商用大涵道比渦扇發(fā)動機主軸軸承應用淺析

代鈺

（中航商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海 201108）

商用大涵道比渦扇發(fā)動機主軸軸承應用淺析

代鈺

（中航商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海 201108）

主軸軸承作為航空發(fā)動機的關鍵零件之一，其應用方案直接關系到發(fā)動機轉子載荷外傳的路徑，還影響整機傳力方案設計。本文通過分析典型商用大涵道比渦扇發(fā)動機主軸軸承的應用情況，嘗試分析出常見構型發(fā)動機主軸軸承應用的最優(yōu)方案。

商用；渦扇；航空發(fā)動機；主軸軸承

0　引言

從基本構型上說，現(xiàn)代商用大涵道比渦扇發(fā)動機主要有以通用電氣（以下簡稱GE）公司、普惠（以下簡稱PW）公司和CFMI公司為代表的雙轉子發(fā)動機和以羅爾斯羅伊斯（以下簡稱RR）公司為代表的三轉子發(fā)動機。

一般每個轉子有2～3支點，基于航空發(fā)動機運轉精度高、潤滑油消耗少、方便維護的要求，支點軸承多采用滾動軸承，軸承工作時采用潤滑油潤滑。轉子軸向載荷通過止推支點軸承傳遞至主承力框架，徑向載荷通過所有支點傳遞至主承力框架，圖1為典型的雙轉子商用渦扇發(fā)動機轉子支承方案。

圖1　典型的雙轉子商用渦扇發(fā)動機轉子支承方案

1　軸承分類

相對于滑動軸承，滾動軸承的主要優(yōu)點包括：摩擦阻力小，機械效率高，容易啟動，對潤滑的要求較低；尺寸標準化，具有互換性，拆裝維修方便；結構緊湊，重量輕，軸向尺寸更??；運轉精度高，負載大；適用于大批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率高；可根據(jù)需要靈活地在軸承出設計彈性支承及阻尼器等結構。因此，航空發(fā)動機主軸軸承主要采用滾動軸承，滾動軸承的分類見圖2。

2　典型航空發(fā)動機主軸軸承應用分析

2.1雙轉子發(fā)動機主軸軸承應用分析

（1）GE90-94B發(fā)動機主軸軸承應用分析。GE90-94B是GE公司為波音B777-200飛機配發(fā)研制的雙轉子大涵道比渦扇發(fā)動機。其6級低壓渦輪帶動1級風扇和3級增壓級；2級高壓渦輪帶動10級高壓壓氣機。低壓轉子采用0-2-1支承方案，其中1號支點采用滾珠軸承，為止推支點；2號、5號支點采用滾棒軸承。高壓轉子采用1-0-1支承方案，3號支點采用滾珠、滾棒軸承并用方案，為止推支點；4號支點采用滾棒軸承。轉子支承方案見圖3。

圖2　滾動軸承分類

圖3　GE90-94B轉子支承方案

（2）GE90-115B發(fā)動機主軸軸承應用分析。GE90-115B是GE公司在GE90-94B基礎上改型設計，為波音B777-300飛機配發(fā)研制的雙轉子大涵道比渦扇發(fā)動機。其6級低壓渦輪帶動1級風扇和4級增壓級；2級高壓渦輪帶動9級高壓壓氣機。低壓轉子采用0-2-1支承方案，其中1號、5號支點采用滾棒軸承；2號支點采用滾珠軸承，為止推支點。高壓轉子采用1-0-1支承方案，3號支點采用滾珠、滾棒軸承并用方案，為止推支點；4號支點采用滾棒軸承。轉子支承方案見圖4。

與GE90-94B相比，轉子支承方案最大的不同點是低壓轉子止推支點的位置由1號改為2號。分析其主要原因有以下幾點。

①為配合可失效轉子支承技術的應用，即在適航規(guī)定的風扇葉片脫落狀態(tài)下，將1號支點支承錐壁局部減薄處剪斷（見圖5中128位置），2號軸承內(nèi)側與風扇短軸連接的球面處剪切銷同時剪斷，讓風扇轉子的旋轉中心向其新的重心靠近，從而減小其不平衡載荷，達到減少傳力路徑上零件重量的目的；

