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某涡轴发动机单元体设计分析

2021-01-27

中国科技纵横 2020年16期
关键词:单元体外场支点

(中国航发湖南动力机械研究所,湖南株洲 412002)

自20世纪70年代以来,发动机普遍采用单元体结构设计概念。它是一种从单个零件、相互成套零件的互换性,向范围更大的结构单元的互换性不断推广的结果。这种互换不需要复杂和专用工艺装备便能实现,因此便于外场维修。同时,考虑到同一发动机上的各个结构单元体之间在使用寿命上由于负荷条件的不同而带来的较大差异,可以将备件更多地集中于更换频率较高的单元体上,减少整机的备份数,提高经济效益。

本文介绍了航空涡轴发动机单元体设计的一般原则,完成了某涡轴发动机的单元体设计及对比分析。

1.某涡轴发动机单元体设计

单元体设计的目的是提高发动机的使用率,减少维修难度、缩短维修工时,降低使用和维护成本,可在现场进行更换,而无需适应或调整工作。在单元体划分中,应考虑的基本原则有:

(1)将需在外场进行更换的部件集中划分为单元体。

(2)考虑寿命匹配,将不同寿命的部件划分为不同单元体。

某型涡轴发动机为采用单转子燃气发生器、功率前输出的结构布局方案,总体布局形式如下:

(1)采用轴向进气。

(2)采用3级轴流+1级离心组合式压气机。

(3)采用环形回流燃烧室。

(4)采用双级轴流燃气涡轮。

(5)采用功率前输出的双级轴流动力涡轮。

(6)采用上传动的附件传动。

(7)燃气发生器转子与动力涡轮转子同心设计,其中燃气发生器转子采用1-0-1的支承方案,动力涡轮转子采用2-2-0的支承方案,燃气发生器转子后支点与动力涡轮转子中支点采用轴承共腔设计。

根据单元体划分一般原则并结合某发动机总体布局,将某发动机划分为5个单元体,即冷端单元体(M01,含进气组件和压气机)、热端单元体(M02,含燃烧室、燃气涡轮及动力涡轮短轴)、动力涡轮单元体(M03,含动力涡轮转子和二级导向器)、功率输出和扭矩测量单元体(M04,含动力涡轮轴和扭矩测量装置)、附件传动单元体(M05,含附件传动装置及安装的成附件),示意图见图1。其中,外场可更换的单体包括动力涡轮单元体(M03单元体)、功率输出和扭矩测量单元体(M04单元体)及附件传动单元体(M05单元体)三个单元体,冷端单元体(M01单元体)及热端单元体(M02单元体)在外场不进行更换,用于将来发动机返厂大修时冷热端寿命匹配用。

图1 某型发动机单元体划分示意图

2.与T700发动机单元体设计对比

T700发动机由四个单元体组成,分别为附件传动单元体、动力涡轮单元体、冷端单元体、热端单元体[1],具体如图2所示。

图2 T700发动机单元划分示意图

与T700相比,某涡轴发动机采用了共腔设计,燃气发生器上采用了1-0-1支点布局方式,将燃气发生器后支点安排在燃气涡轮后方,同时,将动力涡轮支点布局在动力涡轮前方,这些支点在涡轮间过渡段部位共用一个轴承腔。采用共腔设计后,某发动机将共用轴承腔所在的过渡段静子零组件与燃气涡轮设计成一体,这样,动力涡轮单元体不包含其支点的轴承座,使得动力涡轮转、静子之间的相互约束、定位性能较差,因此也就不适合把动力涡轮轴向前伸出并归属于动力涡轮单元体。而T700发动机的燃气发生器采用了1-1-0支点布局方式,不存在上述问题,所以T700发动机将动力涡轮轴向前伸出并归属于动力涡轮单元体。

某发动机动力涡轮转子还采用了共球轴承设计,即在低压转子系统的前端和后端共用一个球轴承。T700发动机未采用共球轴承设计,而是在动力涡轮轴前段和后段分别设置球轴承,这样做使整个低压转子的轴向力的调整和控制更加复杂。而采用了共球轴承设计,动力涡轮转子的轴向力由输出轴的球轴承承担,然后再向静子承力系统传递。另外,为了安装位于动力涡轮前方的支点轴承,某发动机设计有动力涡轮短轴,短轴由两个滚棒轴承支承,后端有安装边安装二级涡轮盘,内孔则插入动力涡轮轴,两者以花键出按钮,这样便将动力涡轮轴与输出轴一体化设计,并组成新的单元体。

