幾種軍用渦扇發動機的結構設計分析|陳光談航發89

1974年採用加力式渦扇發動機F100的F 15空中優勢戰鬥機正式投入美國空軍服役以後,西方國家新研製的戰鬥機,無一例外地採用了加力式渦扇發動機,如 F404、F110、M53和RB199。為第三代半、第四代戰鬥機研製的發動機有美國的F119-PW-100和 F120-GE-100、法國的 M88、西歐四國的EJ200。

這些發動機中,M53是唯一單轉子渦扇發動機,不具代表性,而F119另有專文分析。因此,本文就 F100、F110、F404、RB199、M88和 EJ200六種發動機的結構設計進行分析。圖1所示為這六種發動機的結構簡圖。

圖1、六種加力式渦輪風扇發動機結構簡圖

1 結構設計背景

上述六種發動機基本上分別繼承了普惠公司、GE公司和羅·羅公司的主要結構設計思想。

例如,普惠公司的F100的高壓壓氣機轉子形式、高壓和低壓渦輪盤與軸的連接方式、高壓轉子支承方式與傳力結構、封嚴裝置等均同於JT9D高涵道比渦輪風扇發動機中的結構,而F100的最新改型F100-PW-229的許多零部件採用了JT9D發展型 PW4000的結構設計。

GE公司的F404和F110與 F101類似,而 CFM56民用發動機採用了 F101的核心。因此,F404和F110的高壓部分的結構設計和其後支點用中介軸承支承於低壓轉子上的結構基本同於CFM56。

M88雖為法國研製的,但法國與 GE公司合作研製與生產了 CFM56,因此 M88的設計吸取了 GE公司的設計思想,許多零部件結構與 F404和 F110的相同。RB199和EJ200雖為多國合作研製的,但其基本設計仍由羅·羅公司負責,在某些方面繼承了 RB211 高涵道比渦輪風扇發動機的設計思想,最突出的是採用了 RB211的渦輪級間承力框架和圓弧端齒聯軸器。此外,EJ200的高壓轉子、核心機的雙層機匣和低壓渦輪轉子結構也採用了遄達發動機的結構。

2 轉子支承方案

2.1 低壓轉子

六種發動機的風扇均由二支點支承,但卻有兩種支承方式。F100、F404、F110和 M88的風扇有可變彎度的進口導流葉片,利用進口導流葉片固定不動的前緣部分作為傳力的承力件,風扇轉子由前後2個支點來支承。

RB199為三轉子結構,EJ200的風扇採用寬弦葉片,都無須採用可變彎度的進口導流葉片,為簡化結構,轉子前不設置支承,轉子是懸臂支承的。

EJ200和 RB199採用了渦輪級間承力框架(見圖2),利用導向葉片中的承力件將軸承負荷外傳,因此在低壓渦輪中,其支點裝於渦輪盤前,輪盤是懸臂支承的。其他四種發動機的渦輪支點均裝於 圖2 RB199渦輪間承力機匣輪盤后,由渦輪后軸承機匣作為承力框架。

圖2、RB199渦輪間承力機匣

2.2 高壓轉子

除F100採用1-1-0的二支點外,其餘均採用1-0-1的二支點方案。F100的后支點裝在壓氣機與渦輪間,軸承的負荷是通過燃燒室內機匣、擴散機匣外傳的。這種方案繼承了該公司民用發動機JT9D和PW4000的設計,與F404的相比,可省去比較麻煩的中介支點,單元體拆裝方便;但高壓渦輪前軸承的內徑較大,而高壓渦輪軸相對 F404等發動機又較細,整個轉子剛性較差,低壓軸的直徑也受到限制,且高壓渦輪呈懸臂支撐。

在1-0-1支承方案中,除EJ200將高壓轉子后支點支承於渦輪級間承力框架上外,其他四種發動機均通過中介支點支承於低壓軸上。這種方案最早用於F101,由於它可減少1個承力框架(與F100相比),相應滑油油腔也少1個,使發動機長度縮短,零件數也較少。

