航空发动机结构讨论课_

《航空燃气轮机结构设计》讨论课转子支承结构特征分析
——XXX班题1.6
组长：XXX
ppt汇报：XXX
资料收集：XXXX
报告撰写人：XXX
2014 年 5月17 日
1题目背景 (1)
1.1 发动机总体结构简介 (1)
1.2 转子承受的负荷与受力 (1)
1.3 转子支承方案 (2)
1.4 联轴器 (3)
1.5 支承结构 (3)
2发动机转子支承结构实例分析 (4)
2.1对比分析PW4000与CFM56高压转子前支点的结构特征 (4)
2.2 对比分析F110-GE-100与RD-33低压转子后支点的结构特征 (5)
2.3 热端支承结构与冷端支承结构的区别 (7)
1 题目背景
1.1 发动机总体结构简介
发动机总体结构设计分为支承方案、支承结构、承力系统和连接结构设计。

支承方案设计包括支承点的选取和联轴器等结构的设计；支承结构设计包括轴承设计，冷却、润滑和封严等结构的设计，等等；承力系统设计是针对转子静子结构的承载，确定承力框架和传递路线的整体结构设计；连接结构设计包括转子连接机构、静子、机匣及承力系统连接结构设计等。

1.2 转子承受的负荷与受力
要设计转子的支承结构，首先应该明确转子的受力。

发动机各个主要零组件上的负荷分为气体负荷、质量负荷和温度负荷，转子支承需要关注的主要是转子承受的气体负荷和质量负荷。

图1 高涵道比涡扇发动机转子轴向力分布
转子系统的轴向力来源主要是气体负荷，这使得一个转子必有且仅有一个滚珠轴承来承受轴向力。

作用于压气机和涡轮转子上的轴向力都很大。

常用的减小作用在转子上轴向力的方法有3种，（1）将压气机转子与涡轮转子做成刚性连接或用可以传递轴向力的联轴器连接；（2）在轴流式压气机最末级轮盘的后方采用封气装置限制高压气流漏入盘后空腔；（3）将压气机后级或出口级的高压气体引
到压气机转子第一级轮盘空腔，使其作用于第一级轮盘的前端面上，使向后的气体压力增大，从而减小作用于转子上向前的轴向力（图2）。

通过这些方法，可以很大程度上减小轴向力，只要再用两个滚轴轴承即可承受剩余的轴向力。

图2 气体轴向力分布及减小转子轴向力的方法
转子的径向力主要来源于质量力，包括重力、惯性力和惯性力矩。

发动机转子不平衡或者飞机作机动飞行时，需要支承外传的惯性力和惯性力矩将会很大。

1.3 转子支承方案
转子支承方案分为单转子支承方案、双转子支承方案和三转子支承方案等。

单转子支承方案又包括四支点支承方案、三支点支承方案和二支点支承方案。

四支点支承方案由于需要承力的轴承数目较多，只在早期的小推力发动机上采用过。

三支点支承方案的典型是WP6发动机的1-2-0支承方案（图3），这种支承方案中，只有一个承受轴向负荷的支点，它受的轴向负荷较小，而且每个转子均支承于两个支上，相对刚性较好，所以得到广泛使用。

二点支承方案适用于一些压气机级数较少或者轴向长度较短的单转子发动机，支点的位置可以根据需要和可能布置。

图3 1-2-0三支点支承方案（WP6）
双转子支承方案分为无中介支点和有中介支点。

在大多数发动机中，采用中介支点可以使发动机长度缩小，承力机匣数目减少；但是中介轴承的润滑和冷却比较困难，轴承工作条件较差，而且装拆也比较复杂。

1.4 联轴器
联轴器用来连接两个转子，分为刚性联轴器和柔性联轴器。

刚性联轴器不仅传递扭矩和轴向力，还将涡轮与压气机轴刚性地联成一体；柔性联轴器传递扭矩和轴向力，并且允许涡轮转子相对压气机转子轴线有一定的偏斜角。

其中在三支点支承方案中，联轴器还要作为涡轮转子的前支点，即要承受径向力，并且在压气机、涡轮两转子轴线不同心时，仍能保证良好的工作。

刚性联轴器多用于二支点和三支点，而柔性联轴器多用于三支点和四支点。

1.5 支承结构
支承结构的基本要求之一是转子轴承均采用滚动轴承，因为滚动轴承摩擦系数小，轴向尺寸小，需要用的滑油量小，低温下容易启动，而且能在短时间内无润滑油供入的条件下工作，为发动机转子传动的滑油泵提供了条件等。