综上分析,相比T700,某发动机外场维护性较弱,但由于采用了共腔设计及共轴承设计,简化了发动机结构,降低了动力涡轮轴承的精度要求,提高了经济性。

3.与RTM322单元体设计对比

为了维护方便,RTM322发动机采用完全单元体结构,共分为6个单元体。即01单元体(压气机和进气道结构)、02单元体(燃烧室和燃气涡轮)03单元体(自由涡轮)、04单元体(功率输出轴和扭矩测量)、05单元体(附件齿轮箱)及06单元体(粒子分离器(可选装))。RTM322发动机单元体划分如图3所示。

图3 RTM322发动机单元体划分

与RTM322相比,由于两型发动机均采用了共腔设计及共轴承设计思想,某发动机单元体划分基本类似,一个不同之处在于动力涡轮短轴的归属,RTM322将动力涡轮短轴与动力涡轮归属于一个单元体,而某型发动机则将动力涡轮短轴归属于热端单元体,分析两者的区别,RTM322将短轴与动力涡轮归属一个单元体,可避免短轴与动力涡轮转子分属于两个不同的单元体,但却将轴承动力涡轮支点轴承内外环分开,需考虑轴承内外环的互换性,而将动力涡轮短轴与动力涡轮分开,则可避免轴承内外环分属于不同的单元体,但更换时,需考虑动力涡轮转子无需联合动平衡的设计。

另外,某发动机虽然也将燃气发生器分成了冷端单元体及热端单元体,但不像RTM322那样可以在外场更换,仅用作厂内匹配寿命用,这样虽然降低了外场维修性,但由于燃气发生器在外场更换可能性相对较低,尤其对于民用涡轴发动机而言,其影响更小,且这种划分更有利于提高生产经济性。

综上分析,相比RTM322,某发动机对于动力涡轮转子动平衡要求更高,但降低了轴承设计难度,另外,外场维修性略低,但提高了生产经济性。

4.与Ardiden发动机单元体设计对比

Ardiden发动机由3个单元体组成(见图4):附件传动单元体、燃气发生器单元体和动力涡轮单元体。附件传动单元体(M01单元体)由附件传动、滑油箱以及安装在机匣上的成附件等组成;燃气发生器单元体(M02单元体)由压气机、燃烧室、燃气涡轮、过渡段、动力涡轮机匣、动力涡轮一级导向器、动力涡轮轴、输出轴组件等组成;动力涡轮单元体(M03单元体)由动力涡轮两级转子和二级导向器组成。

图4 Ardiden发动机单元体划分

与Ardiden发动机相比,某发动机动力涡轮轴采用从前往后插入的装配方式,且将动力涡轮轴与输出轴一体化单元体设计,而Ardiden发动机是采用从后往前插入的装配方式,与此对应,前端设有输出轴,将动力涡轮轴与其自身支点至前方输出支点之间的所有部件,连同输出轴组成一个单元体,也就是将燃气涡轮及输出轴、进气机匣、压气机、燃烧室一起组成燃气发生器单元体。

综上分析,Ardiden发动机燃气发生器单元体包含冷端部件和热端部件,燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮传动轴等在外场不便更换,从外场维修性上与某型发动机相似,但某发动机将动力涡轮传动轴划分为单独的单元体,提高了外场维修性。

5.结论

某发动机与RTM322发动机一样,采用了共轴承腔设计和共球轴承设计,与T700发动机相比,外场维护性略低,但简化了发动机结构,减轻了发动机重量,减少了制造费用;与RTM322发动机相比,由于将动力涡轮短轴与燃气涡轮归属一个单元体,降低了轴承设计要求,但同时也对跨单元体动力涡轮转子动平衡要求提出了更高的要求。同时,某发动机冷端单元体与热端单元体在外场无需更换,降低了外场维修费用,提升了生产经济性。与Ardiden发动机相比,某发动机将动力涡轮传动轴划分为单独的单元体,有效提升了其外场维修性。

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