王國(guó)潤(rùn) 畢懿鑫

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的葉輪機(jī)械，每個(gè)轉(zhuǎn)子至少需要2個(gè)支點(diǎn)，以確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文以雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，梳理了部分成熟機(jī)型的轉(zhuǎn)子支承方案，通過(guò)剖析各轉(zhuǎn)子支承方案的設(shè)計(jì)意圖和設(shè)計(jì)思路，分析各轉(zhuǎn)子支承方案的優(yōu)、缺點(diǎn)，為雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：雙轉(zhuǎn)子;大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī);轉(zhuǎn)子支承

中圖分類號(hào)：V231.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0027-04

0? 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承方案對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響巨大，而且轉(zhuǎn)子支承方案設(shè)計(jì)需考慮多種因素，是典型的多學(xué)科設(shè)計(jì)，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)研制初期就開(kāi)展大量、深入的研究、分析和比較，并利用仿真和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，選擇合適的轉(zhuǎn)子支承方案，避免在發(fā)動(dòng)機(jī)研制中期或后期發(fā)生轉(zhuǎn)子支承方案的變更，以縮短研制周期，降低研制成本。

1? 大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展到今天，主要形成了三種結(jié)構(gòu)形式：①雙轉(zhuǎn)子是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，在各個(gè)級(jí)別的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中均有應(yīng)用;②三轉(zhuǎn)子主要在R·R公司的寬體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用;③GTF構(gòu)型主要在P&W公司本世紀(jì)初推出的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用。

本文僅研究轉(zhuǎn)子支承方案相對(duì)簡(jiǎn)單的雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要由風(fēng)扇/增壓級(jí)（1級(jí)風(fēng)扇加0～6級(jí)增壓級(jí)）、壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪構(gòu)成。高壓渦輪通過(guò)高壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，并連接成為高壓轉(zhuǎn)子;低壓渦輪通過(guò)低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇/增壓級(jí)，并連接成為低壓轉(zhuǎn)子。

2? 轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器

轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器是將壓縮部件轉(zhuǎn)子和渦輪轉(zhuǎn)子聯(lián)成一體的組合件，通常分為兩種：①剛性聯(lián)軸器，每個(gè)組合轉(zhuǎn)子最少只需2個(gè)支點(diǎn)即可，且聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，但是要求壓縮部件轉(zhuǎn)子和渦輪轉(zhuǎn)子有較好的同軸度，對(duì)轉(zhuǎn)子和機(jī)匣的加工精度要求較高;②柔性聯(lián)軸器，允許壓縮部件轉(zhuǎn)子與渦輪轉(zhuǎn)子的同軸度有較大的偏差，對(duì)轉(zhuǎn)子和機(jī)匣的加工精度要求較低，但是每個(gè)組合轉(zhuǎn)子至少需要3～4個(gè)支點(diǎn)，且聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較大。

轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器的選擇對(duì)轉(zhuǎn)子支承方案影響極大，早期受機(jī)械加工水平限制，航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常采用柔性聯(lián)軸器，隨著機(jī)械加工水平的不斷提高，越來(lái)越多的航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用剛性聯(lián)軸器，其中雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高、低壓轉(zhuǎn)子均采用剛性聯(lián)軸器。

3? 承力框架

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的葉輪機(jī)械，每個(gè)轉(zhuǎn)子至少需要2個(gè)支點(diǎn)，每個(gè)支點(diǎn)必須直接或間接支承在承力框架上，因此在制定轉(zhuǎn)子支承方案之前，首先需明確發(fā)動(dòng)機(jī)哪些位置可以設(shè)置承力框架，哪些位置適合作為承力框架。

3.1 承力框架可選位置

承力框架必須設(shè)置在徑向范圍內(nèi)無(wú)轉(zhuǎn)子葉片的軸向段，需以發(fā)動(dòng)機(jī)流道作為依據(jù)，圖1為典型雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)流道圖，陰影部分為轉(zhuǎn)子葉片。

