大涵道比发动机转子连接结构研究

大涵道比发动机转子连接结构研究

刘光远

中国航发沈阳发动机研究所 沈河区万莲路1号，辽宁 沈阳，110015

摘要：大涵道比发动机对全寿命期内的性能保持以及使用安全性提出了极高的要求。在设计过程中，转子支承方案、联轴器的选择对有效控制转子变形，保持叶尖与机匣的间隙具有重要作用。本文对目前广泛采用的转子连接结构进行介绍，并选取7型国外大涵道比发动机对其联轴器结构进行了分析。目前，欧美大涵道比发动机高压转子联轴器和低压转子联轴器均采用了刚性联轴器结构。

关键词：大涵道比发动机；转子连接结构；联轴器

引言

涡扇发动机整个使用寿命期内，由于叶尖磨损、封严磨损、积垢沉淀及变形等因素，发动机整机性能会随着使用时间的延长而逐渐衰退，导致发动机推力下降、耗油率升高。发动机性能衰退是自然规律，但较快的性能衰退影响发动机正常使用，甚至影响发动机使用经济性，因此，性能衰退是当前亟需突破和解决的关键性问题。在总体结构设计过程中，转子支承方案、联轴器的选择对有效控制转子变形，保持叶尖与机匣的间隙具有重要作用，进而影响了发动机性能衰减速度。

本文从国外大涵道比发动机转子连接结构设计角度对联轴器的结构形式进行了统计和分析，明确联轴器设计在国外航空发动机设计的演变过程，为国内发动机设计提供参考。

1　联轴器结构形式

航空发动机不同的转子支承方案对联轴器功能要求不同，目前采用的联轴器主要分为刚性联轴器和柔性联轴器。

当联轴器需传递扭矩和轴向力，需将涡轮轴与压气机轴刚性联为一体，一般采用刚性联轴器。大涵道比涡扇发动机高压转子通常采用双支点的支承方案，此时需要刚性联轴器将高压压气机转子和涡轮转子连接在一起。常见的刚性联轴器包括：套齿式刚性联轴器，圆柱面定心、短螺栓连接的刚性联轴器，圆弧端齿联轴器。

当联轴器仅传递扭矩，或者既要传递扭矩、轴向力和径向力，又要保证在两联轴器不同心时能良好工作时，采用柔性联轴器，该类联轴器允许涡轮转子和压气机转子有一定的偏斜角。根据目前掌握的资料，仅在早期的俄式发动机上采用了柔性联轴器，且转子均采用3个或以上支点支撑，如AL-31F、RD-33、Д-30等。

2　GE公司

2.1　CF6-80

CF6-80C2发动机的高压转子支承方案为1-2-0。高压压气机前轴支承于No.3号滚棒轴承上，高压压气机后支点（No.4号轴承）采用滚珠、滚棒轴承并列，提高轴承寿命，滚棒轴承承受转子的径向力，滚珠轴承仅承受转子的轴向力，在轴承安排上采用先滚珠后滚棒的安排，有利于保持均匀的叶尖间隙。在CFM公司和GE公司的 CFM56、LEAP、GE90的设计中，均采用了类似设计，PW公司、罗罗公司的发动机中尚未采用这种设计。CF6-80C2发动机的高压转子的后支点设置在高压涡轮盘前，采用了滚棒轴承。由于在高压压气机转子后和高压涡轮转子前均布置发动机主轴承，可以保证压气机转子和涡轮转子的同心度，因此CF6-80C2发动机高压转子采用了套齿型刚性联轴器，如图1 所示，这种结构在80年代后研制的发动机上较为少见。

低压转子采用0-2-1支承方案，风扇后的No.1号轴承为滚珠轴承，除了能承受轴向力外，还能在低压轴断裂时将风扇盘保持在发动机内，防止风扇盘甩出，防止发生灾难性事故。风扇轴后端支承在No.2号滚棒轴承上，低压涡轮轴支承于No.6滚棒轴承上。低压转子采用了套齿型刚性联轴器，如图2 所示，低压涡轮前长轴利用前端的花键插入风扇轴内的花键槽中，此花键联轴器成为低压涡轮转子的前支点。在风扇转子后和低压涡轮轴前端均布置发动机主轴承，可以保证两个转子的同轴度。