②1號支點位置采用滾棒軸承，有利于控制風扇葉尖間隙；

③2號支點位置徑向載荷相對較小，降低了球軸承載荷，提高其工作可靠性。

圖4　GE90-115B轉子支承方案

圖5　可失效轉子支承技術示意圖

2.2三轉子發(fā)動機主軸軸承應用分析

目前RR公司的Trent系列發(fā)動機是在其RB211發(fā)動機基礎上發(fā)展起來的三轉子大涵道比渦扇發(fā)動機。以Trent800發(fā)動機（應用于波音B777飛機）為例。4級低壓渦輪帶動1級風扇，1級中壓渦輪帶動8級中壓壓氣機，1級高壓渦輪帶動6級高壓壓氣機。3個轉子采用8支點方案（見圖6）：高壓轉子采用1-0-1支承方案，其中5號支點采用滾珠軸承，為止推支點；6號支點采用滾棒軸承。中壓轉子采用1-2-0支承方案，其中4號支點采用滾珠軸承，為止推支點；2號、7號支點采用滾棒軸承。低壓轉子采用0-2-1支承方案，其中3號支點是采用滾珠軸承的中介支點，為止推支點；1號、8號支點采用滾棒軸承。

可以看出Trent800發(fā)動機三個轉子的止推支點相鄰，且支承在同一個承力框架上。而推力拉桿安裝于此承力框架，這樣保證軸向載荷傳遞路徑最短。

2.3齒輪傳動風扇發(fā)動機主軸軸承應用分析

以PW公司PW1000G系列發(fā)動機為代表的齒輪傳動風扇發(fā)動機（GTF發(fā)動機）在傳動的雙轉子發(fā)動機低壓渦輪軸與風扇轉子中間增加了一個減速器。其轉子支承方案與傳統(tǒng)構型發(fā)動機也存在較大差異。PW1000G轉子采用6支點方案（見圖7）：低壓轉子采用0-2-2支承方案，其中1號支點采用1對斜置滾棒軸承，承擔風扇轉子的軸向、徑向載荷；2號支點采用滾珠軸承，承擔低壓壓氣機-低壓渦輪轉子的軸向、徑向載荷；5號、6號支點采用滾棒軸承。

圖6　Trent800轉子支承方案

圖7　PW1000G轉子支承方案

3　結語

軸承承擔的轉子載荷中，軸向載荷一般高于徑向載荷1-2個量級，因此轉子的止推軸承工作條件最為惡劣。

為保證止推軸承得到良好的潤滑與冷卻，減少高溫對軸承及滑油的影響，從上述典型的商用大涵道比渦扇發(fā)動機主軸軸承應用來看，轉子的止推軸承全部布置在低溫區(qū)，即靠近發(fā)動機前端位置。從提高推力軸承可靠性的角度，可以考慮在高壓轉子止推支點處采用滾珠、滾棒軸承并用方案，以合理分配軸承載荷。同時，發(fā)動機幾個轉子的推力軸承盡可能靠近，支承在同一個主承力框架上，以縮短載荷的傳遞路徑，提高結構效率。

［1］ 陳光.航空發(fā)動機結構設計分析 北航出版社，2006.07.

［2］ 林基恕.航空發(fā)動機主軸滾動軸承的技術進展.燃氣渦輪試驗與研究，2003.04.

［3］ 唐云冰，等.航空發(fā)動機高速滾動軸承力學特征分析與研究.航空動力學報，2006.04.

［4］ 張大義，等. 航空發(fā)動機轉子系統(tǒng)的結構效率評估方法研究.航空動力學報，2010.07.

［5］ 馬艷紅，等.航空發(fā)動機承力系統(tǒng)結構效率評估方法.航空動力學報，2016.02.

［6］ 萬常森.滾動軸承的分析方法.機械工業(yè)出版社，1985.07.

V235.13

A

1671-0711（2016）08（下）-0089-02