■ 陳光/北京航空航天大學(xué)

幾十年來，大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)在性能、結(jié)構(gòu)等方面有了天翻地覆的改進(jìn)。但其風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計在投入商業(yè)運(yùn)營的前30年（1970—2000年）并沒有太多變化，只是在進(jìn)入21世紀(jì)才出現(xiàn)了重大改變。

發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子支承方案，是指多轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)各個轉(zhuǎn)子的軸承如何安排、軸承載荷如何外傳到機(jī)匣，是發(fā)動機(jī)總體設(shè)計中需要著重處理的重要問題。要從發(fā)動機(jī)性能、質(zhì)量、裝配、加工及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等方面全盤考慮，做出最佳方案。

從JT9D-3A到PW4000

JT9D-3A是第一型民用大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，其轉(zhuǎn)子由單級大直徑風(fēng)扇、3級增壓級、11級高壓壓氣機(jī)、2級高壓渦輪與4級低壓渦輪組成，長約3.2m，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子僅采用4個軸承支承。高壓轉(zhuǎn)子由高壓壓氣機(jī)前的2號支點（滾珠軸承）與高壓壓氣機(jī)后的3號支點（滾棒軸承）支承；風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與低壓渦輪轉(zhuǎn)子組成的低壓轉(zhuǎn)子則由風(fēng)扇后的1號支點（滾珠軸承）與低壓渦輪后的4號支點（滾棒軸承）支承；低壓渦輪的傳動軸（渦輪軸）通過前端的外套齒與風(fēng)扇后軸的內(nèi)套齒相連接，形成剛性的套齒連接器。這種設(shè)計使結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)量少，但由于低壓渦輪軸長達(dá)2.5m左右，技術(shù)要求高，加工難度大，所以在眾多的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)中，僅JT9D采用了這種結(jié)構(gòu)設(shè)計。15年后，普惠公司對剛投入使用的PW4000的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承方式做了重大改進(jìn)，采用了其他大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的支承方式，即在風(fēng)扇后軸的1號滾珠軸承后增加1個滾棒軸承，將風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承在兩個支點上。為了不影響后面3個軸承在公司中的編號，普惠公司將此新增的軸承編號為1.5號。1.5號支承結(jié)構(gòu)如圖1所示，低壓渦輪軸前端的外套齒插到風(fēng)扇后過渡軸后端的內(nèi)套齒中，采用大的擰緊螺栓將二者連接成一體，滾棒軸承裝在過渡軸的后端。

圖1 PW4000風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)

風(fēng)扇后的1號支點采用滾珠軸承

在雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)中，風(fēng)扇盤后的1號支點均采用能承受軸向力的滾珠軸承，這是風(fēng)扇部件安全設(shè)計所要求的。風(fēng)扇不僅是發(fā)動機(jī)中最大的部件，而且處于發(fā)動機(jī)最前端，易受外來物打傷，一旦出現(xiàn)損傷，會對安全飛行造成極大的威脅，因此在設(shè)計風(fēng)扇部件時，須采取3項安全設(shè)計：防止風(fēng)扇葉片由葉根處斷裂后甩出發(fā)動機(jī)的包容環(huán)；防止渦輪傳動風(fēng)扇的傳動軸折斷后渦輪飛轉(zhuǎn)的限轉(zhuǎn)速裝置；防止風(fēng)扇后的傳動軸折斷后帶葉片的風(fēng)扇輪盤甩出發(fā)動機(jī)的阻擋裝置。對于上述安全設(shè)計的最后一項，普惠公司與GE航空集團(tuán)采取了相同的措施。

以典型的PW4000雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)為例，緊靠風(fēng)扇輪盤后端的1號支點采用滾珠軸承，2號支點采用滾棒軸承，當(dāng)傳動軸折斷后風(fēng)扇輪盤會被滾珠軸承留在原位而不會甩出發(fā)動機(jī)，從JT9D到GE90-84B幾乎所有雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)均采用了這種設(shè)計。在此設(shè)計中，為避免軸承工作不正常時所產(chǎn)生的熱量傳給傳動軸，而使傳動軸失去足夠的強(qiáng)度而折斷，通常1號滾珠軸承不直接裝在傳扭的軸上，1號滾珠軸承裝在風(fēng)扇盤后軸的末端，傳扭的套齒在其前面，因此滾珠軸承沒有套在傳扭的過渡軸上，如圖1所示。在有的發(fā)動機(jī)中，滾珠軸承雖然套在傳扭軸上，但軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)徑與傳動軸外徑間加裝了一個供油襯套。例如，CFM56發(fā)動機(jī)的滑油噴嘴對供油襯套供油，滑油流入襯套內(nèi)后經(jīng)過多孔徑向小孔流入軸承內(nèi)環(huán)，進(jìn)行環(huán)下供油。這種設(shè)計是通過軸承內(nèi)環(huán)與傳動軸間的滑油阻擋因軸承不正常工作時向傳動軸傳送過多熱量的措施，被許多發(fā)動機(jī)采用，如圖2所示。

圖2 CFM56風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)

