xiàng)主要措施。

在大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)中,滾珠軸承均是單獨(dú)使用的,當(dāng)轉(zhuǎn)子軸向負(fù)荷較小時(shí),采用1個(gè)滾珠軸承,當(dāng)轉(zhuǎn)子軸向負(fù)荷較大時(shí),采用2個(gè)甚至3個(gè)滾珠軸承并列作為1個(gè)支點(diǎn)。

在一些新研制的發(fā)動(dòng)機(jī)中,有的在滾珠軸承側(cè)增加1滾棒軸承,讓滾棒軸承承受徑向負(fù)荷,而滾珠軸承僅承受軸向載荷,以減輕滾珠軸承的負(fù)荷。

下面將分別分析這些特殊的支承結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

圖43、RB211擠壓油膜減振器

4.1 擠壓油膜

4.1.1 擠壓油膜應(yīng)用概述

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),轉(zhuǎn)子的不平衡力通過支承結(jié)構(gòu)傳給機(jī)匣,使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。因此,原則上可以在軸承與支承結(jié)構(gòu)間設(shè)置減振器,減小外傳的振動(dòng)負(fù)荷與振幅,降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。

1962年,羅·羅公司的S.Cooper發(fā)表了利用擠壓油膜阻尼減振器降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,開創(chuàng)了在發(fā)動(dòng)機(jī)中采用擠壓油膜的新紀(jì)元。所謂擠壓油膜阻尼減振器(簡稱擠壓油膜),就是將軸承外環(huán)以一定間隙裝入機(jī)匣上固定軸承的軸承套筒中,在間隙中通以潤滑系統(tǒng)中的壓力滑油,形成油膜,如圖43所示。

軸承的外傳負(fù)荷通過油膜后再外傳至機(jī)匣,其工作原理簡單地可以看成是一般的液壓減振器或緩沖器。軸承在轉(zhuǎn)子不平衡力作用下,外環(huán)向不平衡力作用的方向移動(dòng)擠壓油膜,在液體動(dòng)力的作用下,外環(huán)的移動(dòng)受到阻礙,同時(shí)滑油吸收了外環(huán)運(yùn)動(dòng)的能量也即振動(dòng)能量的大部分,從而使傳到機(jī)匣的振動(dòng)值大大降低。另外,采用擠壓油膜后,還改變了轉(zhuǎn)子的支承剛性。

Cooper的研究成果很快用在發(fā)動(dòng)機(jī)上,當(dāng)時(shí)羅·羅公司研制的用于軍用飛機(jī)的康維發(fā)動(dòng)機(jī),將被旅客機(jī)采用,這時(shí),要求降低發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng),以提高發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)的壽命以及為旅客提供一種低振動(dòng)的舒適環(huán)境。

為此,將高壓渦輪軸承外環(huán)與機(jī)匣安裝套筒間通以滑油形成擠壓油膜,發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)振動(dòng)明顯下降,在80%高壓轉(zhuǎn)速下,發(fā)動(dòng)機(jī)振幅由0.13mm降為0.0465mm,降低了64%。由于這種降低振動(dòng)的措施,減振效果好,結(jié)構(gòu)簡單,所以很快被一些發(fā)動(dòng)機(jī)采用。

首先,羅·羅公司在它所研制的發(fā)動(dòng)機(jī)以及在役的發(fā)動(dòng)機(jī)中采用了擠壓油膜。圖43即為RB211(1972年投入使用)的滾棒軸承采用擠壓油膜的典型結(jié)構(gòu),圖44示出RB211高、中壓渦輪軸承處采用擠壓油膜以及滑油通路的結(jié)構(gòu)圖。

羅·羅公司的另一發(fā)動(dòng)機(jī)威派爾原來是一種短壽命、靶機(jī)用的發(fā)動(dòng)機(jī),后改為教練機(jī)、輕型民用飛機(jī)的動(dòng)力,也采用了擠壓油膜來減振,圖45示出其壓氣機(jī)前滾珠軸承采用擠壓油膜的結(jié)構(gòu)。羅·羅公司與法國國營航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究制造公司(SNECMA)共同研制的、用于協(xié)合式超音速客機(jī)的奧林普斯593發(fā)動(dòng)機(jī)的全部軸承均用了擠壓油膜。

圖44、 RB211高、中壓渦輪軸承結(jié)構(gòu)

