代鈺

（中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108）

商用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承應(yīng)用淺析

代鈺

（中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108）

主軸軸承作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，其應(yīng)用方案直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子載荷外傳的路徑，還影響整機(jī)傳力方案設(shè)計(jì)。本文通過(guò)分析典型商用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的應(yīng)用情況，嘗試分析出常見(jiàn)構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承應(yīng)用的最優(yōu)方案。

商用；渦扇；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；主軸軸承

0　引言

從基本構(gòu)型上說(shuō)，現(xiàn)代商用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要有以通用電氣（以下簡(jiǎn)稱GE）公司、普惠（以下簡(jiǎn)稱PW）公司和CFMI公司為代表的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和以羅爾斯羅伊斯（以下簡(jiǎn)稱RR）公司為代表的三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。

一般每個(gè)轉(zhuǎn)子有2～3支點(diǎn)，基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、潤(rùn)滑油消耗少、方便維護(hù)的要求，支點(diǎn)軸承多采用滾動(dòng)軸承，軸承工作時(shí)采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。轉(zhuǎn)子軸向載荷通過(guò)止推支點(diǎn)軸承傳遞至主承力框架，徑向載荷通過(guò)所有支點(diǎn)傳遞至主承力框架，圖1為典型的雙轉(zhuǎn)子商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案。

圖1　典型的雙轉(zhuǎn)子商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案

1　軸承分類

相對(duì)于滑動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承的主要優(yōu)點(diǎn)包括：摩擦阻力小，機(jī)械效率高，容易啟動(dòng)，對(duì)潤(rùn)滑的要求較低；尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，具有互換性，拆裝維修方便；結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，軸向尺寸更小；運(yùn)轉(zhuǎn)精度高，負(fù)載大；適用于大批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率高；可根據(jù)需要靈活地在軸承出設(shè)計(jì)彈性支承及阻尼器等結(jié)構(gòu)。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承主要采用滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承的分類見(jiàn)圖2。

2　典型航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承應(yīng)用分析

2.1雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承應(yīng)用分析

（1）GE90-94B發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承應(yīng)用分析。GE90-94B是GE公司為波音B777-200飛機(jī)配發(fā)研制的雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。其6級(jí)低壓渦輪帶動(dòng)1級(jí)風(fēng)扇和3級(jí)增壓級(jí)；2級(jí)高壓渦輪帶動(dòng)10級(jí)高壓壓氣機(jī)。低壓轉(zhuǎn)子采用0-2-1支承方案，其中1號(hào)支點(diǎn)采用滾珠軸承，為止推支點(diǎn)；2號(hào)、5號(hào)支點(diǎn)采用滾棒軸承。高壓轉(zhuǎn)子采用1-0-1支承方案，3號(hào)支點(diǎn)采用滾珠、滾棒軸承并用方案，為止推支點(diǎn)；4號(hào)支點(diǎn)采用滾棒軸承。轉(zhuǎn)子支承方案見(jiàn)圖3。

圖2　滾動(dòng)軸承分類

圖3　GE90-94B轉(zhuǎn)子支承方案

（2）GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承應(yīng)用分析。GE90-115B是GE公司在GE90-94B基礎(chǔ)上改型設(shè)計(jì)，為波音B777-300飛機(jī)配發(fā)研制的雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。其6級(jí)低壓渦輪帶動(dòng)1級(jí)風(fēng)扇和4級(jí)增壓級(jí)；2級(jí)高壓渦輪帶動(dòng)9級(jí)高壓壓氣機(jī)。低壓轉(zhuǎn)子采用0-2-1支承方案，其中1號(hào)、5號(hào)支點(diǎn)采用滾棒軸承；2號(hào)支點(diǎn)采用滾珠軸承，為止推支點(diǎn)。高壓轉(zhuǎn)子采用1-0-1支承方案，3號(hào)支點(diǎn)采用滾珠、滾棒軸承并用方案，為止推支點(diǎn)；4號(hào)支點(diǎn)采用滾棒軸承。轉(zhuǎn)子支承方案見(jiàn)圖4。

與GE90-94B相比，轉(zhuǎn)子支承方案最大的不同點(diǎn)是低壓轉(zhuǎn)子止推支點(diǎn)的位置由1號(hào)改為2號(hào)。分析其主要原因有以下幾點(diǎn)。

