槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器研究現(xiàn)狀及構(gòu)型分析*

丁金濤，陳志剛，張麗娜

(中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

0 引 言

槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)兼具渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率低、起降性能好、低空低速性能好和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)巡航高度高、巡航速度快的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)在各國(guó)正在加緊研發(fā)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。

國(guó)外槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)研究起步于20世紀(jì)70年代，目前比較典型的代表有前蘇聯(lián)的NK-12和NK-93、烏俄合作研制的D-27及歐美發(fā)展的GE-36、578-DX等，其中D-27是目前世界上唯一裝機(jī)投入使用的槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。國(guó)內(nèi)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)研究比較薄弱，與國(guó)外技術(shù)差距較大。

槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的槳扇槳葉有單排或雙排兩種，雙排對(duì)轉(zhuǎn)槳扇具有高速巡航速度時(shí)高飛行效率的優(yōu)點(diǎn)，與單排槳扇相比，雙排槳扇的效率要高8%。迄今世界上已經(jīng)出現(xiàn)過的槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)，基本是采用雙排對(duì)轉(zhuǎn)槳扇構(gòu)型。對(duì)于齒輪驅(qū)動(dòng)雙排對(duì)轉(zhuǎn)槳扇構(gòu)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器的研究是其關(guān)鍵技術(shù)之一，減速器設(shè)計(jì)決定了前后排槳扇的功率分配比例，而前后排槳扇的功率比對(duì)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響大，以工作狀態(tài)最優(yōu)來分配，帶來的發(fā)動(dòng)機(jī)推力變化量可達(dá)到5%以上[2]。

筆者首先對(duì)國(guó)內(nèi)外槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié),在此基礎(chǔ)上對(duì)共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器的典型構(gòu)型進(jìn)行了分析，總結(jié)了共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器主要設(shè)計(jì)特征，最后就輪齒形式、均載方法進(jìn)行了具體分析。

1 共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器研究現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于雙自由度共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器的研究起步較早，最早可追溯至20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)庫(kù)茲涅佐夫設(shè)計(jì)局研制的NK-12渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用基于差動(dòng)行星傳動(dòng)的雙自由度共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器，傳遞功率達(dá)10295 kW。

自20世紀(jì)80年代初開始，歐美和前蘇聯(lián)等西方各國(guó)開展了多個(gè)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)和型號(hào)研制工作。如普惠公司、艾利遜公司和漢密爾頓公司聯(lián)合研制的578-DX槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)，前蘇聯(lián)庫(kù)茲涅佐夫設(shè)計(jì)局研制的三轉(zhuǎn)子齒輪傳動(dòng)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)NK-93等。578-DX采用雙自由度共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器，為提高對(duì)轉(zhuǎn)減速器的可靠性及性能，實(shí)施了先進(jìn)減速器技術(shù)(AGBT)計(jì)劃，目的是使最新的分析技術(shù)、先進(jìn)的材料應(yīng)用于槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)減速器中。艾利遜公司以AGBT技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)了一款7 650kW的雙自由度共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器裝配于578-DX槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1989年在MD-80飛機(jī)上完成了飛行驗(yàn)證試驗(yàn)。NK-93發(fā)動(dòng)機(jī)吸取了以往多款發(fā)動(dòng)機(jī)(如NK-62、NK-110)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，截至1993年，NK-93各部件及整機(jī)試驗(yàn)累積達(dá)2 500 h，至1997年，已制造7臺(tái)原型機(jī)并進(jìn)行了地面試驗(yàn)，1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝在伊爾-76飛行試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了飛行試驗(yàn)[3]。

20世紀(jì)90年代初，由于槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)自身存在的噪聲、振動(dòng)、安裝方式、結(jié)構(gòu)完整性和安全性等方面的問題，加上國(guó)際石油市場(chǎng)趨于穩(wěn)定，美歐多個(gè)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)研制計(jì)劃相繼中斷，只有烏俄合作研制的用作中型運(yùn)輸機(jī)安-70/70T、別-42和安-180新一代動(dòng)力裝置的D-27槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)，取得成功并投入使用，也是目前世界上唯一投入使用的槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

日本川崎重工于2007年開始對(duì)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器開展系統(tǒng)研究[4-6]，針對(duì)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)所需的輕質(zhì)和高可靠度的減速器，重點(diǎn)解決其對(duì)準(zhǔn)偏差影響齒輪可靠性的難題。于2011年設(shè)計(jì)、加工出一臺(tái)20 000HP功率等級(jí)的槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器，2012年完成了減速器的磨合試驗(yàn)、額定性能試驗(yàn)、效率試驗(yàn)及持久試車試驗(yàn)。

我國(guó)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)研究比較薄弱，直到2010年及以后才有國(guó)內(nèi)學(xué)者開始關(guān)注槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)在減少燃油消耗、降低排放等方面的優(yōu)勢(shì)。在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，目前有侯明曦等對(duì)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)等速對(duì)轉(zhuǎn)行星齒輪箱進(jìn)行了研究[7]：對(duì)齒輪疲勞強(qiáng)度、行星軸承壽命和傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)行了分析，并開展了行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。北京航空航天大學(xué)單鵬教授對(duì)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器傳動(dòng)原理進(jìn)行了研究[8]，并推導(dǎo)了齒輪輪齒參數(shù)與性能參數(shù)的匹配關(guān)系。

2 共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器典型構(gòu)型分析

槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器用于匹配發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子或動(dòng)力渦輪和雙排槳扇協(xié)同工作，其構(gòu)型直接影響減速器性能的優(yōu)劣，NASA和普惠公司對(duì)共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器構(gòu)型進(jìn)行了大量的研究，研究得出差動(dòng)行星傳動(dòng)在重量、效率、壽命、成本等方面優(yōu)勢(shì)突出，是最合適的構(gòu)型[9]，目前國(guó)外幾款典型的槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)減速器均采用同軸式差動(dòng)行星輪系構(gòu)型，減速器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1～4。