如圖2所示，首先識(shí)別可以設(shè)置承力框架的位置：

①風(fēng)扇前端，可支承低壓轉(zhuǎn)子前端;②壓氣機(jī)過(guò)渡段，可支承高壓轉(zhuǎn)子前端和低壓轉(zhuǎn)子前端;③燃燒室機(jī)匣，可支承高壓轉(zhuǎn)子后端;④渦輪過(guò)渡段，可支承高壓轉(zhuǎn)子后端和低壓轉(zhuǎn)子后端，但是部分機(jī)型渦輪過(guò)渡段極短，甚至沒(méi)有渦輪過(guò)渡段，此部分機(jī)型則不能在渦輪過(guò)渡段處設(shè)置承力框架;⑤低壓渦輪后端，可支承低壓轉(zhuǎn)子后端，亦可通過(guò)中介軸承的方式間接支承高壓轉(zhuǎn)子后端。[1]

3.2 承力框架布局設(shè)計(jì)原則

承力框架布局設(shè)計(jì)主要遵循以下原則：①盡量減少承力框架數(shù)量，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量;②盡量選擇溫度較低的部位，以減小軸承腔隔熱的難度，降低軸承超溫和滑油結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)[2];③承力框架內(nèi)部附近應(yīng)有足夠的空間布置軸承腔;④還應(yīng)考慮裝配性、維修性和可制造性的要求。

3.3 典型承力框架布局

成熟機(jī)型主要存在6種典型承力框架布局，如表1所示。典型承力框架布局的代表機(jī)型如表2所示。

由表1和表2可知：①所有機(jī)型均在壓氣機(jī)過(guò)渡段設(shè)置承力框架;②除JT8D外，其它機(jī)型均未在風(fēng)扇前端設(shè)置承力框架，這是由于雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低，增壓級(jí)轉(zhuǎn)子一般采用鼓筒式，其內(nèi)部有足夠的空間布置低壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)軸承腔，且可以確保支點(diǎn)位于較合適的位置，不致懸臂過(guò)長(zhǎng)，因此壓氣機(jī)過(guò)渡段可用來(lái)支承低壓轉(zhuǎn)子前端，從而無(wú)需在風(fēng)扇前端設(shè)置承力框架。JT8D作為1964年服役的早期機(jī)型，承力框架布局和轉(zhuǎn)子支承方案主要借鑒了小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，后續(xù)機(jī)型均已舍棄該類承力框架布局及其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子支承方案，本文亦不再針對(duì)其轉(zhuǎn)子支承方案開(kāi)展研究;③隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性要求的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比越來(lái)越大，高、低壓渦輪流道高度差也越來(lái)越大，因此較新的機(jī)型，例如GE90系列、GEnx系列、Leap系列等，都在高、低壓渦輪之間設(shè)置了較長(zhǎng)的過(guò)渡段，這為高壓轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)提供了天然的承力框架[3]。

4? 高壓轉(zhuǎn)子支承方案

4.1 典型高壓轉(zhuǎn)子支承方案

成熟機(jī)型主要存在4種典型高壓轉(zhuǎn)子支承方案，如表3所示。

4.2 各高壓轉(zhuǎn)子支承方案分析比較

如圖3和圖4所示，1-0-1和1-1-0支承方案的止推軸承一般設(shè)置在前支點(diǎn)，由于轉(zhuǎn)靜子變形差累積的原因，不利于高壓渦輪的轉(zhuǎn)靜子軸向間隙控制，但易于止推軸承的溫度控制。

大部分采用1-0-1支承方案的機(jī)型，后支點(diǎn)支承在渦輪過(guò)渡段的承力框架上，但是部分沒(méi)有渦輪過(guò)渡段的機(jī)型，例如CFM56系列，則利用中介軸承，將高壓轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)支承在低壓轉(zhuǎn)子上，間接支承在低壓渦輪后端的承力框架上，從而實(shí)現(xiàn)1-0-1支承方案，使用中介軸承的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)只需2個(gè)承力框架（壓氣機(jī)過(guò)渡段和低壓渦輪后端）是民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中承力框架數(shù)量最少的支承方案，但是中介軸承存在一些缺點(diǎn)：①高、低壓轉(zhuǎn)子存在振動(dòng)耦合，不利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作;②中介軸承在高轉(zhuǎn)速下存在輕載打滑的風(fēng)險(xiǎn);③供、回油流路和軸承腔封嚴(yán)結(jié)構(gòu)均設(shè)計(jì)在高、低壓轉(zhuǎn)子之間，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

