淺析航空發(fā)動(dòng)機(jī)約束/載荷解耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

■ 牟園偉/中國航發(fā)研究院

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一些結(jié)構(gòu)受到性能、強(qiáng)度、振動(dòng)、質(zhì)量等多設(shè)計(jì)目標(biāo)約束或氣、固、熱載荷耦合作用，設(shè)計(jì)難度加大。采用約束/載荷解耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分散難點(diǎn)，化難為易，值得借鑒。

所謂發(fā)動(dòng)機(jī)約束/載荷解耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指一些受性能、強(qiáng)度、振動(dòng)、質(zhì)量等多目標(biāo)約束或氣、固、熱載荷耦合作用的結(jié)構(gòu)，通過將多重約束/載荷解耦，分開承載，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的全部功能。航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制與使用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，不僅要保持發(fā)動(dòng)機(jī)性能穩(wěn)定，還要具備很高的可靠性與耐久性?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念是盡可能使發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)減少、質(zhì)量減輕、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和支承方案簡單。為此，小展弦比、高增壓比壓氣機(jī)葉片、整體葉盤、焊接轉(zhuǎn)子、空心風(fēng)扇葉片等一系列結(jié)構(gòu)形式應(yīng)運(yùn)而生。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡化、質(zhì)量減輕，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)載荷也趨近強(qiáng)度極限，與發(fā)動(dòng)機(jī)性能、可靠性設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生了矛盾。如何綜合性能、強(qiáng)度、振動(dòng)、質(zhì)量等多因素進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)，是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)。因此，在整機(jī)結(jié)構(gòu)采用減重措施的前提下，可以在局部關(guān)鍵位置適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量及零件數(shù)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)更高的性能與可靠性。航空發(fā)動(dòng)機(jī)約束/載荷解耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正是體現(xiàn)了這一思想。

圖1 F110發(fā)動(dòng)機(jī)支承方案簡圖

發(fā)動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)解耦設(shè)計(jì)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)設(shè)計(jì)

GE公司的F101、F110等發(fā)動(dòng)機(jī)采用了雙轉(zhuǎn)子5支點(diǎn)支承方案設(shè)計(jì)。其高壓轉(zhuǎn)子采用了1-0-1的兩支點(diǎn)支承，高壓渦輪后軸通過中介軸承支承于低壓渦輪軸（如圖1所示）。這種支承方式可使發(fā)動(dòng)機(jī)承力構(gòu)件減少，發(fā)動(dòng)機(jī)長度也縮短。但這同時(shí)也帶來一個(gè)新的問題，即將大直徑的高壓轉(zhuǎn)子支承于直徑較小的低壓軸上，高低壓轉(zhuǎn)子既要控制自身的振動(dòng)問題，又要防止低壓轉(zhuǎn)子的振動(dòng)、變形對(duì)高壓轉(zhuǎn)子的影響。為了盡量減小這種影響，低壓轉(zhuǎn)子渦輪軸與風(fēng)扇軸之間需采用剛性聯(lián)軸器連接。該方案對(duì)轉(zhuǎn)子、機(jī)匣的加工精度要求很高，如果不能保證足夠高的加工精度，高低壓轉(zhuǎn)子之間的耦合作用將帶來整機(jī)振動(dòng)、性能衰退等一系列問題。例如，D-30K系列發(fā)動(dòng)機(jī)就曾多次出現(xiàn)金屬屑超標(biāo)、鈦火、低壓渦輪軸斷裂等嚴(yán)重危及飛行安全的故障，主要原因是D-30K發(fā)動(dòng)機(jī)的高低壓轉(zhuǎn)子間采用了中介軸承，要求低壓轉(zhuǎn)子、機(jī)匣各支點(diǎn)保持良好的同心度，但加工精度達(dá)不到要求，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障頻發(fā)。

歐美研制的發(fā)動(dòng)機(jī)EJ200、GEnx、LEAP、PW1000G等均采用了另一種支承結(jié)構(gòu)——用高低壓渦輪間承力框架取代中介軸承，支承高壓渦輪后支點(diǎn)，以將高低壓轉(zhuǎn)子之間的相互作用隔離。取消中介軸承后，低壓轉(zhuǎn)子可以采用柔性聯(lián)軸器，從而極大地降低了低壓轉(zhuǎn)子的加工精度要求。

渦輪間承力框架要承受熱、固耦合載荷作用，承力結(jié)構(gòu)在高溫燃?xì)庾饔孟聵O易變形且剛度、強(qiáng)度下降。在承力框架的設(shè)計(jì)中，采用了將受力件與受熱件分開設(shè)計(jì)的思路，從而將熱、固載荷分開承擔(dān)。承力支板從低壓渦輪空心導(dǎo)向葉片中穿過，有冷卻空氣對(duì)其冷卻，導(dǎo)向葉片允許在軸向、徑向與周向自由膨脹，提高了結(jié)構(gòu)可靠性與耐久性。

PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、增壓級(jí)與低壓渦輪都是遵循同軸共轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)。對(duì)于大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇與增壓級(jí)、低壓渦輪轉(zhuǎn)速耦合，嚴(yán)重制約了增壓級(jí)與低壓渦輪的性能。其原因是風(fēng)扇直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于增壓級(jí)與渦輪直徑，設(shè)計(jì)時(shí)受風(fēng)扇葉尖速度限制，低壓轉(zhuǎn)子只能采取較低轉(zhuǎn)速。為了滿足總壓比要求以及驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的功率需求，增壓級(jí)與低壓渦輪級(jí)數(shù)較多。發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)及質(zhì)量均大大增加。

基于風(fēng)扇與增壓級(jí)、低壓渦輪轉(zhuǎn)速解耦設(shè)計(jì)理念，PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)增加了齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與增壓級(jí)、渦輪轉(zhuǎn)子工作在各自的最佳轉(zhuǎn)速。采用此設(shè)計(jì)方案，可以帶來以下好處：風(fēng)扇轉(zhuǎn)速低，使風(fēng)扇在較低的葉尖速度與壓比下工作，提高風(fēng)扇效率，降低噪聲，提高葉片抗外物打擊能力；增壓級(jí)轉(zhuǎn)速高，級(jí)增壓比大，2～3級(jí)的增壓級(jí)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的5～7級(jí)的增壓級(jí)增壓比還大；低壓渦輪轉(zhuǎn)速高，級(jí)功率大，減少了渦輪級(jí)數(shù)。

雖然齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)增加了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，由于低壓轉(zhuǎn)子級(jí)數(shù)的減少較多，齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量將低于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量。

圖2 EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)剖視圖

CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)前支點(diǎn)設(shè)計(jì)

CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)前支點(diǎn)由一個(gè)滾珠軸承支承，此軸承要承受徑向載荷與軸向載荷雙重作用，工作條件較差，故障率高。在后續(xù)改型發(fā)動(dòng)機(jī)中，此支點(diǎn)改為一個(gè)滾珠軸承與一個(gè)滾棒軸承并列設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)思路是將高壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)徑向載荷與軸向載荷解耦，由兩個(gè)軸承分開承擔(dān)。滾珠軸承承擔(dān)軸向載荷，滾棒軸承承擔(dān)徑向載荷。既提高了軸承耐久性，又限制了轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保持了葉尖間隙均勻。為了實(shí)現(xiàn)兩種載荷分開承擔(dān)，將滾珠軸承支承于彈性支座，而滾棒軸承支承于剛性支座。

PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸1號(hào)軸承位置設(shè)計(jì)

PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子滾珠軸承是設(shè)在風(fēng)扇盤后的1號(hào)軸承。風(fēng)扇盤后軸通過套齒聯(lián)軸器與渦輪軸相連。風(fēng)扇后軸既傳遞大扭矩，又傳遞大軸向載荷。如果1號(hào)軸承直接安裝在風(fēng)扇后軸，在原有載荷基礎(chǔ)上，還會(huì)疊加徑向載荷，將會(huì)給風(fēng)扇后軸的安全性設(shè)計(jì)帶來困難?；谳d荷解耦設(shè)計(jì)理念，將1號(hào)軸承安裝位置與套齒位置沿軸向錯(cuò)開，位于風(fēng)扇軸的后端。風(fēng)扇軸在此處既不傳遞扭矩，也不傳遞軸向力，極大地提高了可靠性。

EJ200、RB211發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)雙層機(jī)匣設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣在工作過程中既要作為傳力構(gòu)件，還要構(gòu)成氣流通道。EJ200、RB211發(fā)動(dòng)機(jī)為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)性能隨著使用時(shí)間的增長而衰減，采用了核心機(jī)雙層機(jī)匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖2所示）。雙層機(jī)匣中，外層作為承力結(jié)構(gòu)，內(nèi)層機(jī)匣作為氣流通道的包容環(huán)。由于內(nèi)層機(jī)匣不參與承力，發(fā)動(dòng)機(jī)在受到各種載荷作用后，外層機(jī)匣可能發(fā)生變形，但內(nèi)層機(jī)匣不會(huì)受到影響，始終保持良好的圓整度，因而能保持核心機(jī)中壓氣機(jī)與渦輪的葉尖間隙不會(huì)變化，性能保持較好。目前，大多數(shù)高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的后面級(jí)都采用雙層機(jī)匣設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)雖然增加了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但帶來了發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面的極大收益。

結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)約束/載荷解耦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量減輕、結(jié)構(gòu)簡化的大原則下，反其道而行之，在局部關(guān)鍵位置增加結(jié)構(gòu)數(shù)量與質(zhì)量，以換取性能、可靠性或整機(jī)質(zhì)量的更大收益。該設(shè)計(jì)理念通過將約束/載荷解耦，分開承載，降低了耦合條件下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、材料、工藝水平還未發(fā)展到能夠直接承受耦合約束/載荷的階段，解耦設(shè)計(jì)是一種化難為易、巧妙可行的設(shè)計(jì)方法。