2.2　GE90

GE90发动机是由美国通用电气公司于20世纪90年代初为波音公司777系列客机研制的双转子涡轮风扇发动机，由单级风扇、3／4级增压压气机、9／10级高压压气机、双环腔燃烧室、2级高压涡轮和6级低压涡轮等部件构成。

GE90高压转子支承方案为1-0-1，无中介支点，1-0-1的支承方案在减重和简化结构上有一定的优势，但增加了高压转子两支点间的跨度，对转子整体刚性有一定影响。为保证整个高压转子刚度，通过在高压压气机2-6级、8-10级采用焊接形式等形式，在高压涡轮采用大直径鼓筒轴、环腔结构等形式，提高结构稳定性。同时，高压压气机和高压涡轮转子间采用圆柱面定心、短螺栓连接的刚性联轴器，进一步保证了高压转子整体刚性，连接结构的稳定性，如图3 所示。

低压转子的支承方案为0-2-1，低压转子为柔性转子，低压涡轮轴细长，轴的弯曲刚度较低，为保证风扇和涡轮的性能并减小振动，需要提高风扇和低压涡轮结构局部刚度，以控制径向和角向变形。1号滚棒轴承和2号滚珠轴承支承风扇转子，5号滚棒轴承支承低压涡轮转子。低压转子采用了套齿型刚性联轴器，如图4 所示。

3　CFMI公司

3.1　CFM56

CFM56系列发动机是由美国GE公司和法国赛峰集团SNECMA公司平股合资的CFMI公司在F101核心机基础上研制的大涵道比涡扇发动机。

高压转子采用1-0-1支承方案，后支点位于涡轮盘后，采用中介支点支承于低压涡轮轴，高压压气机前轴颈与3级盘连接处伸出，减小轴向跨度。在压气机盘鼓连接结构中采用焊接转子（除第3级盘处），也提高了轴的刚性和连接结构的稳定性。高压压气机和高压涡轮转子间采用圆柱面定心、短螺栓连接的刚性联轴器，如图5 所示。低压转子的支承方案为0-2-1，轴承排布与早期的CF6发动机相同，1号轴承采用滚珠轴承，传递轴向和径向载荷，2号和5号轴承采用滚棒轴承，仅传递径向载荷。低压转子采用了套齿型刚性联轴器，如图6 所示。

3.2　LEAP-1

LEAP-1发动机CFMI公司最新研制的80～138.8kN推力级的大涵道比民用涡扇发动机，LEAP-1A/1C发动机是轴流式双转子大涵道比的涡扇发动机，由1级风扇、3级增压级、10级高压压气机、第2代双环预混旋流燃烧室、2级高压涡轮和7级低压涡轮组成。

高压转子采用1-0-1支承方式，高压压气机前支点No.3支点支撑于中介机匣上，高压涡轮后支点No.4支点支撑于高压和低压涡轮间的涡轮间承力机匣上。高压转子采用圆柱面定心、短螺栓连接的刚性联轴器，如图7 所示。低压转子采用0-2-1支承方式，风扇转子用No.1支点、No.2支点2个支点悬臂支撑在中介机匣上，低压涡轮后部采用No.5支点支撑于涡轮后机匣上。低压转子采用了套齿型刚性联轴器，如图8 所示。