①為配合可失效轉(zhuǎn)子支承技術(shù)的應(yīng)用，即在適航規(guī)定的風(fēng)扇葉片脫落狀態(tài)下，將1號(hào)支點(diǎn)支承錐壁局部減薄處剪斷（見(jiàn)圖5中128位置），2號(hào)軸承內(nèi)側(cè)與風(fēng)扇短軸連接的球面處剪切銷同時(shí)剪斷，讓風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心向其新的重心靠近，從而減小其不平衡載荷，達(dá)到減少傳力路徑上零件重量的目的；

②1號(hào)支點(diǎn)位置采用滾棒軸承，有利于控制風(fēng)扇葉尖間隙；

③2號(hào)支點(diǎn)位置徑向載荷相對(duì)較小，降低了球軸承載荷，提高其工作可靠性。

圖4　GE90-115B轉(zhuǎn)子支承方案

圖5　可失效轉(zhuǎn)子支承技術(shù)示意圖

2.2三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承應(yīng)用分析

目前RR公司的Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)是在其RB211發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的三轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。以Trent800發(fā)動(dòng)機(jī)（應(yīng)用于波音B777飛機(jī)）為例。4級(jí)低壓渦輪帶動(dòng)1級(jí)風(fēng)扇，1級(jí)中壓渦輪帶動(dòng)8級(jí)中壓壓氣機(jī)，1級(jí)高壓渦輪帶動(dòng)6級(jí)高壓壓氣機(jī)。3個(gè)轉(zhuǎn)子采用8支點(diǎn)方案（見(jiàn)圖6）：高壓轉(zhuǎn)子采用1-0-1支承方案，其中5號(hào)支點(diǎn)采用滾珠軸承，為止推支點(diǎn)；6號(hào)支點(diǎn)采用滾棒軸承。中壓轉(zhuǎn)子采用1-2-0支承方案，其中4號(hào)支點(diǎn)采用滾珠軸承，為止推支點(diǎn)；2號(hào)、7號(hào)支點(diǎn)采用滾棒軸承。低壓轉(zhuǎn)子采用0-2-1支承方案，其中3號(hào)支點(diǎn)是采用滾珠軸承的中介支點(diǎn)，為止推支點(diǎn)；1號(hào)、8號(hào)支點(diǎn)采用滾棒軸承。

可以看出Trent800發(fā)動(dòng)機(jī)三個(gè)轉(zhuǎn)子的止推支點(diǎn)相鄰，且支承在同一個(gè)承力框架上。而推力拉桿安裝于此承力框架，這樣保證軸向載荷傳遞路徑最短。

2.3齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承應(yīng)用分析

以PW公司PW1000G系列發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的齒輪傳動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)（GTF發(fā)動(dòng)機(jī)）在傳動(dòng)的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪軸與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子中間增加了一個(gè)減速器。其轉(zhuǎn)子支承方案與傳統(tǒng)構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)也存在較大差異。PW1000G轉(zhuǎn)子采用6支點(diǎn)方案（見(jiàn)圖7）：低壓轉(zhuǎn)子采用0-2-2支承方案，其中1號(hào)支點(diǎn)采用1對(duì)斜置滾棒軸承，承擔(dān)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的軸向、徑向載荷；2號(hào)支點(diǎn)采用滾珠軸承，承擔(dān)低壓壓氣機(jī)-低壓渦輪轉(zhuǎn)子的軸向、徑向載荷；5號(hào)、6號(hào)支點(diǎn)采用滾棒軸承。

圖6　Trent800轉(zhuǎn)子支承方案

圖7　PW1000G轉(zhuǎn)子支承方案

3　結(jié)語(yǔ)

軸承承擔(dān)的轉(zhuǎn)子載荷中，軸向載荷一般高于徑向載荷1-2個(gè)量級(jí)，因此轉(zhuǎn)子的止推軸承工作條件最為惡劣。

為保證止推軸承得到良好的潤(rùn)滑與冷卻，減少高溫對(duì)軸承及滑油的影響，從上述典型的商用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承應(yīng)用來(lái)看，轉(zhuǎn)子的止推軸承全部布置在低溫區(qū)，即靠近發(fā)動(dòng)機(jī)前端位置。從提高推力軸承可靠性的角度，可以考慮在高壓轉(zhuǎn)子止推支點(diǎn)處采用滾珠、滾棒軸承并用方案，以合理分配軸承載荷。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)幾個(gè)轉(zhuǎn)子的推力軸承盡可能靠近，支承在同一個(gè)主承力框架上，以縮短載荷的傳遞路徑，提高結(jié)構(gòu)效率。

［1］ 陳光.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 北航出版社，2006.07.

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1671-0711（2016）08（下）-0089-02