航空发动机转子系统的结构包括:转子结构、转子支承方案与转子支承结构等三部分。转子系统的结构设计,在很大程度上影响发动机的重量、可靠性和振动特性等。
因此,在发动机发展过程中,转子结构、转子支承结构的设计,有较大的变化与发展;而转子支承方案在发展中也突出了简化结构的思想。
像20世纪60年代研制的斯贝发动机中那样复杂的转子结构设计与支承方案的布局,在20世纪80年代发展的发动机中已见不到了,取而代之的是简单、紧凑的焊接转子结构与支点数目少的支承方案。
这种变化当然该归功于发动机先进的气动设计(减少级数)、先进的工艺方法(电子束焊、惯性摩擦焊接转子)和高精尖的加工手段(确保了支点的高度同心)等的发展与在发动机中的推广应用。
至于转子支承结构的设计,为满足发动机寿命日益增长、可靠性要求愈来愈高的需要,在20世纪80年代研制的发动机中又普遍采用在60年代中已得到广泛应用,但在70年代又不采用的挤压油膜、带挤压油膜的弹性支座。
对于涡桨、涡轴发动机,由于流入发动机的空气流量小,压气机、涡轮的直径小,因而转子转速高达3~4万转每分钟甚至更高,转子动力学的问题变得尤为突出,所以在它们的转子支承结构中,普遍采用弹性支座、挤压油膜和带挤压油膜的弹性支座等。
另外,由于航空燃气涡轮发动机转子转速高、重量轻,支承转子的滚动轴承容易产生打滑现象,经常要采用防止出现滑蹭损伤的措施。
为了改善主轴滚珠轴承的工作条件,提高其可靠性,在滚珠轴承处并列增加一滚棒轴承的支承结构,已在一些新发动机,特别是用于波音777的 GE90发动机中采用。估计在今后新研制的发动机中将会得到进一步发展。
图1、斯贝 MK511低压压气机转子结构图
转子结构
2.1 转子的基本结构形式
转子可分为三种基本结构形式:鼓式、盘式和混合式。
图2、CFM56 2风扇增压压气机转子结构图
2.1.1 鼓式转子
鼓式转子的基本构件是一圆柱形或圆锥形鼓筒,借安装边和螺栓等与前后轴颈连成一体。鼓筒外表面加工有环向或纵向燕尾形槽,用来安装工作叶片。
图1所示为斯贝 MK511涡扇发动机的低压压气机转子,是典型的鼓式转子结构。鼓筒分为前后两段,每段又由三段通过氩弧焊对接焊成。前段带有前轴颈,后段带有后轴颈。前后两段用24个精密螺栓连接,其中3个是圆柱形螺栓,起装配定心作用,其余为锥形螺栓,工作时定心传扭。强度与刚性还在转子的最后一级加上盘,如图3所示。
图3 、CF6风扇增压压气机转子结构图
2.1.2 盘式转子
盘式转子由一组轮盘与中心轴组成,扭矩通过盘轴传递。与鼓式转子相比,盘式转子强度好;主要缺点是抗弯刚性差,并容易产生振动。目前这种转子只用在单盘或小流量压气机上。
2.1.3 混合式转子
混合式转子由盘、鼓筒和轴组成。鼓筒与轮盘可以做成一体或者单独制成。扭矩由轴、盘或轴、鼓、盘逐级传递。混合式转子兼有鼓式转子抗弯刚性好及盘式转子强度好的优点,所以在发动机中得到广泛应用。其结构方案也是多种多样的。
图4为CFM56发动机的核心机转子结构图,是一典型的混合式转子。该转子压气机部分共9级,由1级涡轮带动,压气机与涡轮通过鼓筒轴用短螺栓连接。压气机的第3级盘处与前轴颈连接,后轴与压气机后封严篦齿盘相连接。
