(3)圆弧端齿加中心拉杆常在中小型涡轮(涡轴、涡桨发动机)中采用。此时盘轴、盘盘之间用圆弧端齿定心传扭。圆弧端齿可保证在热状态下可靠定心,且重复定心精度高。中心拉杆所受负荷除与压气机转子中的长螺栓所受负荷相同外,还要受圆弧端齿工作时产生的轴向力,以及大的热应力。
图9示出的涡轴8发动机燃气发生器转子就是一个采用中心长螺栓连接转子的实例。该转子由1级轴流叶轮、1级离心叶轮、2级涡轮盘、甩油盘、鼓筒轴、后轴颈及中心拉杆等组成,采用了五对圆弧端齿相连接,通过中心拉杆后的螺母将后轴颈、2级涡轮盘、鼓筒轴与甩油盘连接在一起;通过中心拉杆前的螺母将离心叶轮与甩油盘连接在一起,最终组成了离心叶轮 涡轮转子。
图9、涡轴8发动机燃气发生器转子结构图
图10为 CT7涡桨发动机压气机转子结构。它由五级轴流叶轮及一级离心叶轮组成,其中除3,4级轴流叶轮间采用焊接连接外,其余结合处(共四处)均采用了圆弧端齿,然后用中心拉杆将它们连接成一体。
图10、 CT7涡桨发动机压气机转子结构图
由图9和图10所示的结构可以看出,在圆弧端齿加中心拉杆的结构中,有两种施加预紧力的方法,一是对转子施加单一的轴向预紧力,如图10所示;另一是对转子分二段施加不同的轴向预紧力,如图9所示。对于圆弧端齿类连接结构,施加预紧力后,其受力状态是中心拉杆受拉,转子主体部分受压。
长螺栓连接方式连接件少,装拆比较方便;但当气流通道内径变化较大时,鼓筒直径无法适应轮盘直径的变化,因而转子的刚性不能得到充分地加强,所以这种结构的应用受到一定的限制。
(4)套齿连接常用在盘轴的连接,采用套齿传扭、圆柱面定心和大螺母压紧。图11 为PW4000高涵道比涡轮风扇发动机双级涡轮转子。该发动机压气机的后轴伸到涡轮盘附近, 1级和2级涡轮盘均用盘心处向前伸的短轴内的内套齿与压气机后轴的外套齿相连,两轴靠套齿前后两段圆柱面定心,套齿传扭,用大螺母压紧。
类似的结构在普惠公司设计的高压涡轮转子上应用很多,例如:JT9D、PW2000和 V2500等;GE公司的J85也采用了这种结构。
图11 、PW4000高涵道比涡轮风扇发动机双级涡轮转子结构图
2.2.2 不可拆卸式连接
不可拆卸式连接有销钉连接和焊接连接两种方式。
(1)销钉连接曾在苏式发动机中广泛使用,如图12所示的转子。盘轴连接采用了叉形安装边,由20个径向销钉定心、剪切传扭;盘轴间采用紧度配合,销子与盘轴间也采用紧度配合。为保证装配精度,装销子的孔采用盘轴组合钻、铰的方式。
销子分组,根据铰孔的实测尺寸,选用不同组别的销子,保证紧度。叉形结构上装销子的盲孔做成平底形的,以减小应力集中。叉形结构的好处是使销子类似简支而非悬臂梁的结构,稳定性和受力情况更好。
图12、叉形安装边销钉连接的涡轮盘、轴连接结构
(2)焊接转子随着先进焊接技术的发展,已在现代先进发动机转子中得到广泛采用(图4、图13),在压气机上采用尤为广泛。目前,高压压气机的后几级转子叶片榫头采用环向燕尾形结构,压气机中相同材料的几个盘通过鼓环焊接在一起,已在新型发动机中广泛采用,它可使结构大为简化。
由于焊接连接的方式是不可拆卸的,在大多数发动机的涡轮中,为保证刚性均匀,涡轮机匣都做成整体式的。如果多级转子不可拆卸则无法装配,那么涡轮转子中盘盘的连接采用这种方式并不适合。
焊接连接的方式减少了连接件,结构简单,提高了材料的利用率;但对焊接质量的要求也是较高的。用于焊接转子的焊接技术除应具有大穿透、小变形、无氧化、高强度以及焊接尺寸精度高等特点外,还要保证焊接效率高,质量稳定,同时还要求有高的焊接质量检查技术。