美國也很快將擠壓油膜用于發(fā)動(dòng)機(jī)中,例如20世紀(jì)60年代發(fā)展的J69發(fā)動(dòng)機(jī)上,軸流轉(zhuǎn)子的后軸承處就采用了擠壓油膜,如圖46所示。

1969年投產(chǎn)的JT8D發(fā)動(dòng)機(jī)在1、6號滾棒軸承處采用擠壓油膜也得到了較好的效果,圖47、圖48分別示出了它的結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)結(jié)果。由圖48可以看出,在發(fā)動(dòng)機(jī)各種轉(zhuǎn)速下,均使振幅有較大的降低,特別是在5000r/min時(shí),振幅降低幾乎接近100%。

由于擠壓油膜中的滑油吸收了振動(dòng)能量,滑油的溫度有所增加,因而使軸承的外環(huán)溫度增高。在JT8D的試驗(yàn)中,當(dāng)轉(zhuǎn)子不平衡度為490g·cm,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為8000r/min時(shí),進(jìn)油溫度為93.3 ℃下,油膜阻尼器不起作用時(shí),軸承外環(huán)溫度為100 ℃,油膜阻尼器起作用時(shí),軸承外環(huán)溫度為104.4 ℃即是明證。

T64的燃?xì)獍l(fā)生器采用擠壓油膜后,在所有工作狀態(tài)下,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)都較平穩(wěn),最佳情況下可使振動(dòng)減小60% 。另外,T65、T72 等20 世紀(jì)60 年代的發(fā)動(dòng)機(jī)上也都采用擠壓油膜。

20世紀(jì)60年代后期到70年代發(fā)展的一些發(fā)動(dòng)機(jī),如F100、JT9D、CF6、F101、F404和 CFM56 等卻沒有采用擠壓油膜,20世紀(jì)80年代發(fā)展的一些發(fā)動(dòng)機(jī)又采用了這一技術(shù)。

例如普惠公司的 PW2037、PW4000,它與其他公司合作研制的 V2500等上,在5號軸承(低壓渦輪后軸承)與3號軸承(高壓壓氣機(jī)前軸承)處采用了擠壓油膜,圖49即為 PW4000的 5號軸承處采用擠壓油膜的結(jié)構(gòu)圖。

圖49、 PW4000低壓渦輪后支點(diǎn)

CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)是20世紀(jì)70年代后期發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī),原設(shè)計(jì)中沒有采用擠壓油膜,但在1989年中,在5號軸承(低壓渦輪后軸承)處改用了擠壓油膜,不僅新生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)改裝,且已在外場使用的發(fā)動(dòng)機(jī)也需改裝。

1989年定型的、由羅·羅公司與法國透博梅卡(Turbomeca)公司聯(lián)合研制的RTM322渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)吊車出租,燃?xì)獍l(fā)生器與動(dòng)力渦輪中各有兩個(gè)軸承采用擠壓油膜。

GE 公司為新一代大型雙發(fā)客機(jī)波音777 研制的,于1995年2 月取得適航證的 GE90 發(fā)動(dòng)機(jī),高壓渦輪后軸承如圖50所示、低壓渦輪后軸承如圖51所示以及高壓壓氣機(jī)前滾棒軸承(與滾珠軸承并列使用,見如圖52所示)均采用了擠壓油膜。

羅·羅公司研制的軍用發(fā)動(dòng)機(jī) RB199的低壓渦輪前滾珠軸承如圖53所示及中壓壓氣機(jī)后滾珠軸承如圖54所示也都采用了擠壓油膜。

蘇制Д36的三轉(zhuǎn)子高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為蘇聯(lián)發(fā)展三轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)Д18T所做的技術(shù)驗(yàn)證機(jī),在完成技術(shù)驗(yàn)證工作后將它改進(jìn)發(fā)展成為用于雅克42客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。

在 Д36發(fā)動(dòng)機(jī)的三個(gè)轉(zhuǎn)子上,共有六個(gè)支點(diǎn),其中,風(fēng)扇后滾珠軸承,高壓渦輪、中壓渦輪和低壓渦輪的滾棒軸承上都采用了擠壓油膜cf6軸承,高、中壓壓氣機(jī)前滾珠軸承則采用了帶擠壓油膜的彈性支座,也即 Д36發(fā)動(dòng)機(jī)全部軸承都采取了減振措施。圖55、圖56分別示出了 Д36中壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)滾珠軸承支承結(jié)構(gòu)。

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