因此,在 GE公司的 CFM56,F404和F110上得到採用。這種方案要求低壓轉子在工作中變形小、三支點的低壓轉子應採用剛性聯軸器和加工精度高。普惠公司在 F119的設計中,一改以往民、軍用發動機的一貫的設計,也改用了如F404的設計。

蘇聯為蘇27、米格 29先進戰鬥機研製的 AL 31F和RD 33發動機上,也採用了將高壓轉子后支點作為中介支點支承於低壓轉子上的設計。所有這些,說明這種設計的確有著一定的優越性。

圖3、RB199的高壓轉子採用了圓弧端齒聯軸器

2.3 圓弧端齒聯軸器

RB199和EJ200的轉子繼承了 RB211的設計,廣泛採用圓弧端齒聯軸器,如圖3所示。RB199上有4個,EJ200上有3個。採用這種聯軸器的目的有二,其一是為了便於裝卸滾珠軸承,除EJ200的風扇轉子的滾珠軸承外,這兩台發動機的其餘4個滾珠軸承均裝在帶圓弧端齒聯軸器的短軸上,裝卸轉子時,只需將轉子與短軸間的聯軸器上的帶自鎖螺母的螺釘擰上或卸下即可。

另一目的是為了便於拆換單元體。由於這兩台發動機的高壓轉子採用了這種聯軸器,在飛機上可以拆換核心機單元體;相反,F404和F110上沒採用圓弧端齒聯軸器,只能將發動機從飛機上拆下送入維修車間后,才能換裝核心機的單元體。

EJ200的風扇轉子雖未採用圓弧端齒聯軸器,但由於3級風扇轉子是用套齒與中間軸相連,只需將套齒聯軸器的螺帽擰下,風扇轉子即可從中介機匣和中間軸上卸下。

圖4、RB199的低壓轉子滾珠軸承置於渦輪前

2.4 滾珠軸承在轉子上的位置

滾珠軸承除承受徑向負荷外,還承受轉子的軸向負荷。在一般設計中,均不將滾珠軸承置於溫度較高的渦輪附近,以保持轉子的幾個軸承基本上有相同的壽命。但RB199的低壓轉子卻將滾珠軸承置於渦輪盤前,如圖4所示。

這是為了簡化結構、便於拆換風扇與低壓渦輪單元體,同時可避免採用複雜的中介軸承結構;但核心機機匣要傳遞低壓轉子的軸向負荷,且軸承的工作條件較為惡劣。

3 承力框架

F100發動機上外傳轉子軸承負荷的承力框架為最多(4個),EJ200最少(2個),這與高、低壓轉子支承方案以及各部件的結構設計有關。在這幾種發動機中,作為承力框架的結構有:

(1)進氣機匣。在風扇有可變彎度進口導向葉片的發動機(F100、F404、F110和 M88)上,將可變彎度進口導向葉片前緣不動部分及機匣作為一承力框架,導向葉片前緣部分作為傳力輻條。

(2)高、低壓壓氣機間的中介機匣。(3)渦輪后軸承機匣。這是許多發動機上廣泛採用的承力框架。

(4)燃燒室內機匣和擴散機匣。這在F100上用作承力框架。

(5)渦輪級間承力框架。RB199和 EJ200發動機上採用了這種結構,參見圖2。

它繼承了 RB211的結構設計,即將低壓渦輪導向器作為承力框架。由於流過葉片的燃氣溫度高,在結構設計中,應將傳力件與受熱件分開。

為此,承力的徑向輻條穿過空心的導向葉片,導向葉片自由地套在輻條外面,可以自由膨脹,因而葉片做得較厚和較長,不僅影響渦輪效率,而且還會使發動機長度加長;但它可避免採用像F404發動機上的中介軸承。

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