航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子(蘇洪濤)

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的分類(lèi)及不同分類(lèi)在飛機(jī)上的應(yīng)用：1. 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)渦噴：渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)適用范圍較廣，從低空低亞音速到高空超音速飛機(jī)都廣泛應(yīng)用，主要還是應(yīng)用于高速領(lǐng)域，如軍用戰(zhàn)斗機(jī)。（第三代戰(zhàn)斗機(jī)以前）對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)來(lái)說(shuō)，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力，獲得良好的加速性能，某些高性能戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在渦輪后增加了一個(gè)加力燃燒室，通過(guò)加力燃燒室噴出燃油，與經(jīng)過(guò)渦輪的燃?xì)饣旌先紵a(chǎn)生額外的推力。2. 渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)渦槳：在燃?xì)獍l(fā)生器出口增加動(dòng)力渦輪，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)將燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的可用功大部分全部從動(dòng)力渦輪軸上輸出，通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)飛機(jī)的螺旋槳產(chǎn)生拉力；可用功的少部分作為燃?xì)獾膭?dòng)能從尾噴管?chē)姵?，產(chǎn)生較小的反作用推力。

2、顯然，飛機(jī)的螺旋槳是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要推進(jìn)器。渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比較高，在低速時(shí)擁有較高的效率，但是，由于槳葉的限制，使得在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到或者接近亞音速領(lǐng)域的時(shí)候，葉尖可能會(huì)達(dá)到或者超過(guò)音速，產(chǎn)生激波等，所以大大限制了飛機(jī)速度的提高。渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速飛機(jī)或?qū)Φ退傩阅苡袊?yán)格要求的巡邏、反潛或滅火等類(lèi)型飛機(jī)中的到廣泛應(yīng)用。3. 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)渦扇：外涵道壓氣機(jī)葉片是將內(nèi)涵道壓氣機(jī)葉片向外延伸，習(xí)慣上將內(nèi)外涵公用的壓氣機(jī)稱(chēng)為風(fēng)扇。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比較低，所以高速告訴性能不足。而為了提高壓氣機(jī)的增壓比，導(dǎo)致出現(xiàn)了壓氣機(jī)喘振、過(guò)熱等故障，所以有了雙轉(zhuǎn)子、多轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是當(dāng)今的主流。4. 渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)渦軸

3、：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于渦扇來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于將風(fēng)扇變成了直升機(jī)的旋翼。，所以主要適用于直升機(jī)和垂直/短距起落飛機(jī)上。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的基本結(jié)構(gòu)形式：就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)講，航空壓氣機(jī)與一般壓氣機(jī)相比，主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高，每分鐘可達(dá)數(shù)千或數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)。在高轉(zhuǎn)速情況下，若零件型面或傳力方案設(shè)計(jì)不當(dāng)，其工作時(shí)就有破壞、損壞的危險(xiǎn)。若轉(zhuǎn)子零、組件的定心方案不妥， 轉(zhuǎn)子裝配不當(dāng)，平衡不好，橫向剛性不足，當(dāng)壓氣機(jī)高轉(zhuǎn)速工作時(shí)，轉(zhuǎn)子就會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子方案設(shè)計(jì)所遵循的基本原則：在考慮重量輕、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好的前提下，轉(zhuǎn)子零、組件及其連接處應(yīng)保證可靠的承受載荷和傳力，具有良好的定心和平衡性、足夠的剛性。壓氣

4、機(jī)轉(zhuǎn)子的基本形式有三種：鼓式、盤(pán)式和鼓盤(pán)式。a.鼓式 b.盤(pán)式 c.加強(qiáng)的盤(pán)式 d.鼓盤(pán)式鼓式轉(zhuǎn)子的基本構(gòu)件是一圓柱形、橄欖形或者圓錐形鼓筒（視氣流通道形式而定），借安裝邊和螺栓與前后半軸相連。在鼓筒外表面加工有環(huán)槽或者縱槽，用來(lái)安裝轉(zhuǎn)子葉片。作用在轉(zhuǎn)子上的主要負(fù)荷（葉片和鼓心的離心力、彎矩和扭矩）由鼓筒承受和傳遞。鼓式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)是抗彎剛性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是承受離心載荷能力差，故只能在圓周速較低（不大于180200m/s）的條件下使用。在高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，風(fēng)扇后的增壓壓氣機(jī)連接到風(fēng)扇轉(zhuǎn)子上，由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低，而增壓壓氣機(jī)直徑小，鼓筒的圓周速度較低，故能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；因此，在高涵道比渦扇發(fā)