4　PW公司

4.1　JT9D

JT9D发动机是普惠公司研制生产的第一台大涵道比双转子涡扇发动机。由1级风扇，3级增压级，11级高压压气机，环形燃烧室，2级高压涡轮，4级低压涡轮组成。

JT9D为4支点支承方式，是大涵道比发动机中支点数最少的，结构简单，但低压转子1号和4号支点间距离太长，约3m，低压涡轮轴加工十分困难且转子刚性较差，不利于叶尖间隙的保持。高压转子采用1-1-0的支承方式，1-1-0二支点支承方案是普惠公司核心机一直使用的传统支承方案，滚珠轴承布置与高压压气机前端，滚棒轴承布置于高压涡轮前。由于将高压涡轮支点放在涡轮前，缩短了高压轴的长度，给低压转子提供了一定的设计裕度，也避免了在高低压涡轮间设置级间承力框架。低压转子采用0-1-1的支承方式，低压涡轮与增压级鼓筒、风扇盘间采用套齿型刚性联轴器进行连接。

4.2　PW4000

PW4000发动机是由1级风扇、4级增压级、11级高压压气机、2级高压涡轮和4级低压涡轮组成。

高压转子支承方案为1-1-0，普惠公司根据当时的材料和工艺水平，在压气机轴的结构设计中，在11级高压压气机盘连接结构上，除第2级和第8级外，盘鼓间连接均采用焊接，前支点轴颈从2级盘处引出，使得转子的支点跨度缩小，提高了结构的刚性和稳定性。对于涡轮转子，在涡轮盘轴的连接结构设计上，采用轴颈和连接鼓筒环腔的结构，保证涡轮转子的刚度，并在高压涡轮前安置轴承。由于高压转子具备一定的刚度，转子间采用圆柱面定心、短螺栓连接的刚性联轴器，如图9 所示。

低压转子支承方案为0-2-1，滚珠轴承设在风扇盘之后成为1号轴承。风扇盘上的后轴未直接与低压涡轮轴相连，而是通过中介轴与低压涡轮轴相连的，中介轴与风扇后轴、低压涡轮轴均用套齿刚性联轴器相连，如图10 所示。

5　RR公司

RB211是RR公司生产的第一种采用了三转子结构的高涵道比涡轮风扇发动机，由1级风扇、7级中压压气机、6级高压压气机、环形燃烧室、1级高压涡轮、1级中压涡轮、3级低压涡轮，共有8个支点， 4个承力框架。

低压转子为0-2-1，其中低压转子的止推支点（即3号止推轴承）为中介支点，位于低压转子的中部，通过该支点可将低压轴上的轴向力传到中压压气机后支点轴承上，再传到承力框架上。风扇与低压涡轮转子采用了套齿型刚性联轴器。

中压转子为1-2-0，中压转子止推轴承位于压气机后，中压压气机前为滚棒轴承，涡轮的支点位于涡轮前，为减少涡轮悬臂的影响，将轴承布置在尽量靠近涡轮盘的重心位置。中压压气机与中压涡轮转子采用了套齿型刚性联轴器。

高压转子为1-0-1，高压转子止推轴承位于高压压气机前，三个转子的止推轴承集中在一个中压和高压压气机间的中介机匣承上，使传力路线最短。高压压气机和高压涡轮转子间采用与传统双转子涡轮风扇发动机一致的圆柱面定心、短螺栓连接的刚性联轴器。

6　结论

本文对典型的转子联轴器结构形式进行了介绍，并选取7型国外大涵道比发动机对其联轴器结构进行了分析。根据目前掌握资料，欧美大涵道比发动机高压转子联轴器和低压转子联轴器均采用了刚性联轴器，仅在早期的俄式小涵道比发动机上采用了柔性联轴器，如AL-31F、RD-33等。

本文主要分析了欧美系发动机转子联轴器结构，后续将持续跟踪国外先进大涵道比发动机转子间连接结构，尤其是俄系大涵道比发动机和新概念航空发动机联轴器结构形式。

参考文献

[1]陈光，大涵道比涡扇发动机的发展，航空动力，2019（03）：.56-61

[2]聂晶，大型民机发动机关键技术现状与发展趋势，航空制造技术，2012（21）：34-37

[3]志芳，PW4000 Turbofan Engine Family，国际航空，1994（08）：52-54

[4]索德军，GE公司民用航空发动机发展战略，航空发动机，2019（02）：85-90