图13 、RB199发动机焊接的涡轮转子
目前主要采用电子束焊及/或摩擦焊技术,好的电子束焊技术焊缝强度可达基体强度的90%,而好的摩擦焊技术焊缝强度可以达到甚至超过基体的强度。
3 转子支承方案
在燃气涡轮发动机中,压气机(或风扇)转子与涡轮转子以及连接它们的零件、组件组成了发动机的转子(在单转子发动机中)或发动机的高、低压转子(在双转子发动机中)。转子通过支承结构支承于发动机机匣上,转子上所受的各种负荷,如气体轴向力、重力、惯性力及惯性力矩等均由支承结构承受并传至发动机机匣上,最后由机匣通过安装节传至飞机构件。
发动机中,转子采用几个支承结构(简称支点),安排在何处,称为转子支承方案。转子支承方案对发动机的总体性能(复杂程度、重量、振动特性和性能衰退率等)有较大影响,在发动机总体设计时,应由性能、重量、可靠性、维修性、结构复杂程度和性能衰退率等诸方面全面、平衡地予以考虑。
为表示转子支点数目与位置,常用两条前后排列的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。例如1 3 0的转子支承方案,表示压气机转子前有一个支点,涡轮转子后无支点,压气机与涡轮转子间有三个支点,即压气机后一个支点,涡轮盘前轴上有两个支点,整个转子共支承于4(1+3)个支点上。
一般在研究转子支承方案时,均将复杂的转子简化成能表征其特点的简图,且在简图中用小圆圈表示滚珠轴承,小方块表示滚棒轴承。
图14、 1 3 0四支点支承方案
3.1 单转子支承方案
3.1.1 四支点方案
图14为13 0四支点的支承方案。它是早期发动机中采用的支承方案,是基于最简单的工作机理设计的,即压气机、涡轮转子均用两个支点支承,且各有自己的承受转子轴向负荷的止推支点(滚珠轴承),二转子间采用浮动套齿 A传递扭矩。
压气机转子前后各有一个支点,承受轴向负荷的支点(止推支点)置于前端,由于压气机转子的轴向力较大,止推支点处用一个滚珠轴承受不了,因而采用了并列的三个滚珠轴承。涡轮转子的轮盘前有两个支点,承受轴向负荷的支点(止推支点)置于前端,由于涡轮向后轴向力较小,因此涡轮转子止推支点处用一个滚珠轴承。
在这种承力方案中,涡轮转子与压气机转子间的联轴器仅传递扭矩,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。
这种支承方案由结构设计到装拆等均较简单;但是,涡轮、压气机转子的轴向负荷分别由各自的滚珠轴承承受的结构,在空气流量与增压比稍大一些的发动机中,由于两转子特别是压气机转子的气体轴向负荷很大而根本无法采用。它只是在早期的发动机如PД10、РД20上采用过。
图15所示的13 0支承方案,就是为克服压气机转子须用多个滚珠轴承的缺点而采用的一种修正的支承方案。在这个方案中,压气机、涡轮转子用除传递扭矩外并传递轴向负荷的联轴器连接在一起。
因此,四个支点中仅需一个止推支点来传递两个转子轴向负荷之差,此处是置于压气机后。由于两个转子共有四个支点,很难做到四个支点同心。为此,联轴器除了要传递轴向负荷、扭矩外,还要在两转子轴心不同轴即不同心时,也能适应,即联轴器需做成柔性的。
图15、修正的1 3 0四支点支承方案(J47)
这个支承方案虽比前一方案较好,但它的支点数目多(四个)。因此,除J47发动机采用过外,以后未被其他发动机采用。但是,苏制的先进发动机 АЛ31Ф(用于苏 27飞机)的低压转子采用了这个方案,以解决它采用高压、低压涡轮间中介轴承后带来的问题(详见后文)。