CFM56系列雖然以高可靠性著稱，但是仍未完全解決中介軸承帶來(lái)的可靠性問(wèn)題，以及如3.3章節(jié)所述，隨著涵道比的增大，GE與SNECMA合資的CFM國(guó)際公司在后續(xù)機(jī)型Leap系列已有足夠長(zhǎng)的渦輪過(guò)渡段，因此舍棄了中介軸承方案。[4][5]

與1-0-1支承方案相比，1-1-0支承方案存在以下優(yōu)、缺點(diǎn)：①前、后支點(diǎn)跨距更小，有利于控制壓氣機(jī)轉(zhuǎn)靜子徑向間隙;②高壓渦輪轉(zhuǎn)子懸在后支點(diǎn)后端，不利于控制高壓渦輪轉(zhuǎn)靜子徑向間隙;③軸承腔設(shè)置在燃燒室下方，溫度較高，隔熱設(shè)計(jì)難度大，軸承超溫和滑油結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)較高。

JD9D由于渦輪過(guò)渡段極短，而且P&W公司當(dāng)時(shí)沒(méi)有中介軸承的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此選擇在燃燒室機(jī)匣設(shè)置承力框架，以支撐高壓轉(zhuǎn)子后端，即高壓轉(zhuǎn)子采用1-1-0支承方案;而PW4000的核心機(jī)主要沿用JT9D，盡管PW4000其已擁有了足夠長(zhǎng)的渦輪過(guò)渡段，但是P&W公司為了縮短研制周期，降低研制成本，仍繼承了JT9D的承力框架布局和轉(zhuǎn)子支承方案[6]。

如3.3章節(jié)所述，隨著涵道比的增大，較新的機(jī)型均有足夠長(zhǎng)的渦輪過(guò)渡段，1-1-0支承方案已基本被舍棄。

如圖5和圖6所示，在一些較老的機(jī)型上，例如GE公司的CF6-50和CF6-80，由于當(dāng)時(shí)壓氣機(jī)級(jí)壓比較低，導(dǎo)致壓氣機(jī)級(jí)數(shù)較多（14級(jí)），高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此分別采用了1-2-1和1-2-0支承方案，且止推軸承設(shè)置在壓氣機(jī)和渦輪之間，該方案有利于控制轉(zhuǎn)靜子徑向和軸向間隙，提高轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速裕度，但是結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，重量過(guò)大，而且隨著壓氣機(jī)級(jí)壓比提升，壓氣機(jī)級(jí)數(shù)減少，該支承方案的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)不明顯，GE的后續(xù)機(jī)型均舍棄了該方案。

4.3 珠棒并用方案

GE公司和CFM國(guó)際公司的部分機(jī)型，包括GE90系列、GEnx系列、CFM56-5、CFM56-7、Leap系列等，高壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)采用珠棒并用方案（雖然有2個(gè)軸承，但一般仍將其視為1個(gè)支點(diǎn)），如圖7所示;其它機(jī)型，包括CFM56-3、PW4000、BR700系列等，前支點(diǎn)采用單滾珠方案。

與單滾珠相比，珠棒并用方案的主要缺點(diǎn)是增加了零組件數(shù)量、增大了重量，優(yōu)點(diǎn)主要包括：

①通過(guò)合適的軸承座剛度分配，可使?jié)L棒軸承承受幾乎全部徑向力，而滾珠軸承基本只承受軸向力，2個(gè)軸承的工作狀態(tài)均比較理想，增加了軸承的壽命和可靠性;