这几处的连接均采用带自锁螺母的短螺栓。压气机后与涡轮盘前均设有篦齿封严盘。压气机的前两级钛合金盘焊成一体,4~9级镍基合金盘焊成一体。焊接方式均采用摩擦焊。该转子的两处篦齿环均带有盘,这是由于该转子的转速较高,篦
齿产生的离心负荷较大。篦齿盘的结构在现代高转速发动机的核心机转子上被广泛采用。
图4、 CFM56 3发动机核心机转子结构图
2.2 转子的连接结构
转子的连接主要要解决盘盘连接、盘轴连接、叶片与盘的连接等问题。前两种连接又可分为可拆卸式和不可拆卸式两种。
2.2.1 可拆卸式连接
可拆卸式连接有短螺栓、多根长螺栓、圆弧端齿加中心拉杆以及套齿连接等方式。
(1)短螺栓连接是当代发动机上广泛采用的一种结构。这种连接结构一般采用圆柱面定心,紧度配合,摩擦和剪切共同传扭。根据不同发动机的不同结构,有各种各样的形式。
图4所示转子的几处螺栓连接均采用了这种连接方式,其中的螺母又均采用了自锁螺母。自锁螺母不用打锁片,靠螺母与螺杆之间的紧度等方式锁紧,只要用限力扳手按给定的拧紧力矩拧紧即可,不但简化了结构、使装拆方便,而且可以据此设计一些新的、特定的结构;
有些结构,没有自锁螺母则根本无法实现。图4所示的转子的鼓筒轴与压气机转子的连接处就是在压气机转子和涡轮转子分别平衡好后,拆下涡轮后轴颈,从涡轮盘中心孔处伸入工具,拧紧该处的48个自锁螺母。
图5、两级涡轮盘连接
如果螺母不自锁,还须打锁片,根本就无法装配,这种结构也就不能实现。
图5所示为某型发动机的涡轮转子连接结构,两级盘与承力锥之间的连接采用的短螺栓结构,两端均用自锁螺母;两级盘上的安装边与承力锥之间采用圆柱面定心,紧度配合,摩擦传扭。
螺栓的形状如图6所示。该螺杆两端带螺纹,中间段为类似于运动场跑道的形状。该段的长度比承力锥在此处的厚度略小一些,与承力锥上相同形状的孔配合防止螺栓转动。跑道形的孔应力集中情况比圆孔好。
装配时,先将螺杆插入2级盘安装边上的孔中,拧紧右侧的自锁螺母,再将承力锥和1级盘装入,用专用工具拧紧左边的自锁螺母。承力锥再与轴连接形成转子。
图6、特型螺栓
(2)长螺栓连接在一些发动机中采用,可用中心长螺栓或沿圆周分布的多根长螺栓将几级盘和轴(鼓筒轴、前后轴)一起连接起来。
图7所示的 AЛ31Ф高压压气机转子后三级盘及篦齿封严盘和第4级盘后的安装边的连接,各级盘间都夹着一个等直径的鼓筒,鼓筒与盘靠圆柱面定位,用一组长螺杆将鼓筒和各级轮盘拉紧,靠端面摩擦传扭。
为防止鼓筒在夹紧时发生变形,鼓筒和长螺杆间还装有衬套。螺杆在与盘配合的位置处直径加大,用来径向定位,必要时还可剪切传扭。各级盘缘处均左右外伸,互相之间采用圆柱面配合,形成外层鼓筒和封严结构,进一步增加了刚性。
装配时必须严格控制螺杆的预紧力,以防工作时转子刚性变差,或螺杆内应力过大,以致断裂;同时还要保证各杆的受力均匀。
图7、АЛ31Ф高压压气机转子(右图为轮盘、鼓筒连接处详图)
涡轴7发动机压气机转子采用了多根长螺栓的连接方式,如图8所示。它由3级轴流及1级离心组成,盘与盘间采用定距环定位,通过一周均布的若干个长螺栓加预紧力拧紧,将离心叶轮与三级轴流盘连接成一体。
图8、涡轴7发动机燃气发生器转子结构图返回搜狐，查看更多