圖3 GE90-94B與GE-115B風(fēng)扇支承結(jié)構(gòu)

GE90-115B的1號 支 點改用大直徑滾棒軸承

GE90-115B曾是世界上推力最大的發(fā)動機(jī)，以其作為動力的波音777-300ER于2004年5月投入航線使用。GE90-115B是由GE90-94B衍生發(fā)展而來，在發(fā)展過程中，其風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的支承結(jié)構(gòu)做了重大改變，即1號支點處改用了大直徑的滾棒軸承，滾珠軸承改裝到2號支點處，如圖3所示。由于風(fēng)扇后錐軸的后端即安裝2號支點處的直徑小，如果將滾珠軸承直接裝在此處，則滾珠軸承的尺寸太小，承受不了載荷。為此，設(shè)計人員在后錐軸的后端安裝了一個帶球頭的外伸軸套，軸承內(nèi)環(huán)裝在外伸軸套中，外環(huán)裝在折返式彈性支座中，如圖4所示。

表1列出了GE90兩型發(fā)動機(jī)支承風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的軸承參數(shù)，從表中可見，滾棒軸承內(nèi)徑由GE90-94B的183mm增加320mm成為503mm，而滾珠軸承的內(nèi)徑變化較小，只減少了39mm。

1號支點不用以前慣用的滾珠軸承，被認(rèn)為可能會影響飛行安全，但從下述幾次發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇傳動軸折斷后，輪盤甩出發(fā)動機(jī)而未對飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成損傷的故障來看，改用大直徑的滾棒軸承并不會對飛機(jī)飛行安全帶來負(fù)面影響。例如，作為L1011“三星”客機(jī)動力的RB211-22B大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，曾在1981年的5月、8月與9月3次出現(xiàn)風(fēng)扇傳動軸折斷的重大故障，因風(fēng)扇后的軸承不是滾珠軸承，帶葉片的風(fēng)扇盤從發(fā)動機(jī)前端脫離發(fā)動機(jī)墜落，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)基本未造成損傷；1982年12月，用于波音747的RB211-524C2也遭遇了類似故障，未對飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成損傷； 2017年9月30日，法國航空公司的一架裝有4臺GP7200發(fā)動機(jī)的空客A380在飛行中，飛機(jī)右機(jī)翼外側(cè)發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子后錐軸處突然斷裂，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子連同飛機(jī)的進(jìn)氣短艙等脫離發(fā)動機(jī)而墜落（如圖5所示），這次嚴(yán)重的發(fā)動機(jī)故障未對飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成損傷。這5起故障說明風(fēng)扇后的1號支點不采用滾珠軸承是可行的，這是因為當(dāng)風(fēng)扇后軸折斷后，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子隨即停轉(zhuǎn)，帶葉片的輪盤自由落體下墜，在下墜過程中拉斷了短艙與進(jìn)氣道，這些被拉斷的部分隨輪盤一起下墜，并不會對機(jī)體造成損傷。

與此同時，風(fēng)扇后1號支點采用滾珠軸承時，當(dāng)風(fēng)扇葉片被外來物打傷后，轉(zhuǎn)子的平衡被破壞，這時轉(zhuǎn)子會偏擺，風(fēng)扇多片葉片葉尖會刮蹭機(jī)匣造成二次損傷，而換用大直徑滾棒軸承（GE90-115B的滾棒軸承內(nèi)徑由GE90-94B的183mm增加到503mm），可以防止轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)。另外，為了減少當(dāng)風(fēng)扇葉片遭外物擊傷后造成轉(zhuǎn)子不平衡帶來的振動外傳，在GE90-115B風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的兩個支點中，均采用了彈性支座（圖4中2號支點處采用的是折返式彈性支座，圖6中1號支點采用的是帶擠壓油膜的彈性支座）。

綜合上述考慮，在GE90-115B以后研制的雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)（如LEAP、GEnx、GE9X與PW6000等），風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)均采用了和GE90-115B相同的結(jié)構(gòu)。

表1 GE90兩型發(fā)動機(jī)1、2號軸承參數(shù)

圖5 飛行中的空客A380發(fā)動機(jī)風(fēng)扇部分墜落

圖6 GE90-115B 1號支點結(jié)構(gòu)

圖7 中壓壓氣機(jī)之后的3個滾珠軸承

RB211與遄達(dá)系列發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子采用特別結(jié)構(gòu)

羅羅公司的RB211與遄達(dá)系列發(fā)動機(jī)均為三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，因此其發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)采用了比GE和普惠公司更為復(fù)雜的設(shè)計。從1972年投入使用的RB211-22B（用于L1011飛機(jī)）到2008年投入使用的遄達(dá)1000（用于波音787），風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)均采用了相同的設(shè)計。

