渦軸發(fā)動機(jī)渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

馬艷紅，曹 沖，李 鑫，洪 杰

（1.北京航空航天大學(xué)，能源與動力工程學(xué)院，北京100191；2.中航工業(yè)航空動力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)發(fā)展在追求高性能的同時，對其質(zhì)量和可靠性也提出了更為嚴(yán)格的要求，而渦輪支承方案的優(yōu)化與先進(jìn)支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計是提高渦輪效率，減輕質(zhì)量的重要途徑之一。在渦軸發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，渦輪級間支承結(jié)構(gòu)是近年發(fā)展的先進(jìn)結(jié)構(gòu)，對于多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，采用渦輪級間支承結(jié)構(gòu)可減少轉(zhuǎn)子間振動耦合，比采用壓氣機(jī)擴(kuò)壓器機(jī)匣支承結(jié)構(gòu)更有利于渦輪間隙控制和軸承壽命的延長[1]。采用共用支承結(jié)構(gòu)還可以減少承力框架數(shù)，減小發(fā)動機(jī)軸向尺寸。渦輪級間支承結(jié)構(gòu)在多種型號發(fā)動機(jī)中得到了成功應(yīng)用，如GE公司的GEnx、GE90，RR公司的EJ200、MTR390等[2-3]。李維分析了國外渦軸發(fā)動機(jī)主要渦輪布局形式，指出使用渦輪級間共用支承結(jié)構(gòu)是先進(jìn)渦軸發(fā)動機(jī)布局的改進(jìn)方向，并提出了初步的改進(jìn)方法[4]；美國聯(lián)合技術(shù)公司設(shè)計了1種可主動變形的支承結(jié)構(gòu)[5]，利用壓電材料的特性，定向傳遞形變或位移，保證輻板內(nèi)環(huán)在作用力下周向形變的均勻；Kumar等通過對支承結(jié)構(gòu)承力路線的優(yōu)化，使不同支點的載荷相互抵消以減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平[6]。渦輪級間支承結(jié)構(gòu)在國內(nèi)大多注重于其對發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)與性能的影響，而對其具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究較少。

本文對典型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行分析，結(jié)合國內(nèi)外研究成果，提出渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

1 渦輪級間支承結(jié)構(gòu)基本設(shè)計原則

渦輪級間支承結(jié)構(gòu)位于高、低壓渦輪之間，承受多種載荷作用，力學(xué)環(huán)境惡劣[7]；同時處于高溫環(huán)境，需滿足冷卻、潤滑封嚴(yán)等要求，給設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)?？紤]到渦輪級間支承結(jié)構(gòu)獨特的工作環(huán)境與受力特點，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則的前提下，高結(jié)構(gòu)效率的渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足以下基本原則。

1.1 保證高溫環(huán)境下支承結(jié)構(gòu)剛度的穩(wěn)定性

支承結(jié)構(gòu)核心作用是對轉(zhuǎn)子進(jìn)行支承，因而其必須具有足夠的剛性。由于渦輪級間支承結(jié)構(gòu)位于燃?xì)鉁u輪后，在發(fā)動機(jī)工作時，高溫燃?xì)馐沟弥С薪Y(jié)構(gòu)部件溫度升高，材料彈性模量減小，從而造成支承結(jié)構(gòu)剛度減弱，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性造成顯著影響，此外氣流通道部分結(jié)構(gòu)剛度弱化引起的變形量增大還會影響葉輪間的間隙變化和氣動效率。因此，應(yīng)采取良好的隔熱、冷卻手段，以及合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計，來減小高溫對支承剛度的影響，保證工作范圍內(nèi)支承剛度的穩(wěn)定。

1.2 防止支承結(jié)構(gòu)熱變形與熱應(yīng)力過大

渦輪級間支承結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的復(fù)雜性除了體現(xiàn)在工作溫度高之外，還在發(fā)動機(jī)起動停車等工作狀態(tài)切換時，工作溫度劇烈變化，可能出現(xiàn)大溫度梯度，造成結(jié)構(gòu)熱膨脹不協(xié)調(diào)從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，在高溫環(huán)境下該結(jié)構(gòu)還易產(chǎn)生熱疲勞和屈曲變形。部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計與連接方式的選擇需要預(yù)先考慮熱膨脹的影響，在滿足支承剛度的同時保證結(jié)構(gòu)較小的熱應(yīng)力與熱變形。

