航空发动机转子(苏洪涛)

航空发动机的分类及不同分类在飞机上的应用：1.涡轮喷气发动机，简称涡喷：涡喷发动机适用范围较广，从低空低亚音速到高空超音速飞机都广泛应用，主要还是应用于高速领域，如军用战斗机。（第三代战斗机以前）对于战斗机来说，为了提高发动机推力，获得良好的加速性能，某些高性能战机的发动机在涡轮后增加了一个加力燃烧室，通过加力燃烧室喷出燃油，与经过涡轮的燃气混合燃烧，产生额外的推力。2.涡轮螺旋桨发动机，简称涡桨：在燃气发生器出口增加动力涡轮，涡桨发动机将燃气发生器产生的可用功大部分全部从动力涡轮轴上输出，通过减速器驱动飞机的螺旋桨产生拉力；可用功的少部分作为燃气的动能从尾喷管喷出，产生较小的反作用推力。显然，飞机的螺旋桨是发动机的主要推进器。涡桨发动机涵道比较高，在低速时拥有较高的效率，但是，由于桨叶的限制，使得在发动机达到或者接近亚音速领域的时候，叶尖可能会达到或者超过音速，产生激波等，所以大大限制了飞机速度的提高。涡桨发动机在中低速飞机或对低速性能有严格要求的巡逻、反潜或灭火等类型飞机中的到广泛应用。3.涡轮风扇发动机，简称涡扇：外涵道压气机叶片是将内涵道压气机叶片向外延伸，习惯上将内外涵公用的压气机称为风扇。涡扇发动机涵道比较低，所以高速告诉性能不足。而为了提高压气机的增压比，导致出现了压气机喘振、过热等故障，所以有了双转子、多转子…涡扇发动机是当今的主流。4.涡轮轴发动机，简称涡轴：涡轴发动机相对于涡扇来说，相当于将风扇变成了直升机的旋翼。，所以主要适用于直升机和垂直/短距起落飞机上。发动机转子的基本结构形式：就结构设计来讲，航空压气机与一般压气机相比，主要特点是转速高，每分钟可达数千或数万转。在高转速情况下，若零件型面或传力方案设计不当，其工作时就有破坏、损坏的危险。若转子零、组件的定心方案不妥，转子装配不当，平衡不好，横向刚性不足，当压气机高转速工作时，转子就会发生剧烈振动而影响发动机工作。压气机转子方案设计所遵循的基本原则：在考虑重量轻、尺寸小、结构简单、工艺性好的前提下，转子零、组件及其连接处应保证可靠的承受载荷和传力，具有良好的定心和平衡性、足够的刚性。压气机转子的基本形式有三种：鼓式、盘式和鼓盘式。a.鼓式b.盘式c.加强的盘式d.鼓盘式鼓式转子的基本构件是一圆柱形、橄榄形或者圆锥形鼓筒（视气流通道形式而定），借安装边和螺栓与前后半轴相连。在鼓筒外表面加工有环槽或者纵槽，用来安装转子叶片。作用在转子上的主要负荷（叶片和鼓心的离心力、弯矩和扭矩）由鼓筒承受和传递。鼓式转子的优点是抗弯刚性好，结构简单，但是承受离心载荷能力差，故只能在圆周速较低（不大于180~200m/s）的条件下使用。在高涵道比涡扇发动机中，风扇后的增压压气机连接到风扇转子上，由于风扇转子转速低，而增压压气机直径小，鼓筒的圆周速度较低，故能满足强度要求；因此，在高涵道比涡扇发动机中，增压压气机广泛采用鼓式转子。盘式转子由一根轴和若干个轮盘组成，用轴将各级轮盘联成一体。盘缘有不同形式的槽用来安装转子叶片。盘心加工成不同的形式，即用不同的方法在共同的轴上定心和传扭。转子叶片和轮盘的离心力由轮盘承受，转子的抗弯刚性由轴保证。盘式转子的优点是承受离心载荷能力强，但是抗弯特性差。为了提高转子的抗弯特性，在盘式转子中，盘缘间添加了定距环（主要起加强转子弯曲刚性的作用，基本不传递扭矩），并将轴的直径加粗。，称为加强的盘式转子（或盘轴式转子）。盘式转子抗弯刚性差，容易产生振动。目前这种转子只用在单盘转子或小流量压气机上。鼓盘式转子由若干个轮盘、鼓筒和前后半轴组成。盘缘有不同形式的槽用来安装转子叶片。级间联接可用焊接、径向销钉、轴向螺栓或拉杆。转子叶片、轮盘和鼓筒的离心力由轮盘和鼓筒共同承受，扭矩经鼓筒逐级传给轮盘和转子叶片，转子的横向刚性由鼓筒和连接件保证。鼓盘式转子兼有鼓式转子的抗弯特性和盘式转子的承受大离心载荷的，因此得到广泛应用，特别是在现代涡轮发动机的高压压气机上。鼓盘式转子的结构方案繁多，按其级间联接的特点，可分为不可拆卸的转子、可拆卸的转子和部分不可拆卸的混合式转子三大类。1.不可拆卸的鼓盘式转子级间联接常采用圆柱面紧密配合加径向销钉联接和焊接两种方法，这两种方法在完成装配后都不可能再进行无损分解。