為了使3個轉(zhuǎn)子承受軸向力的滾珠軸承的負(fù)荷由1個承力框架傳出，設(shè)計人員將3個滾珠軸承均置于中壓壓氣機(jī)之后（如圖7所示）。其中，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子后支點（3號）軸承是一個中介軸承，內(nèi)環(huán)裝在風(fēng)扇后軸上，外環(huán)裝在中壓壓氣機(jī)后軸上。另外，緊靠風(fēng)扇轉(zhuǎn)子后的1號支點處只能采用滾棒軸承，當(dāng)風(fēng)扇后軸折斷后，風(fēng)扇輪盤不能保持在發(fā)動機(jī)中，為此，羅羅公司設(shè)計了一套能將風(fēng)扇輪盤保持在發(fā)動機(jī)內(nèi)的保持軸裝置（如圖8所示）。保持軸前端的后端面緊緊靠在風(fēng)扇輪盤盤心的前端面，保持軸的后端的前端面，與低壓渦輪軸前端的擰緊螺帽間保持一定的軸向間隙（圖中A處）。保持軸正常狀態(tài)下不起作用，一旦風(fēng)扇軸折斷，風(fēng)扇輪盤前移，消除了間隙A，使保持軸后端與低壓渦輪前擰緊螺帽接觸，保持軸當(dāng)即限制輪盤繼續(xù)向前移動，將風(fēng)扇輪盤保持在發(fā)動機(jī)內(nèi)。在實際運(yùn)行中還是先后出現(xiàn)了4次風(fēng)扇軸折斷后未能將輪盤保持在發(fā)動機(jī)內(nèi)的事件：1981年的5月、8月與9月，作為L1011飛機(jī)動力的RB211-22B發(fā)動機(jī)，由于1號支點處封嚴(yán)裝置失效，使滑油自燃造成風(fēng)扇軸折斷，保持軸未能將風(fēng)扇輪盤保持在發(fā)動機(jī)內(nèi)，風(fēng)扇盤甩離發(fā)動機(jī)；1982年12月用于波音747的RB211-524C2也遭遇了類似的事件。后來，羅羅公司對1號支點處的潤滑與封嚴(yán)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，之后再未出現(xiàn)類似的事件。

圖8 RB211、遄達(dá)系列發(fā)動機(jī)中風(fēng)扇轉(zhuǎn)子中的保持軸

RB211/遄達(dá)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子支承簡圖

圖9 遄達(dá)XWB與傳統(tǒng)的RB211/遄達(dá)系列發(fā)動機(jī)在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承上的不同

遄達(dá)XWB風(fēng)扇支承結(jié)構(gòu)的重大改動

2014年5月，采用遄達(dá)XWB發(fā)動機(jī)作為動力的空客A350XWB雙發(fā)客機(jī)投入航線運(yùn)營。遄達(dá)XWB是遄達(dá)系列發(fā)動機(jī)中最新的、也是推力最大的發(fā)動機(jī)，但在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)中，羅羅公司卻一改已采用40余年的傳統(tǒng)設(shè)計。

如前所述，從RB211-22B到遄達(dá)1000，風(fēng)扇的滾珠軸承均置于中壓壓氣機(jī)之后，且為一個中介軸承，而滾棒軸承緊靠風(fēng)扇輪盤后。但遄達(dá)XWB的空氣流量由遄達(dá)1000的1088kg/s增大到1436kg/s，使?jié)L珠軸承的軸向氣動載荷增加較多，采用傳統(tǒng)的支承方法顯然不能滿足設(shè)計要求。為此，在遄達(dá)XWB中，羅羅公司將滾珠軸承換裝到1號支點處（風(fēng)扇盤后，如圖9所示）。另外，為了增加滾珠軸承的承受軸向載荷的能力，羅羅公司還將軸承內(nèi)徑加大。傳統(tǒng)的風(fēng)扇支承系統(tǒng)中，1號支點的軸承內(nèi)徑與2號支點（中壓壓氣機(jī)前支點）軸承內(nèi)徑是一致的，而在遄達(dá)XWB的1號支點的內(nèi)徑比2號支點的內(nèi)徑大很多，使?jié)L珠軸承承受軸向載荷的能力提高了4倍。由于1號支點處采用了大直徑滾珠軸承，傳統(tǒng)設(shè)計中的保持軸在遄達(dá)XWB中取消了，這也簡化了風(fēng)扇轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

結(jié)束語

在雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)中，滾珠軸承置于風(fēng)扇盤后（1號支點處），是作為安全設(shè)計的一項重大措施，但30多年的實踐證明，即使風(fēng)扇傳動軸折斷，發(fā)動機(jī)少了一個大部件，但對飛機(jī)結(jié)構(gòu)并不會造成損傷，因此，設(shè)計人員可以將滾珠軸承置于別處。而且，考慮到風(fēng)扇葉片易受外來物打傷，造成風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的平衡被破壞，風(fēng)扇多片葉片葉尖會刮蹭機(jī)匣，1號支點處采用大直徑滾棒軸承能避免刮蹭的發(fā)生，所以，在GE90-115B的風(fēng)扇轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了重大改變。由此也可以看出，在發(fā)動機(jī)研制中，設(shè)計人員一定要搜集并總結(jié)發(fā)動機(jī)使用中的經(jīng)驗與教訓(xùn)，從中提煉出能提高發(fā)動機(jī)安全可靠的措施。