但由于径向尺寸大，因此均采用较轻系列或特轻系列。

支承结构的设计需要考虑冷却、润滑和封严等。

装在发动机转子上的轴承，一般称为发动机主轴承。

一般采用DN值来代表轴承速度特性，DN值大的轴承，要很好解决材料的强度和冷却润滑问题，并要提高轴承的制造精度。

对轴承工作时产生的热量，均采用供入滑油的方式来带走热量，供入的滑油也对轴承进行润滑，防止轴承表面的摩擦、磨损与锈蚀。

滑油供入方式有两种：侧向喷射和环下供油。

轴承油腔常用的封严装置有篦齿式、涨圈式、端面石墨式、浮动环式和金属刷环式等。

其中，篦齿式封严装置属于非接触式，其余几种均属于接触式，后者封严效果较好，但是工作中有一定的磨损量。

篦齿封严既可以封油，又可以封气，；螺纹式封严只能封油，不能封气。

典型的支承结构包括内（外）环做成两半的支承结构，双排滚珠轴承的支承结构，滚珠、滚棒轴承并用的支承结构和中介支点的支承结构。

对于中介支点的支承结构，其优点是可以减重，但是润滑和封严是难点。

2 发动机转子支承结构实例分析
2.1对比分析PW4000与CFM56高压转子前支点的结构特征
PW4000发动机高压前支点支承结构（），轴承为角接触式滚珠轴承，位于高压压气机之前，是高压轴的定位轴承。

该轴承将高压压气机的轴向和径向力传递到中介机匣。

轴承内环为分半环（作用：使内外环的槽更深一些，滚珠数目更多，轴承能承受的轴向载荷更大），外环为整环，外环装于轴承机匣内，轴承机匣通过螺栓与轴承支座相联，轴承支座通过螺栓与中介机匣相联。

该轴承为挤压油膜减振阻尼轴承。

发动机工作时，转子的不平衡力通过支撑结构传给机匣，使发动机产生振动。

为了降低发动机的振动，轴承外环以一定的间隙装入轴承支座，在间隙中通入具有一定压力滑油，形成油膜。

油膜两侧有卡环封严。

挤压油膜的工作原理类似于液压减振器，在液体动力特性的作用下，径向振动受到阻碍，同时滑油吸收了振动的大部分能量，使发动机的振幅有明显的下降。

它除了减小外传振动外，还起到弹性支座限制挠度过大的作用。

采用挤压油膜后，转子支撑刚性也被改变，因而对发动机转子的临界转速值也有所改变。

油膜里的油在压力和离心力的作用下通过内环分瓣间隙，流入滚珠并润滑整个轴承。

轴承支座做成折返杆式结构以缩短发动机长度。

封严气体为4级压气机后的气体压力。

轴承内环与一个发动机主传动伞齿轮相联，该伞齿轮与附件装置传动轴上的伞齿轮相连。

图4 PW4000发动机高压前支点支承结构
CFM56发动机高压前支点支承结构类型为滚和珠滚棒轴承并用，这种支承方式能有效提高寿命和可靠性，采用这种结构时一定要确保滚珠轴承只承受轴向力，而CFM56为做到这一点，将滚珠轴装在折返式弹性支座上，而承受径向力的滚棒轴承装于刚性支座上。

CFM56高压前支点支承结构采用篦齿封严，并设计有冷却气流进行冷却和加强封严。

图5 CFM56高压转子前支点轴承结构
表1 PW4000与CFM56高压转子前支点的结构特征对比表
2.2 对比分析F110-GE-100与RD-33低压转子后支点的结构特征
在燃烧室和涡轮附近的支点，由于处于高温环境下，同时还有大量热流从涡轮叶片经轮盘、涡轮轴传到轴承上，因此对轴承工作十分不利。

通常轴承不直接安装在轴上，而是安装在轴承的衬套上，并采用一系列冷却润滑措施。

F110-GE-100涡扇发动机高压转子采用1-0-1支承方案，低压转子采用1-1-1支承方案，高压转子通过中介支点（一个滚棒轴承）支撑于低压转子上，高压与低压转子后支点均采用刚性支承、外环固定的方式；篦齿封严，利用离心力甩油润滑，两个轴承共用滑油；冷却方式则采用的是多环腔隔热和气体冷却。

图6 F404涡扇发动机后端结构
RD-33涡轮部件的支承结构是通过中介轴承（滚棒轴承）支承于低压转子，内环套在固定不动的支承座上，外环固定于高压涡轮后。

两轴承处于同一垂直面内，这种结构下高低压转子间振动耦合影响最小，缩短了低压转子轴长，提高了轴的刚性，但低压后轴承径向尺寸受限制，承受的载荷却很大，造成该轴承寿命最小，故障多。

图7 RD-33发动机高低压涡轮后轴承结构图
表2 F110-GE-100与RD-33低压转子后支点的结构特征
2.3 热端支承结构与冷端支承结构的区别
轴承工作温度受到材料和轴承种类的限制，一般不是太高（400℃以下），而且在较低温度环境下工作对延长轴承使用寿命有利，所以需要保证轴承在合适的温度下工作。

冷端由于温度不高，一般不需要特别复杂的冷却系统（或直接不需要冷却）就能达到支承结构工作温度要求，所以支承结构一般较简单。

而热端，如燃烧室和涡轮附近，环境温度高，无论是承力框架还是支承座等都需要良好的冷却，确保承力框架和支承座的力学性能达标，并保证轴承在合适的温度下工作（如图8 RB119压涡轮后轴承结构图）。

燃气涡轮发动机中的冷却方式有气冷、油冷，难点在于怎样设计气冷和油冷的通道，提高效率，减少损失。

图8 RB119压涡轮后轴承结构图。