1.3 具有良好的結(jié)構(gòu)間振動衰減和隔離

支承結(jié)構(gòu)在工作過程中受多種載荷激勵，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須保證其在寬的頻率范圍內(nèi)對激勵力具有低敏感性，防止有害振動的產(chǎn)生[8]。引發(fā)振動的原因可能是多方面的，其中轉(zhuǎn)子的不平衡力是最主要的激勵源，理想狀態(tài)是保證在激勵頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)、靜子間無振動耦合。這意味著結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使支承結(jié)構(gòu)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有高的機(jī)械阻抗，遠(yuǎn)離共振區(qū)間；同時減小靜子結(jié)構(gòu)各部件間的相互影響，提高振動控制能力。對于共用支承結(jié)構(gòu)，還應(yīng)保證各支點間良好的振動隔離性，以減小不同轉(zhuǎn)子間振動耦合。

1.4 保證連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的穩(wěn)定性

支承結(jié)構(gòu)主要由多個承力部件連接組成，部件間的載荷通過連接結(jié)構(gòu)傳遞。當(dāng)連接結(jié)構(gòu)受到交變載荷作用時，接觸面間由于接觸應(yīng)力和狀態(tài)的差異，會發(fā)生周期性的相對變形或滑移，造成微動損傷[9]，從而使連接部位接觸狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)力學(xué)性能失穩(wěn)，引起結(jié)構(gòu)整體的剛度損失，造成支承松動[10]，嚴(yán)重時會帶來安全隱患。渦輪級間支承結(jié)構(gòu)處于高溫環(huán)境，其連接結(jié)構(gòu)同時受熱載荷和轉(zhuǎn)子交變激勵載荷的作用，因此保證在多種載荷作用下連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是支承結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要方面。

1.5 保證發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的安全性

在正常載荷作用下，支承結(jié)構(gòu)的徑向和軸向載荷與其承載能力相比很小。在極限和惡劣載荷作用下，支承結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的承載能力，以保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性，發(fā)動機(jī)仍能受控和停車。渦輪級間支承結(jié)構(gòu)工作溫度高，在極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的損壞可能造成滑油管路破裂，在高溫環(huán)境下易引發(fā)滑油起火，使損失進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，在渦輪支承結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮發(fā)動機(jī)的安全性，在危險發(fā)生時保證發(fā)動機(jī)及飛機(jī)的安全。

2 典型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

世界各家發(fā)動機(jī)制造公司在其研制的渦軸發(fā)動機(jī)中成功應(yīng)用了渦輪級間支承結(jié)構(gòu)，并針對其在工作中面臨的問題，提出了自己特有的解決方法。

2.1 MTR390發(fā)動機(jī)渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

RR公司參與研制的第4代渦軸發(fā)動機(jī)MTR390具有尺寸小、質(zhì)量輕和功率大等優(yōu)點。應(yīng)用渦輪級間共用支承結(jié)構(gòu)為發(fā)動機(jī)縮小軸向尺寸和減輕質(zhì)量做出了貢獻(xiàn)。

MTR390發(fā)動機(jī)的渦輪級間支承結(jié)構(gòu)具有3個支承點，在動力渦輪前采用雙滾棒軸承并用支承，如圖1所示。該支承方式可增強(qiáng)動力渦輪角向剛度，提高渦輪抗變形能力。

圖1 MTR390發(fā)動機(jī)渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

2.1.1 承力輻板組件

MTR390發(fā)動機(jī)的渦輪級間支承結(jié)構(gòu)的承力輻板與內(nèi)外環(huán)一體，外環(huán)后端與機(jī)匣焊接，輻板空心，中間通有冷卻空氣與滑油管路?？招恼魅~片包圍輻板，葉片與輻板間隙中通有來自燃燒室的2股氣流進(jìn)行冷卻。輻板與內(nèi)、外環(huán)一體增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)剛度，減少了連接結(jié)構(gòu)，有利于提高支承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；同時承力輻板組件形成1個單元體，便于裝配。