圖1 578-DX發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)減速器 圖2 NK-93發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)減速器

圖3 D-27發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)減速器 圖4 “川崎重工”發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)減速器

差動(dòng)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為單輸入、兩路共軸輸出且轉(zhuǎn)向相反，在傳動(dòng)效率、可靠性、維護(hù)性及重量方面具有較大優(yōu)勢(shì)。差動(dòng)行星傳動(dòng)的兩路輸出，其轉(zhuǎn)速比與功率比呈一對(duì)一關(guān)系，而與機(jī)構(gòu)所傳遞的功率值完全無(wú)關(guān)。國(guó)外共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器主要設(shè)計(jì)特征如表1所列。

表1 國(guó)外共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器主要設(shè)計(jì)特征對(duì)比

差動(dòng)行星輪系擁有兩個(gè)自由度，主要由太陽(yáng)輪、行星輪、行星架和齒圈等組成。太陽(yáng)輪與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪相連，并與多個(gè)行星輪嚙合，實(shí)現(xiàn)功率分流，再由行星輪帶動(dòng)齒圈及行星架旋轉(zhuǎn)工作。行星架及內(nèi)齒圈分別與內(nèi)、外槳軸相連，從而實(shí)現(xiàn)共軸對(duì)轉(zhuǎn)輸出并帶動(dòng)前、后排槳扇工作。

各發(fā)動(dòng)機(jī)減速器具有以上共同特征的同時(shí)又各具特點(diǎn)，如兩路輸出有同側(cè)輸出形式(見圖5)和對(duì)側(cè)輸出形式(見圖6)；對(duì)于人字齒差動(dòng)行星輪系，齒圈設(shè)計(jì)為對(duì)半分體式結(jié)構(gòu)有利于裝配；軸承與軸一體化設(shè)計(jì)可減輕重量等。下面就輪齒形式、均載方法進(jìn)行具體分析。

圖4 共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器同側(cè)輸出

圖5 共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器對(duì)側(cè)輸出

2.1 輪齒形式

差動(dòng)行星傳動(dòng)輪齒形式選擇和設(shè)計(jì)需考慮承載能力、振動(dòng)及噪聲、加工制造、重量和體積等方面。NK-93和D-27減速器輪齒形式采用直齒輪，且NK-93采用的是高重合度雙壓力角直齒輪；578-DX和“川崎重工”減速器采用了分體式人字齒輪結(jié)構(gòu)。

高重合度齒輪在降低輪齒應(yīng)力方面具有優(yōu)勢(shì)，有利于減輕重量和延長(zhǎng)壽命，在同等齒面寬度的情況下，高重合度齒輪相比普通正齒輪能減少應(yīng)力20%～40%[10]，而且槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)減速器相比渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)減速器齒輪具有更高的節(jié)圓線速度，高重合度齒輪亦可改善輪齒動(dòng)載荷。

人字齒輪具有承載能力大、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小等突出優(yōu)點(diǎn)，可有效減小減速器的外形尺寸和重量，同時(shí)又能夠克服斜齒輪會(huì)產(chǎn)生較大軸向力這一缺點(diǎn)。但人字齒輪傳動(dòng)時(shí)兩側(cè)斜齒同時(shí)進(jìn)入嚙合，兩側(cè)斜齒的對(duì)中性問題易引起額外的附加軸向力，影響齒輪副嚙合性能。值得注意的是，人字齒行星輪系的裝配要求較高，需在比較精確的定心引導(dǎo)下，多組人字齒輪同時(shí)配合到位并整體裝入機(jī)匣的軸承座內(nèi)，如在裝配過程中，一個(gè)齒輪稍有偏離其旋轉(zhuǎn)中心，則整個(gè)輪系將無(wú)法落入正確的工作軌道內(nèi)，必然會(huì)出現(xiàn)輪系的卡死、干涉、偏離故障。因此，基于精確定位及嚙合調(diào)整的人字齒行星輪系的高精度裝配技術(shù)是差動(dòng)行星傳動(dòng)的重要內(nèi)容。

2.2 均載方法

差動(dòng)行星輪系存在多路載荷，必須考慮均載設(shè)計(jì)問題。輪系均載方法主要包括柔性結(jié)構(gòu)(彈性軸、柔性齒圈)均載和浮動(dòng)(齒圈浮動(dòng)、行星架浮動(dòng)、太陽(yáng)輪浮動(dòng)、行星輪浮動(dòng))均載。此外，行星輪還可以裝在調(diào)心滾子軸承上實(shí)現(xiàn)行星輪“浮動(dòng)”來均載。

對(duì)于直齒輪輪系，主要考慮各行星輪與相配件(太陽(yáng)輪、齒圈)之間的均載問題，對(duì)于人字齒行星輪系，還需考慮人字齒內(nèi)部?jī)膳判饼X之間的均載問題，可通過齒輪軸向浮動(dòng)來實(shí)現(xiàn)均載。國(guó)外共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器采用的均載方法如表2所列。

表2 國(guó)外共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器均載方法

3 結(jié) 語(yǔ)

槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，被視為最具前景的亞聲速航空推進(jìn)系統(tǒng)之一，是未來軍用運(yùn)輸機(jī)和民用干線客機(jī)理想動(dòng)力選型，共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器為其關(guān)鍵技術(shù)之一。文中總結(jié)了共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分析了其典型構(gòu)型及技術(shù)特點(diǎn),為槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)共軸對(duì)轉(zhuǎn)減速器的研發(fā)提供技術(shù)儲(chǔ)備。