②滾棒軸承的徑向游隙一般要小于滾珠軸承，特別是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的磨損之后，因此增加了滾棒軸承后，能夠更好的限制高壓轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)（渦動(dòng)即由于轉(zhuǎn)子不平衡等引起的，高壓轉(zhuǎn)子實(shí)際軸線繞理論軸線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)），從而在設(shè)計(jì)之初，可將壓氣機(jī)和高壓渦輪轉(zhuǎn)靜子徑向間隙設(shè)計(jì)的更小，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率[7];

③由于滾棒軸承直徑較小，可更加靠近壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，減小了高壓轉(zhuǎn)子支點(diǎn)跨距（采用珠棒并用后，支點(diǎn)跨距為前、后滾棒軸承的中心距離）。

由此可見(jiàn)，珠棒并用存在諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在布置空間允許的情況下，采用珠棒并用方案是較好的選擇。從時(shí)間關(guān)系來(lái)看， CFM國(guó)際公司的機(jī)型從單滾珠改進(jìn)為珠棒并用（CFM56-3到CFM56-5、CFM56-7、Leap系列），也佐證了珠棒并用方案的優(yōu)勢(shì)。

5? 低壓轉(zhuǎn)子支承方案

5.1 典型低壓轉(zhuǎn)子支承方案

成熟機(jī)型主要存在4種典型低壓轉(zhuǎn)子支承方案，如表4所示。

5.2 各低壓轉(zhuǎn)子支承方案分析比較

大部分機(jī)型低壓轉(zhuǎn)子采用0-2-1或0-3-0支承方案。

如圖8和圖9所示，0-3-0支承方案比0-2-1支承方案少1個(gè)承力框架，減重效果非常明顯，但是低壓渦輪軸需要繞過(guò)低壓轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)，長(zhǎng)度更長(zhǎng)，進(jìn)一步增加了低壓渦輪軸的加工難度。一般而言，如果0-3-0支承方案技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)可控，考慮到減重收益較大，應(yīng)優(yōu)先選擇0-3-0支承方案。

如圖10所示，低壓轉(zhuǎn)子0-3-1支承方案的代表機(jī)型CF6-50是一款較老的機(jī)型，該方案有利于低壓渦輪葉尖間隙控制，但收益并不是特別明顯，而且增加了大量零組件和重量，因此后續(xù)機(jī)型CF6-80改進(jìn)為0-2-1支承方案。

如圖11所示，在眾多的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中[8]，僅P&W公司的JT9D采用低壓轉(zhuǎn)子0-1-1支承方案，該方案雖然有零件數(shù)量少、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但是存在難以調(diào)和的矛盾，如果為了控制風(fēng)險(xiǎn)葉尖間隙而將1號(hào)支點(diǎn)靠近風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，則前、后支點(diǎn)跨距過(guò)大，臨界轉(zhuǎn)速裕度難以滿足要求;如果為了提高臨界轉(zhuǎn)速裕度而將1號(hào)支點(diǎn)后移，則風(fēng)扇轉(zhuǎn)子懸臂過(guò)長(zhǎng)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子不平衡引起的變形增大，不易控制風(fēng)扇葉尖間隙，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)效率。因此，P&W公司的后續(xù)機(jī)型PW4000，舍棄了該支承方案，改進(jìn)為0-2-1。

5.3 1、2支點(diǎn)方案研究

針對(duì)低壓轉(zhuǎn)子支承，本文重點(diǎn)研究1、2支點(diǎn)方案，目前1、2支點(diǎn)存在兩種典型方案：

①早期的型號(hào)多采用前珠后棒方案，包括CFM56系列、V2500系列、PW4000、GE90-94B、GP7200等，如圖12所示，1號(hào)支點(diǎn)為滾珠軸承，2號(hào)支點(diǎn)為滾棒軸承。