5、動(dòng)機(jī)中，增壓壓氣機(jī)廣泛采用鼓式轉(zhuǎn)子。盤(pán)式轉(zhuǎn)子由一根軸和若干個(gè)輪盤(pán)組成，用軸將各級(jí)輪盤(pán)聯(lián)成一體。盤(pán)緣有不同形式的槽用來(lái)安裝轉(zhuǎn)子葉片。盤(pán)心加工成不同的形式，即用不同的方法在共同的軸上定心和傳扭。轉(zhuǎn)子葉片和輪盤(pán)的離心力由輪盤(pán)承受，轉(zhuǎn)子的抗彎剛性由軸保證。盤(pán)式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)是承受離心載荷能力強(qiáng)，但是抗彎特性差。為了提高轉(zhuǎn)子的抗彎特性，在盤(pán)式轉(zhuǎn)子中，盤(pán)緣間添加了定距環(huán)（主要起加強(qiáng)轉(zhuǎn)子彎曲剛性的作用，基本不傳遞扭矩），并將軸的直徑加粗。，稱(chēng)為加強(qiáng)的盤(pán)式轉(zhuǎn)子（或盤(pán)軸式轉(zhuǎn)子）。盤(pán)式轉(zhuǎn)子抗彎剛性差，容易產(chǎn)生振動(dòng)。目前這種轉(zhuǎn)子只用在單盤(pán)轉(zhuǎn)子或小流量壓氣機(jī)上。鼓盤(pán)式轉(zhuǎn)子由若干個(gè)輪盤(pán)、鼓筒和前后半軸組成。盤(pán)緣有不同形式的

6、槽用來(lái)安裝轉(zhuǎn)子葉片。級(jí)間聯(lián)接可用焊接、徑向銷(xiāo)釘、軸向螺栓或拉桿。轉(zhuǎn)子葉片、輪盤(pán)和鼓筒的離心力由輪盤(pán)和鼓筒共同承受，扭矩經(jīng)鼓筒逐級(jí)傳給輪盤(pán)和轉(zhuǎn)子葉片，轉(zhuǎn)子的橫向剛性由鼓筒和連接件保證。鼓盤(pán)式轉(zhuǎn)子兼有鼓式轉(zhuǎn)子的抗彎特性和盤(pán)式轉(zhuǎn)子的承受大離心載荷的，因此得到廣泛應(yīng)用，特別是在現(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)上。鼓盤(pán)式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)方案繁多，按其級(jí)間聯(lián)接的特點(diǎn)，可分為不可拆卸的轉(zhuǎn)子、可拆卸的轉(zhuǎn)子和部分不可拆卸的混合式轉(zhuǎn)子三大類(lèi)。1. 不可拆卸的鼓盤(pán)式轉(zhuǎn)子級(jí)間聯(lián)接常采用圓柱面緊密配合加徑向銷(xiāo)釘聯(lián)接和焊接兩種方法，這兩種方法在完成裝配后都不可能再進(jìn)行無(wú)損分解。銷(xiāo)釘聯(lián)接利用熱脹冷縮原理使圓柱面配合后產(chǎn)生緊度，圓柱面加

7、徑向銷(xiāo)釘保證轉(zhuǎn)子聯(lián)接后的定心，靠徑向銷(xiāo)釘和配合面摩擦力傳遞扭矩。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，加工方便，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子的零件較多，制造偏差會(huì)影響轉(zhuǎn)子的定心和平衡。而且不便于多次拆裝和維修。焊接轉(zhuǎn)子一般采用電子束焊或摩擦焊。焊接的轉(zhuǎn)子不需要連接件，直接在焊接過(guò)程中保證定心，因此可以有效減輕結(jié)構(gòu)重量，提高轉(zhuǎn)子可靠性。但是采用焊接方法，需要大型的專(zhuān)用數(shù)控焊接設(shè)備和科學(xué)的工裝、工藝來(lái)保證。2. 可拆卸的鼓盤(pán)式轉(zhuǎn)子將在裝配之后可以根據(jù)使用和維修的需要再進(jìn)行無(wú)損分解的轉(zhuǎn)子稱(chēng)為可拆卸轉(zhuǎn)子?？刹鹦兜墓谋P(pán)式轉(zhuǎn)子由用拉桿式聯(lián)接、短螺栓聯(lián)接和長(zhǎng)螺栓聯(lián)接等幾種。拉桿式聯(lián)接的可拆卸鼓盤(pán)式轉(zhuǎn)子是用若干根拉桿將輪盤(pán)、鼓筒和半軸等基