2.1.2 軸承座

MTR390發(fā)動機(jī)的渦輪級間支承結(jié)構(gòu)的3個軸承使得振動問題更加復(fù)雜。為了緩解振動問題，其燃?xì)鉁u輪與動力渦輪的支點分別采用獨立的軸承座支承。

燃?xì)鉁u輪與動力渦輪的軸承座分別安裝于承力輻板內(nèi)輪轂前、后端，二者間是剛性較好的承力輻板，形成挑擔(dān)式結(jié)構(gòu)，使得2個軸承座相對獨立，有利于減小動力渦輪與燃?xì)鉁u輪支點之間的振動耦合；同時動力渦輪發(fā)生彎曲變形時對燃?xì)鉁u輪的支承影響很小，這對于共用支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要。

2.2 PW150發(fā)動機(jī)渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

PW150發(fā)動機(jī)是加拿大PW 公司研制的3轉(zhuǎn)子渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故多處使用共用支承結(jié)構(gòu)。其渦輪級間支承結(jié)構(gòu)支承著低壓渦輪后支點與動力渦輪前支點，如圖2所示。

圖2 PW150發(fā)動機(jī)渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

2.2.1 渦輪導(dǎo)向器

渦輪導(dǎo)向器作為渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要部件，與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，往往不承力。因3轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為盡量減少零件數(shù)，PW150發(fā)動機(jī)渦輪導(dǎo)向器兼具承力輻板的功能，導(dǎo)流葉片直接承受載荷。

導(dǎo)向器由導(dǎo)流葉片與內(nèi)外環(huán)組成，二者焊接為一體，外環(huán)與機(jī)匣螺栓連接，連接段為折返式結(jié)構(gòu)以減小熱應(yīng)力，如圖3所示。導(dǎo)流葉片共16片，包括2片空心葉片和14片實心葉片?？招娜~片分別位于導(dǎo)向器的正上、下方（12、6點鐘位置），滑油管路從這2片葉片中穿過。

由于渦輪導(dǎo)向器直接承載，結(jié)構(gòu)簡單，減少了裝配和檢修的工作量。但導(dǎo)流葉片無氣體冷卻措施，需同時承受高溫與大載荷，使其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久度和剛度弱化的問題更加突出。

2.2.2 大鼠籠鼓筒安裝結(jié)構(gòu)

為解決無冷卻支承結(jié)構(gòu)剛度穩(wěn)定性問題，PW150發(fā)動機(jī)采用大鼠籠鼓筒安裝結(jié)構(gòu)（圖3）。導(dǎo)向器內(nèi)環(huán)向內(nèi)折返形成大鼠籠結(jié)構(gòu)的彈性鼓筒。該結(jié)構(gòu)具有較小的剛度，允許較大的變形，有利于減小熱應(yīng)力。根據(jù)剛度串聯(lián)定理，總體剛度取決于其最弱點，在發(fā)動機(jī)工作時，高溫燃?xì)馐箤?dǎo)流葉片等部件溫度升高，剛度降低，但仍高于鼠籠結(jié)構(gòu)的剛度，故結(jié)構(gòu)的整體支承剛度始終取決于鼠籠結(jié)構(gòu)。鼠籠結(jié)構(gòu)處于冷卻氣流與隔熱材料的保護(hù)之下，工作溫度較低，剛度不會發(fā)生太大變化，從而保證了整個工作循環(huán)內(nèi)支承剛度的穩(wěn)定性。

2.2.3 多功能共用軸承座

與MTR390發(fā)動機(jī)不同，PW150發(fā)動機(jī)采用共用軸承座（如圖4所示）支承2個支點，其多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計可同時滿足支承與軸承冷卻、潤滑的要求。從圖4中可見，軸承座為剛性環(huán)形結(jié)構(gòu)，布置多個油孔、氣孔，其位置與尺寸經(jīng)過精確設(shè)計，保證2軸承的油腔相通；同時使得油、氣腔分離。油孔、氣孔的直徑大小分別滿足擠壓油膜、噴射供油和氣流流量、流速的要求。

