RD-93发动机的联轴器和风扇系统|陈光谈航发106

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文/陈光

3.3 联轴器

高低压转子采用了不同形式的联轴器,高压转子采用了刚性的端面直齿联轴器,低压转子采用了具有浮动球形垫圈的柔性套齿联轴器。

3.3.1 高压转子联轴器

由于高压转子是由2个支点支承的,因此高压压气机与高压涡轮转子间采用刚性联轴器,如图13所示,高压压气机后轴后端面作有径向端面齿,与涡轮盘前轴前端面上的径向端齿相啮合,用以传递扭矩;高压压气机后轴与涡轮盘间再用多根精密螺栓紧紧连接在—起,精密螺栓除传递工作时的轴向力外,还要承受端面齿传扭时的轴向分力,另外,高压压气机后轴与高压涡轮盘间还通过精密螺栓保证装配与工作时的定心。

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图13、高压转子联轴器结构图

RD 93高压转子的联轴器非常方便总装,总装时,只要将高压涡轮盘的螺栓孔对准螺栓(螺栓事前装在高压压气机后轴安装边的相应孔中,并用卡圈固定使其不能松脱)推入,使两者的端面齿啮合,再用扭力扳手拧上螺栓的紧固螺帽并锁紧即完成高压压气机转子与涡轮盘的连接,这种方式比按F101、F110、F404、F414、M88与 CFM56等发动机的方便多了,且易于单元体的拆换。

但是,由于在盘腹板处开了多个螺栓穿过的孔,大大削弱了盘的强度,增加了盘的重量,且是易于出现故障的潜在地区,因此,在20世纪80年代后发展的发动机,已基本不采用在涡轮盘上钻孔的设计,并将它作为提高发动机固有可靠性的措施之一。

英、法、德等国研制的发动机中,广泛采用圆弧形端面齿联轴器,其端面齿齿形不是径向的,而是呈圆弧形。其相啮合的两个齿面,一个做成凸出的,一个做成凹面,两者的齿面做成相同的弧形,其弧形齿面是在专用的格里森齿轮磨床上磨出的。

这种弧形端面齿能保证相啮合的两个组件有高的同心度,包括工作中两组件相对膨胀不一致时也能很好定心(即热定心),因此采用圆弧形端面齿联轴器后,不需另外的定位措施,只需用螺栓将两者紧固在一起(一般用自锁螺栓或螺母)即可。

国内引进专利生产的两型发动机斯贝及阿赫耶均有圆弧形端面齿联轴器,因此已引进专门生产的机床,为我国引进这种技术提供了条件。

3.3.2 低压转子联轴器

风扇与低压涡轮转子组成的低压转子采用了1 1 1的3支点支承方案,在传统的设计中,在3支点的发动机中,由于机匣中的3个支座与转子上的3个支点均很难做到高的同心度,因而压气机(或风扇)转子与涡轮转子间均采用柔性联轴器,RD 93即采用了柔性联轴器。

图14所示即为典型的柔性联轴器的示意图,由图14可见,涡轮转子与压气机两支点连接的直线间有一夹角φ,即涡轮转子不是绕压气机2支点间连接线旋转的,当高压涡轮后支点用中介轴承支承于低压转子上时,高压转子显然不能正常工作。

为此,前述的几种采用中介轴承支承高压涡轮的发动机,虽然低压转子采用3支点支承方案,但却采用了在2支点支承方案中的刚性联轴器,这是由提高加工精度确保转子上的3个支点、机匣中的3个轴承座孔均有极高同轴度达到的。

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图14、典型的用于3支点支承方案中的柔性联轴器示意图

估计苏联在20世纪60~70年代机械加工的技术还难于达到上述要求,因而在采用高压涡轮通过中介轴承支承于低压转子上的设计时,3支点的低压转子仍采用了柔性联轴器。

为了解决低压涡轮转子与压气机间不同轴线而带来高压转子工作不正常的问题,AL 31F采用了低压转子用4个支点的结构,即风扇与低压涡轮各用2个支点支承,如图15所示。

这是某些早期(20世纪40年代末50年代初)发动机曾用过的方案,早已被人们忘却。由于低压涡轮本身有2个支点(图15中的3号、6号)支承,工作当然稳定,高压转子后支点支承于低压转子上工作当然能正常。

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图15、 AL 31F发动机转子支承方案

但是,这种布局却给低压转子的联轴器及3号支点的安置增加了许多困难,不仅结构复杂,重量加大,且在工作中还容易出现一些故障。图16示出 AL 31F联轴器的结构图,图16中1为低压涡轮转子前支点即图15中的3号支点,2为联轴器中传递扭矩的浮动套齿,3为联轴器中承受轴向力的拉杆,拉杆做得薄而长,是适应风扇转子与涡轮转子不同轴线时,允许能稍有弯曲变形。

RD 93发动机则采取了另一种结构较为简单的设计,如图9所示,即将支承高压涡轮后轴的中介轴承(4号轴承)与支承低压涡轮的5号轴承处于同一轴向位置且基本在低压涡轮盘中心(沿轴向)处。

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图16、 AL 31F发动机低压转子联轴器结构

由于4号轴承与5号轴承处于同一轴向位置,工作中5号轴承不会上下摆动,因而4号轴承也不会摆动,即使低压涡轮轴与风扇轴线不同轴心,高压转子也不摆动,使高压转子能正常工作,较好地解决了问题。

但是由图9也可看出,5号轴承内径很小,其承载能力显然较低,但它不仅要承受低压转子的负荷,而且还要承受高压转子的负荷,因此其工作寿命将比其他轴承寿命低。另外,由于4号、5号轴承均径向地装在低压涡轮轮盘中心内,轮盘的孔径很大,对轮盘的强度与重量均带来不利影响。

RD 93采用的是具有浮动球形垫圈的柔性套齿联轴器,如图17所示,其结构与涡喷7的低压转子联轴器基本一致,图18为涡喷7低压转子联轴器。

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图17、 RD 93低压转子联轴器

3.4 滚动轴承阻尼环

3号轴承即高压压气机前滚珠轴承外环与轴承座间装有若干片钢圈组成的叠层阻尼环,这种阻尼环在苏俄的发动机中采用较多,西方国家的发动机采用较少。现代军民用发动机中普遍将高压压气机前滚珠轴承通过带挤压油膜的弹性支座支承于中介机匣上。

3.5 石墨封严件

RD 93没有采用以前苏制发动机中常用的篦齿式封严装置,在3个油腔处的5个油封处均采用了石墨封严装置,其中4个为径向接触式石墨封严装置,用于风扇前轴承(1个)、中介机匣(2个)及低压涡轮后轴承处(1个);1个为径向加双向端面接触式石墨封严装置,用于4号中介轴承处。

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图18、涡喷7低压转子联轴器

径向接触式石墨封严装置曾在许多发动机中采用过,但径向加双向端面接触式石墨封严装置却很少见到,它有4个环形石墨封严环,4个环均套装在低压涡轮轴内,起到径向封严作用;每个封严环还有1个端面封严面,在弹簧片的弹向力作用下与相应的止推环及中介环相接触,起到端面封严作用。

之所以采用这么复杂结构,是由于此封严装置是处于低压涡轮轴与高压涡轮轴之间的轴间封严处,不能采用简单的径向石墨封严装置。

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图19 、RD 93发动机风扇转子

4 风 扇

RD 93的风扇如图19所示为4级,带处理机匣、无进口可变弯度导向叶片及工作叶片无中间凸肩的设计,风扇转子及静子结构采用了苏联Р11等发动机的结构。

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