8、本構(gòu)件聯(lián)成一體。工作時(shí)，轉(zhuǎn)子各級(jí)間聯(lián)接的可靠性和整體剛度依靠拉桿的拉緊力來(lái)保證。也可以將鼓筒和盤(pán)做成一體，然后用短螺栓相互連接轉(zhuǎn)子。這樣不僅減少了大型零件的數(shù)目，使結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，而且還可以按照設(shè)計(jì)者的需要安排鼓筒的位置，把轉(zhuǎn)子的可拆卸性發(fā)揮到極致。但是使用的連接件多，螺栓的離心力會(huì)增加輪盤(pán)的強(qiáng)度負(fù)荷，轉(zhuǎn)子的平衡性需精心控制，從進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量和提高轉(zhuǎn)子工作可靠性來(lái)說(shuō)不是最可取的。長(zhǎng)螺栓聯(lián)接各級(jí)輪盤(pán)間都夾著一個(gè)等直徑的鼓筒，鼓筒與盤(pán)靠圓柱面定位，用一組長(zhǎng)螺桿將鼓筒和各級(jí)輪盤(pán)拉緊，靠端面摩擦傳扭。為了防止鼓筒在夾緊時(shí)發(fā)生變形以致影響級(jí)間封氣，在鼓筒和長(zhǎng)螺桿間還裝有襯套。3. 混合式的鼓盤(pán)轉(zhuǎn)子混合

9、式的鼓盤(pán)轉(zhuǎn)子由若干大段組成，每一大段是由若干級(jí)焊接而成的不可拆卸轉(zhuǎn)子，而大段之間是通過(guò)短螺栓聯(lián)接而成的不可拆卸的轉(zhuǎn)子。這種形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，兼有不可拆洗和可拆卸轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)制造技術(shù)和裝配工藝的要求不是太高，同時(shí)給設(shè)計(jì)者提供了廣闊的選擇空間。目前發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中采用的最多的還是混合式轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子支承方案：發(fā)動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子采用幾個(gè)支承結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱(chēng)支點(diǎn)）、支點(diǎn)形式、安排在何處，這些就是轉(zhuǎn)子支承方案設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的問(wèn)題。為表示轉(zhuǎn)子支點(diǎn)數(shù)目型式和位置，常用兩條橫線和三個(gè)數(shù)字表示，如abc。前后兩條橫線分別代表壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪轉(zhuǎn)子，兩條橫線前后及中間的數(shù)字表示支點(diǎn)的數(shù)目。一、單轉(zhuǎn)子支承方案：1. 四支點(diǎn)

10、支承方案壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子及渦輪轉(zhuǎn)子分別有兩個(gè)支點(diǎn)支承，且各自有承受軸向載荷的止推支點(diǎn)（滾珠軸承），二轉(zhuǎn)子間采用浮動(dòng)套齒A傳遞扭矩?？紤]到兩個(gè)轉(zhuǎn)子的四個(gè)支點(diǎn)很難做到同心，因此采用了浮動(dòng)套齒聯(lián)軸器。但是這樣導(dǎo)致壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的氣體軸向負(fù)荷很大而根本沒(méi)辦法使用。于是，有了下圖所示的支承結(jié)構(gòu)。克服了轉(zhuǎn)子需要多個(gè)滾珠軸承的缺點(diǎn)。此處置于壓氣機(jī)后，用于聯(lián)接壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子的聯(lián)軸器不僅傳遞扭矩而且傳遞軸向負(fù)荷。四個(gè)支點(diǎn)僅需一個(gè)止推支點(diǎn)來(lái)傳遞兩個(gè)轉(zhuǎn)子軸向負(fù)荷之差。但是很難做到四個(gè)支點(diǎn)同心。2. 三支點(diǎn)支承方案當(dāng)渦輪支點(diǎn)與前二支點(diǎn)的軸向不同軸時(shí)，要求聯(lián)軸器能夠正常的工作，要求二軸間有一個(gè)允許偏斜角。要求聯(lián)軸器做成鉸接形式，不承受彎矩。當(dāng)渦輪級(jí)數(shù)過(guò)多時(shí)，為了改善渦輪轉(zhuǎn)子懸臂狀態(tài)，可以采用上圖方式。聯(lián)軸器須采用柔性聯(lián)軸器。3. 二支點(diǎn)支承方案在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子剛性足夠的條件下（壓氣機(jī)級(jí)數(shù)少，燃燒室軸向尺寸短、轉(zhuǎn)子跨度小且軸足夠粗），可以采用二支點(diǎn)支承。101與110支承方案中，轉(zhuǎn)子均無(wú)懸臂結(jié)構(gòu)，縱向剛性較好，支點(diǎn)距離較大。110與020支承方案中，支點(diǎn)距離較近，轉(zhuǎn)子處于懸臂狀態(tài)；另外，為了安裝軸承，壓氣機(jī)與渦輪軸的直徑也會(huì)受到限制。二、多轉(zhuǎn)子支承方案多轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子數(shù)目多、支承數(shù)目多，低壓轉(zhuǎn)子要從高壓轉(zhuǎn)子中穿過(guò)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。原則上可以將各轉(zhuǎn)子分離開(kāi)，按照單轉(zhuǎn)子進(jìn)行處理。1.