從1970年初裝JT9D大涵道比渦扇發動機的747投入運營到2000年的30年時間內,大涵道比渦扇發動機在性能、結構等方面有翻天覆地的改進,但是風扇轉子的支承結構只是在初期有較大變化但後來卻基本沒有變化,直到進入21世紀後,才發生了重大變化。
從JT9D-3A到PW4000JT9D-3A是民用大涵道比渦扇發動機的第一型,它由單級大直徑風扇、3級增壓壓氣機、11級高壓壓氣機、2級高壓渦輪與4級低壓渦輪組成,長約3.2m。這麼大的發動機,整個發動機轉子僅支承在4個軸承上(圖1),是最簡單的支承方式。
它的高壓壓氣機轉子與高壓渦輪轉子組成的高壓轉子支承在高壓壓氣機前的2號支點(滾珠軸承)與高壓壓氣機後的3號支點(滾棒軸承)上;風扇轉子與低壓渦輪轉子組成的低壓轉子僅支承在風扇後的1號支點(滾珠軸承)與低壓渦輪後的4號支點(滾棒軸承上)上,低壓渦輪的傳動軸(簡稱渦輪軸)通過前端的外套齒與風扇後軸的內套齒相連接,形成剛性的套齒聯接器,這種設計使結構簡單、零件數目少,但低壓渦輪軸長達2.5m左右,技術要求特別高,加工難度特別大,世界上眾多的大涵道比渦扇發動機中,僅JT9D釆用這種結構設計。
圖1、 JT9D-3發動機支承簡圖
普惠公司在15年後投入使用的PW4000中,將風扇轉子的支承方式作了重大改進,釆用了其它大涵道比渦扇發動機的支承方式,即將風扇轉子支承在兩個支點上,也就是在風扇後軸的1號滾珠軸承後增加1個滾棒軸承,如圖2所示,為了不影響後面3個軸承在公司中的編號,將此新增的軸承編號為1-1/2或1.5號。
其結構如圖3所示,低壓渦輪軸前端的外套齒插到風扇後過渡軸後端的內套齒中,用大的擰緊螺栓將二者連接成一體,1.5號滾棒軸承裝在過渡軸的後端。
圖2、PW4000發動機支承簡
2. 風扇後的1號支點採用滾珠軸承
在所有雙轉子大涵道比渦扇發動機中,風扇盤後的1號支點,均採用能承受軸向力的滾珠軸承,這是風扇部件安全設計所要求的。風扇不僅是發動機中最大的部件,而且處於發動機最前端,易受外來物打傷,一旦出現損傷,會對飛機的安全飛行會造成極大的威脅,因此在設計時,風扇部件中,需釆取3項安全設計,即:
⑴防止風扇葉片由葉根處斷裂後甩出發動機的包容環設計;
⑵防止渦輪傳動風扇的傳動軸折斷後渦輪飛轉的限轉速裝置;
⑶防止風扇後的傳動軸折斷後帶葉片的風扇輪盤不會甩出發動機的阻擋裝置。
圖3、PW4000風扇轉子支承結構
本文僅論述第3項安全設計,前兩項在此不論述。
防止風扇輪盤在風扇後軸折斷後不會向前甩離發動機的設計,普惠與GE公司釆取了相同的措施,羅羅公司的發動機是三轉子的,它們根據三轉子發動機結構設計特點,採用了較為複雜的設計。
圖4、CF6-80E1風扇部件圖
圖3示出典型的雙轉子發動機風扇轉子支承結構圖,緊靠風扇輪盤後端的1號支點處均採用滾珠軸承,當傳動軸折斷後風扇輪盤會被滾珠軸承留在原位而不會甩出發動機,從JT9D到GE90-84B所有雙轉子大涵道比渦扇發動機均釆用了這種設計,如圖4、圖5的CF6-80E1與CFM56風扇轉子支承圖所示。
為避免軸承工作不正常時所產生的熱量傳給傳動軸,會使傳動軸失去足夠的強度而折斷,通常1號滾珠軸承不直接裝在傳扭的軸上,如圖3所示,1號滾珠軸承是裝在風扇盤後軸的末端,傳扭的套齒在它的前面,因此滾珠軸承沒有套在傳扭的過渡軸上。