圖3 渦輪導(dǎo)向器實體模型

圖4 多功能共用軸承座

2.2.4 連接結(jié)構(gòu)位置優(yōu)化

當(dāng)連接結(jié)構(gòu)軸向或者徑向整體偏移時，接觸面位移相互協(xié)調(diào)，能保證較好的連接狀態(tài)；而角向偏移或者彎曲變形時，接觸面易發(fā)生相對滑移或者局部磨損從而影響連接的穩(wěn)定。PW150發(fā)動機(jī)通過對承力路線的選取，連接位置的優(yōu)化，保證了連接穩(wěn)定性的要求。PW150發(fā)動機(jī)導(dǎo)向器內(nèi)、外連接螺栓軸向位置相同，如圖5所示。當(dāng)2個軸承受載時，剛性軸承座徑向偏移，由于上述2個連接結(jié)構(gòu)在同一垂面，軸承座偏移時連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)整體徑向偏移的特征，以保證連接穩(wěn)定。

圖5 連接結(jié)構(gòu)位置優(yōu)化

2.3 PW 公司新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

PW 公司在早期設(shè)計了PW150發(fā)動機(jī)，隨著技術(shù)的發(fā)展，在2008年提出了1種適用多類型發(fā)動機(jī)的新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)[11]，與PW150發(fā)動機(jī)在結(jié)構(gòu)上有諸多不同。

2.3.1 承力輻板組件

新型結(jié)構(gòu)沒有采用PW150發(fā)動機(jī)渦輪導(dǎo)向器承力的方案，而是將氣動件與承力件分離，并設(shè)計了1種結(jié)構(gòu)緊湊、剛性良好的承力輻板結(jié)構(gòu)。

承力輻板組件與軸承座一同形成渦輪支承結(jié)構(gòu)的主體承力框架，二者用螺栓連接，如圖6所示。在載荷從軸承向機(jī)匣傳遞的路線上僅有1個連接結(jié)構(gòu)，有利于承力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。承力輻板上端加厚，與機(jī)匣用徑向螺釘連接，下端與折返式內(nèi)環(huán)加工成一體。徑向螺釘連接與輻板內(nèi)環(huán)一體的結(jié)構(gòu)采用7個承力輻板來保證了支承的剛度，使承力輻板形成剛性很好的組件。

2.3.2 渦輪導(dǎo)向器

圖6 PW 公司新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

由于承力輻板與內(nèi)環(huán)一體，導(dǎo)向器周向扇形分段以便安裝，每個扇形段含有1個空心葉片和多個導(dǎo)流葉片，如圖7所示?？招娜~片阻隔了高溫燃?xì)馀c承力輻板直接接觸；同時冷卻氣體從承力輻板與空心葉片的空隙中流過對承力輻板進(jìn)行冷卻。PW150發(fā)動機(jī)的導(dǎo)向器既傳遞載荷，又暴露于高溫環(huán)境下，導(dǎo)致穩(wěn)定性與壽命受到影響，然而該空心葉片為承力輻板傳遞載荷提供了1個相對低溫的工作環(huán)境，解決了高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)剛度弱化的問題。

2.3.3 軸承座

為同時支承2個軸承，新型結(jié)構(gòu)采用共用軸承座，并設(shè)計了安全“機(jī)械保險”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是指是軸承支座錐殼上設(shè)計的圈槽（如圖8所示）。槽的尺寸保證軸承支座能夠承受正常的工作載荷，但在大載荷作用下該段優(yōu)先失效，阻隔載荷外傳。該優(yōu)先失效結(jié)構(gòu)有助于保護(hù)輸油管等外側(cè)部件，保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在大不平衡狀態(tài)下，可以安全停車，避免造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷。

圖7 渦輪導(dǎo)向器裝配

圖8 軸承座“機(jī)械保險”結(jié)構(gòu)

2.4 GE公司新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

GE公司在小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)設(shè)計中一直采用帶中介支承的雙轉(zhuǎn)子支承方案，該設(shè)計在高、低壓渦輪之間沒有支承結(jié)構(gòu)，有利于減輕質(zhì)量，提高推重比。在渦軸發(fā)動機(jī)中很難使用中介軸承，需要先進(jìn)的渦輪級間支承結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的發(fā)展和對小尺寸、高轉(zhuǎn)速燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)推重比和功重比要求的提高，近年來GE公司基于渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了新型整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案[12]，如圖9所示。該結(jié)構(gòu)僅支承單個支點，即燃?xì)鉁u輪后支點。