前珠后棒方案的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

1）風(fēng)扇軸一般設(shè)計(jì)為前粗后細(xì)的結(jié)構(gòu)，而滾珠軸承直徑一般比滾棒軸承大，因此前珠后棒方案能夠利用風(fēng)扇軸現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，而無(wú)需設(shè)計(jì)如圖13中的軸承支撐座;

2）如果風(fēng)扇軸因異常情況斷裂，滾珠軸承可確保風(fēng)扇/增壓級(jí)轉(zhuǎn)子不致向前飛出，造成更大的破壞，低壓渦輪轉(zhuǎn)子脫離滾珠軸承限制，可向后移動(dòng)，使軸向碰磨結(jié)構(gòu)（通常設(shè)置在低壓渦輪處）起作用，從而防止低壓渦輪無(wú)負(fù)載飛轉(zhuǎn)（無(wú)負(fù)載飛轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致低壓渦輪盤破裂，擊穿機(jī)匣和短艙，造成更大的破壞）。

前珠后棒方案的主要缺點(diǎn)是1號(hào)支點(diǎn)滾珠軸承的工作環(huán)境極為惡劣，不僅要承受低壓轉(zhuǎn)子全部軸向載荷，還要承受由于風(fēng)扇/增壓級(jí)轉(zhuǎn)子不平衡產(chǎn)生的徑向載荷，而徑向載荷在風(fēng)扇葉片受損時(shí)會(huì)急劇增大，本身滾珠軸承就不擅長(zhǎng)承受較大的徑向載荷，因此滾珠軸承的壽命和可靠性急劇下降。

②近期的型號(hào)多采用前棒后珠方案，包括GE90-115B、GEnx系列、Leap系列等，如圖13所示，1號(hào)支點(diǎn)為滾棒軸承，2號(hào)支點(diǎn)為滾珠軸承。

前棒后珠方案的主要優(yōu)點(diǎn)是由1號(hào)支點(diǎn)滾棒軸承承受大部分徑向載荷，2號(hào)支點(diǎn)基本只承受軸向載荷，2個(gè)軸承均發(fā)揮其特長(zhǎng)，提高了軸承的可靠性和壽命。

前棒后珠方案的主要缺點(diǎn)包括：

1）一般需要為滾珠軸承設(shè)計(jì)如圖13中的軸承支撐座，增加了重量;

2）如果風(fēng)扇軸因異常情況斷裂，低壓渦輪轉(zhuǎn)子被滾珠軸承限制，不能向后移動(dòng)，軸向碰磨結(jié)構(gòu)無(wú)法起作用，可能導(dǎo)致低壓渦輪無(wú)負(fù)載飛轉(zhuǎn)。目前的解決辦法是設(shè)計(jì)之初就將風(fēng)扇軸斷裂的概率降到極低。

對(duì)于注重壽命和可靠性的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，前棒后珠方案更具優(yōu)勢(shì)，而且前棒后珠的缺點(diǎn)是可接受、可解決的，因此前棒后珠方案是更好的選擇。從時(shí)間關(guān)系上來(lái)看，GE公司和CFM國(guó)際公司的機(jī)型從前珠后棒變更為前棒后珠（GE90-94B至GE90-115B，CFM56系列至Leap系列）[9]，也佐證了前棒后珠方案的優(yōu)勢(shì)。

6? 總結(jié)

根據(jù)上述分析，結(jié)合各成熟機(jī)型的時(shí)間先后，雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子支承優(yōu)先選擇以下兩種方案：

①方案A——高壓轉(zhuǎn)子為1（珠棒并用）-0-1（滾棒），低壓轉(zhuǎn)子為0-3（滾棒-滾珠-滾棒）-0，在壓氣機(jī)過(guò)渡段和渦輪過(guò)渡段設(shè)置2個(gè)承力框架;

②方案B——高壓轉(zhuǎn)子為1（珠棒并用）-0-1（滾棒），低壓轉(zhuǎn)子為0-2（滾棒-滾珠）-1（滾棒），在壓氣機(jī)過(guò)渡段、渦輪過(guò)渡段和低壓渦輪后端設(shè)置3個(gè)承力框架。

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