在有的發動機中,滾珠軸承雖然套在傳扭軸上,但軸承內環內徑與傳動軸外徑間加裝了一個供油襯套,如圖5所示的CFM56發動機風扇支承圖,滑油噴咀對著供油襯套供油,滑油流入襯套內後經過多個徑向小孔流入軸承內環,對軸承進行環下供油,顯然這種設計是通過軸承內環與傳動軸間的滑油,阻擋因軸承不正常工作時向傳動軸傳送過量熱的措施,被許多發動機釆用。
3.GE90-115B將風扇盤後的1號支點改用了大直徑的滾棒軸承
圖6、 GE90-94B與-115B風扇支承結構
GE90-115B曾是世界上推力最大的發動機,用它作為動力的777-300ER於2004年5月投入航線使用。它是由GE90-94B衍生發展而來的,在衍生發展中,將風扇轉子的支承結構作了重大改變,即1號支點處改用了大直徑的滾棒軸承,滾珠軸承改裝到2號支點處,見圖6。
由於風扇後錐軸的後端即安裝2號支點處的直徑小,如將滾珠軸承直接裝在此處,滾珠軸承的尺寸太小,承受不了所受的負荷,為此在後錐軸的後端安裝了一個帶球頭的外伸軸套(圖7),軸承內環裝!在外伸軸套中,外環裝在折返式彈性支座中。
圖7、GE90-115B風扇後錐軸
表1列出了GE90兩型發動機支承風扇轉子的軸承參數,從表中可見,滾棒軸承內徑由-94B的183mm增加320mm成為503mm,而滾珠軸承的內徑變化較小,只減少了39mm。
1號支點不用以前慣用的滾珠軸承,會影響飛機飛行安全嗎,這是人們擔心的問題,從下述幾次發動機的風扇傳動軸折斷後,輪盤甩出發動機而對飛機結構未造成損傷的故障來看,改用大直徑的滾棒軸承並不會對飛機飛行安全帶來負面影響,例如:作為L1011「三星」客機動力的RB211-22B大涵道比渦扇發動機,曾在1981年5月、8月與9月出現三次傳動風扇的傳動軸折斷的重大故障,但其風扇後的軸承不是滾珠軸承,因而帶葉片的風扇盤從發動機前端脫離發動機本體而墜落,對飛機結構基本未造成損傷,1982年12月用於747的RB211-524C2也遭遇了類似的但對飛機結構未造成損傷的故障。
圖8、 飛行中的A380發動機風扇部分墜落
2017年9月30日,法國航空公司的一架裝有四臺GP7200發動機的A380客機在飛行中,飛機右翼外側發動機的風扇轉子後錐軸處突然斷裂,風扇轉子連同飛機的進氣短艙等脫離發動機而墜落,飛機隨後平安降落。這是一次罕見的、極其嚴重的發動機故障(圖8),但對飛機結構卻未造成任何損傷,這五起故障說明風扇後的1號支點不採用滾珠軸承是可行的,在極端情況下,帶葉片的風扇輪盤會脫離發動機,但不會對飛機結構造成損傷。
這是因為當風扇後軸折斷後,風扇轉子隨即停轉,帶葉片的輪盤相當一個自由落體下墜,在下墜過程中拉斷了短艙與進氣道,這些被拉斷的部分隨輪盤一起下墜。
圖9、GE90-115B 1號支點結構
在以往的風扇後1號支點採用滾珠軸承時,當風扇葉片被外來物打傷後,轉子的平衡被破壞,這時轉子會偏擺,風扇多片葉片葉尖會刮蹭機匣造成二次損傷,如果此處換用大直徑滾棒軸承(GE90-115B的滾棒軸承內徑由-94B的183mm增加到503mm),就能制止轉子的偏轉。
由於以上兩點原因,GE90從-94B發展為-115B時,在風扇轉子支承結構中作了將1號支點改用大直徑滾棒軸承的設計。
另外,在-115B中,為了減少當風扇葉片遭外物擊傷後造成轉子不平衡帶來的振動外傳,在風扇轉子的兩個支點中,均採用了彈性支座,圖7中示出2號支點處採用的是折返式彈性支座,圖8示出了1號支點處的結構,它是帶擠壓油膜的彈性支座。
在GE90-115B以後研製的雙轉子大涵道比渦扇發動機中,例如LEAP、GEnx、GE9X與PW6000等,在風扇轉子支承結構均採用了-115B的結構。