2.4.1 承力輻板組件

承力輻板、內(nèi)輪轂與機(jī)匣三者加工為整體。整體式設(shè)計能避免連接結(jié)構(gòu)的使用，減少零件數(shù)。導(dǎo)流葉片與帶有強(qiáng)化冷卻的冷卻擋板包圍承力輻板，與常規(guī)設(shè)計不同，滑油管路并未穿過空心承力輻板，而是與承力輻板環(huán)向并列安裝，從2個承力輻板之間伸入軸承腔，如圖10所示。該結(jié)構(gòu)增大了承力輻板及滑油管路周圍的冷卻空氣流通空間，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)冷卻效果；同時減小了油管損壞的風(fēng)險。

圖9 GE公司新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

圖10 滑油管路裝配

2.4.2 渦輪導(dǎo)向器

承力輻板與機(jī)匣、內(nèi)輪轂一體的結(jié)構(gòu)給導(dǎo)向器的安裝帶來了難題；同時承力輻板的數(shù)量與導(dǎo)流所需的葉柵稠度并不匹配，出于氣動與結(jié)構(gòu)的綜合考慮，GE公司將渦輪導(dǎo)葉設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式，共同形成組合葉柵。

渦輪導(dǎo)向器由整體式、軸向分段式和組合式導(dǎo)葉組成，三者翼型相同，內(nèi)部加工有蛇形冷卻通道強(qiáng)化冷卻效果。其中整體式導(dǎo)葉包圍滑油管路，軸向分段式導(dǎo)葉包圍承力輻板，葉片沿葉身截面拆分為前緣段和尾緣段，通過螺栓與鎖扣將二者相連，如圖11所示。組合式導(dǎo)葉以3個1組形式，均勻安裝于承力輻板與滑油管路之間，如圖12所示。

渦輪導(dǎo)葉外環(huán)徑向用掛鉤式結(jié)構(gòu)固定，左側(cè)軸向通過銷釘固定，內(nèi)環(huán)與右側(cè)無固定措施。該單側(cè)固定的方式使得導(dǎo)向器在徑向與軸向均可自由膨脹，避免連接端產(chǎn)生過大熱應(yīng)力；同時導(dǎo)葉掛鉤設(shè)計成折返式結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)膨脹空間，減小熱應(yīng)力。

圖11 軸向分段式導(dǎo)葉

圖12 組合式導(dǎo)葉

3 關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)

為了有效地滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基本設(shè)計要求，實現(xiàn)高結(jié)構(gòu)效率[13]支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計，需要先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)提供支持。通過對各公司典型方案的對比分析，渦輪級間支承結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)有以下幾個主要方面。

3.1 轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與動力學(xué)一體化設(shè)計

支點數(shù)目、位置、跨度不僅影響轉(zhuǎn)子的動力特性，也決定著支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計。動力渦輪前采用雙滾棒軸承支承滿足動力渦輪單元體設(shè)計與渦輪間隙控制的要求，相應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)需采取措施減小彎矩的影響和支點間振動耦合；具有諸多優(yōu)點的共用支承結(jié)構(gòu)同時也使得振動問題復(fù)雜，設(shè)計難度增大。選擇合適的支承方案與結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)、靜子均具有良好的力學(xué)特性，從而保證整體結(jié)構(gòu)具有高結(jié)構(gòu)效率是設(shè)計目標(biāo)之一。因此，應(yīng)綜合考慮支承方案對轉(zhuǎn)子特性和支承結(jié)構(gòu)的影響，對轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與動力學(xué)一體化設(shè)計，實現(xiàn)收益最大化。

3.2 低溫敏感度支承結(jié)構(gòu)設(shè)計

支承結(jié)構(gòu)對溫度的敏感度主要包括剛度與應(yīng)力低敏感2個方面。渦輪級間支承結(jié)構(gòu)的高溫工作環(huán)境易帶來支承剛度弱化與熱應(yīng)力集中的問題，保證在變溫條件下的低應(yīng)力分布與穩(wěn)定的支承剛度，對支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要。