销钉联接利用热胀冷缩原理使圆柱面配合后产生紧度，圆柱面加径向销钉保证转子联接后的定心，靠径向销钉和配合面摩擦力传递扭矩。优点是结构简单，工作可靠，加工方便，缺点是转子的零件较多，制造偏差会影响转子的定心和平衡。而且不便于多次拆装和维修。焊接转子一般采用电子束焊或摩擦焊。焊接的转子不需要连接件，直接在焊接过程中保证定心，因此可以有效减轻结构重量，提高转子可靠性。但是采用焊接方法，需要大型的专用数控焊接设备和科学的工装、工艺来保证。2.可拆卸的鼓盘式转子将在装配之后可以根据使用和维修的需要再进行无损分解的转子称为可拆卸转子。可拆卸的鼓盘式转子由用拉杆式联接、短螺栓联接和长螺栓联接等几种。拉杆式联接的可拆卸鼓盘式转子是用若干根拉杆将轮盘、鼓筒和半轴等基本构件联成一体。工作时，转子各级间联接的可靠性和整体刚度依靠拉杆的拉紧力来保证。也可以将鼓筒和盘做成一体，然后用短螺栓相互连接转子。这样不仅减少了大型零件的数目，使结构大大简化，而且还可以按照设计者的需要安排鼓筒的位置，把转子的可拆卸性发挥到极致。但是使用的连接件多，螺栓的离心力会增加轮盘的强度负荷，转子的平衡性需精心控制，从进一步减轻结构重量和提高转子工作可靠性来说不是最可取的。长螺栓联接各级轮盘间都夹着一个等直径的鼓筒，鼓筒与盘靠圆柱面定位，用一组长螺杆将鼓筒和各级轮盘拉紧，靠端面摩擦传扭。为了防止鼓筒在夹紧时发生变形以致影响级间封气，在鼓筒和长螺杆间还装有衬套。3.混合式的鼓盘转子混合式的鼓盘转子由若干大段组成，每一大段是由若干级焊接而成的不可拆卸转子，而大段之间是通过短螺栓联接而成的不可拆卸的转子。这种形式的转子结构，兼有不可拆洗和可拆卸转子的优点，对制造技术和装配工艺的要求不是太高，同时给设计者提供了广阔的选择空间。目前发动机的高压压气机转子中采用的最多的还是混合式转子。转子支承方案：发动机中，转子采用几个支承结构（简称支点）、支点形式、安排在何处，这些就是转子支承方案设计时需要解决的问题。为表示转子支点数目型式和位置，常用两条横线和三个数字表示，如a——b——c。前后两条横线分别代表压气机转子和涡轮转子，两条横线前后及中间的数字表示支点的数目。一、单转子支承方案：1.四支点支承方案压气机转子及涡轮转子分别有两个支点支承，且各自有承受轴向载荷的止推支点（滚珠轴承），二转子间采用浮动套齿A传递扭矩。考虑到两个转子的四个支点很难做到同心，因此采用了浮动套齿联轴器。但是这样导致压气机转子的气体轴向负荷很大而根本没办法使用。于是，有了下图所示的支承结构。克服了转子需要多个滚珠轴承的缺点。此处置于压气机后，用于联接压气机和涡轮转子的联轴器不仅传递扭矩而且传递轴向负荷。四个支点仅需一个止推支点来传递两个转子轴向负荷之差。但是很难做到四个支点同心。2.三支点支承方案当涡轮支点与前二支点的轴向不同轴时，要求联轴器能够正常的工作，要求二轴间有一个允许偏斜角。要求联轴器做成铰接形式，不承受弯矩。当涡轮级数过多时，为了改善涡轮转子悬臂状态，可以采用上图方式。联轴器须采用柔性联轴器。3.二支点支承方案在发动机转子刚性足够的条件下（压气机级数少，燃烧室轴向尺寸短、转子跨度小且轴足够粗），可以采用二支点支承。1——0——1与1——1——0支承方案中，转子均无悬臂结构，纵向刚性较好，支点距离较大。1——1——0与0——2——0支承方案中，支点距离较近，转子处于悬臂状态；另外，为了安装轴承，压气机与涡轮轴的直径也会受到限制。二、多转子支承方案多转子发动机，转子数目多、支承数目多，低压转子要从高压转子中穿过，结构复杂。原则上可以将各转子分离开，按照单转子进行处理。1.WP7发动机转子支承方案低压1——2——0，高压0——2——0，中间有两个中介支点2、5。2.WP13发动机转子支承方案在上图的基础上，2、5中介轴承间又增加了一个中间轴承Ａ。中间轴承的作用就是通过限制低压轴的挠度来提高转子的刚度，改进发动机的振动性能。３.ＣＦＭ５６发动机转子支承方案低压转子采用０——２——１，高压转子采用１——０——１，通过中介支点４支承于低压涡轮轴上，使发动机的轴向尺寸缩短。