低溫敏感度設(shè)計主要采取2種途徑：（1）采用良好的隔熱冷卻措施，尤其對處于高溫主流道的承力輻板部件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中將承力輻板與導(dǎo)流葉片均加工成空心結(jié)構(gòu)，中通冷卻空氣，輔以冷卻擋板、隔熱材料等措施強(qiáng)化冷卻效果；（2）在整體結(jié)構(gòu)中合理布置低剛度區(qū)。該結(jié)構(gòu)允許較大的變形，有利于減小熱應(yīng)力。整體剛度取決于結(jié)構(gòu)剛度最薄弱點，將其置置于冷卻效果良好、溫度較低的區(qū)域，可保證整體支承剛度的穩(wěn)定；同時對連接段采取折返式結(jié)構(gòu)、部件單側(cè)固定等手段保證充足膨脹空間，避免大熱應(yīng)力的產(chǎn)產(chǎn)生。

3.3 結(jié)構(gòu)多功能化設(shè)計

共用支承結(jié)構(gòu)含有多個軸承共腔，除滿足支承要求外，還需要輔以必要的冷卻、潤滑措施。所以需要承力與空氣、滑油系統(tǒng)一體化設(shè)計，采用多功能結(jié)構(gòu)來統(tǒng)籌安排各方面需求。

PW150發(fā)動機(jī)的共用軸承座很好地體現(xiàn)了多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念，剛性環(huán)形的軸承座構(gòu)型，配合油孔、氣孔位置、尺寸的精確設(shè)計，實現(xiàn)其支承、冷卻與供油的多項功能，使得發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，用較少的零件數(shù)實現(xiàn)不同設(shè)計要求，但也造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度增大。

3.4 連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計

渦輪級間支承結(jié)構(gòu)的高溫、大載荷工作環(huán)境對連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了更高要求。

增強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要從2方面入手：（1）采取整體性結(jié)構(gòu)，盡量減少連接結(jié)構(gòu)數(shù)量。如PW公司的新型支承結(jié)構(gòu)，承力輻板與內(nèi)輪轂為一體，從軸承外環(huán)至機(jī)匣的載荷傳遞路線中僅使用1處螺栓連接，大大強(qiáng)化了連接的穩(wěn)定性。由于設(shè)計需要承力輻板穿過導(dǎo)流葉片，使用整體性結(jié)構(gòu)往往給導(dǎo)向器的安裝帶來難題。對于承力輻板與輪轂一體的結(jié)構(gòu)，可將導(dǎo)向器設(shè)計成扇形分段式結(jié)構(gòu)，或采用軸向分段式導(dǎo)葉實現(xiàn)安裝。（2）連接結(jié)構(gòu)位置與承力路線的優(yōu)化設(shè)計，將連接結(jié)構(gòu)置于低溫、小載荷區(qū)域；同時合理安排載荷傳遞路線，避免連接結(jié)構(gòu)在載荷作用下發(fā)生過大的角向變形。

3.5 強(qiáng)振動衰減與隔振結(jié)構(gòu)設(shè)計

隔振性主要針對支點之間以及軸承外環(huán)至機(jī)匣的振動隔離。剛度-質(zhì)量分布對結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗具有決定作用，相鄰部件之間剛度-質(zhì)量分布差異加大可有效避免耦合振動。MTR390發(fā)動機(jī)的燃?xì)鉁u輪與動力渦輪采用獨立軸承座，二者位于剛性很好的承力輻板兩側(cè)，形成大的剛度-質(zhì)量分布梯度，減小了動力渦輪與燃?xì)鉁u輪支點之間的振動耦合。

另外，阻尼材料與結(jié)構(gòu)可以耗散振動能量，加速振動衰減，如鼠籠彈支與擠壓油膜阻尼器的應(yīng)用。在設(shè)計過程中，一般綜合采用2種手段，以達(dá)到良好的隔振效果。

3.6 結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計策略

在高溫環(huán)境下，滑油管路的存在使得極限狀態(tài)下的安全性設(shè)計更加重要。PW公司的新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)中采用“機(jī)械保險”結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計策略，在極限載荷情況下可人為定位失效段，避免了支承結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步損害。GE公司一改滑油管路穿過空心承力輻板的傳統(tǒng)設(shè)計，在新型支承結(jié)構(gòu)中將二者分離，環(huán)向并列安裝，使得滑油管路遠(yuǎn)離承力構(gòu)件以減小油管破損的危險性。

4 結(jié)論

（1）在設(shè)計過程中應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)方案對轉(zhuǎn)-靜子件力學(xué)特性的影響，采用結(jié)構(gòu)與動力學(xué)一體化設(shè)計使收益最大化。

（2）采用結(jié)構(gòu)與冷卻手段來降低剛度與應(yīng)力對溫度的敏感度，設(shè)計多功能結(jié)構(gòu)以同時滿足支承、冷卻、潤滑等方面要求。

（3）使用整體性部件以減少連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)位置保證其穩(wěn)定性。

（4）應(yīng)用變剛度-質(zhì)量分布設(shè)計與阻尼結(jié)構(gòu)，以提高支承結(jié)構(gòu)振動衰減性和隔振性。

本文僅從總體結(jié)構(gòu)角度對渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，細(xì)節(jié)設(shè)計如冷卻封嚴(yán)、減質(zhì)優(yōu)化等研究工作還有待展開。

[1]劉寶龍，洪杰.通用核心機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)[J].振動與沖擊，2010，29（S1）：58-62.LIU Baolong，HONG Jie.Structural design technology of the versatile core rotor system[J].Journal of Vibration and Shock，2010，29（S1）：58-62.（in Chinese）

[2]陳光，洪杰，馬艷紅.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：334-343.CHEN Guang，HONG Jie，MA Yanhong.Structure of gas turbine engine[M].Beijing：Beihang University Press，2010：334-343.（in Chinese）

[3]胡曉煜.世界中小型航空發(fā)動機(jī)手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006：214-220.HU Xiaoyu.Manual of world small and medium sized aeroengine[M].Beijing:Aviation Industry Press，2006：214-220.（in Chinese）

[4]王強(qiáng)，李維.前功率輸出式渦軸發(fā)動機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)布局改進(jìn)[J].燃?xì)鉁u輪實驗與研究，2010，23（3）：27-30.WANG Qiang，LI Wei.Improvement of turbine structure for turboshaft engine front output shaft[J].Gas Turbine Experiment and Research，2010，23（3）：27-30.（in Chinese）

[5]United Technologies Corporation.Actuated variable geometry mid turbine frame design：United States，US 8113768B2[P].2012-2-14.

[6]Kumar K B，Nagendra S，Sowa W A.Mid turbine frame:United States，US 8181466B2[P].2010-6-28.

[7]陳予恕，張華彪.航空發(fā)動機(jī)整機(jī)動力學(xué)研究進(jìn)展與展望[J].航空學(xué)報，2011，32（8）：1371-1391.CHEN Yushu，ZHANG Huabiao.Review and prospect on the research of dynamics of complete aeroengine systems[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2011，32（8）：1371-1391.（in Chinese）

[8]劉永泉，王德友，洪杰，等.航空發(fā)動機(jī)整機(jī)振動控制技術(shù)分析[J].航空發(fā)動機(jī)，2013，39（5）：1-8.LIU Yongquan,WANG Deyou,HONG Jie,et al.Analysis of whole aeroengine vibration control technology[J].Aeroengine,2013，39（5）：1-8.(in Chinese）

[9]Leen SB，Ratsimba C H H，Williams E J.An investigation of the fatigue and fretting performance of a representative aeroengine splined coupling [J].Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2002，37（6）：65-83.

[10]王兆豐,蔣學(xué)軍,劉忠華.基于階比分析技術(shù)的燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子支承松動[J].航空發(fā)動機(jī),2013,39（5）：9-13.WANG Zhaofeng,JIANG Xuejun,LIU Zhonghua.Fault diagnosis of rotor pedestal looseness for gas generator based on order analysis technique[J].Aeroengine,2013，39（5）：9-13.(in Chinese）

[11]General Electric Company.Integrated service tube and impingement baffle for a gas turbine engine：United States，US 8177481B2[P].2010-5-15.

[12]Pratt Whitney Canada Crop.Mid turbine frame system for gas turbine engine：United States，US 8061969B2[P].2011-11-22.

[13]張大義，馬艷紅，梁智超，等.整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的評估方法-結(jié)構(gòu)效率[J].航空動力學(xué)報，2010，15（10）：2170-2176.ZHANG Dayi，MA Yanhong，LIANG Zhichao，et al.Evalua tion method on whole engine structural design structural effi ciency [J].Journal of Aerospace Power，2010，15（10）：2170-2176.（in Chinese）