大涵道比渦扇發動機風扇轉子支承結構的設計變化

■ 陳光/北京航空航天大學

幾十年來，大涵道比渦扇發動機在性能、結構等方面有了天翻地覆的改進。但其風扇轉子的支承結構的設計在投入商業運營的前30年（1970—2000年）并沒有太多變化，只是在進入21世紀才出現了重大改變。

發動機的轉子支承方案，是指多轉子發動機各個轉子的軸承如何安排、軸承載荷如何外傳到機匣，是發動機總體設計中需要著重處理的重要問題。要從發動機性能、質量、裝配、加工及結構復雜程度等方面全盤考慮，做出最佳方案。

從JT9D-3A到PW4000

JT9D-3A是第一型民用大涵道比渦扇發動機，其轉子由單級大直徑風扇、3級增壓級、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，發動機轉子僅采用4個軸承支承。高壓轉子由高壓壓氣機前的2號支點（滾珠軸承）與高壓壓氣機后的3號支點（滾棒軸承）支承；風扇轉子與低壓渦輪轉子組成的低壓轉子則由風扇后的1號支點（滾珠軸承）與低壓渦輪后的4號支點（滾棒軸承）支承；低壓渦輪的傳動軸（渦輪軸）通過前端的外套齒與風扇后軸的內套齒相連接，形成剛性的套齒連接器。這種設計使結構簡單、零件數量少，但由于低壓渦輪軸長達2.5m左右，技術要求高，加工難度大，所以在眾多的大涵道比渦扇發動機中，僅JT9D采用了這種結構設計。15年后，普惠公司對剛投入使用的PW4000的風扇轉子支承方式做了重大改進，采用了其他大涵道比渦扇發動機的支承方式，即在風扇后軸的1號滾珠軸承后增加1個滾棒軸承，將風扇轉子支承在兩個支點上。為了不影響后面3個軸承在公司中的編號，普惠公司將此新增的軸承編號為1.5號。1.5號支承結構如圖1所示，低壓渦輪軸前端的外套齒插到風扇后過渡軸后端的內套齒中，采用大的擰緊螺栓將二者連接成一體，滾棒軸承裝在過渡軸的后端。

圖1 PW4000風扇轉子支承結構

風扇后的1號支點采用滾珠軸承

在雙轉子大涵道比渦扇發動機中，風扇盤后的1號支點均采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，而且處于發動機最前端，易受外來物打傷，一旦出現損傷，會對安全飛行造成極大的威脅，因此在設計風扇部件時，須采取3項安全設計：防止風扇葉片由葉根處斷裂后甩出發動機的包容環；防止渦輪傳動風扇的傳動軸折斷后渦輪飛轉的限轉速裝置；防止風扇后的傳動軸折斷后帶葉片的風扇輪盤甩出發動機的阻擋裝置。對于上述安全設計的最后一項，普惠公司與GE航空集團采取了相同的措施。

以典型的PW4000雙轉子發動機風扇轉子支承結構為例，緊靠風扇輪盤后端的1號支點采用滾珠軸承，2號支點采用滾棒軸承，當傳動軸折斷后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幾乎所有雙轉子大涵道比渦扇發動機均采用了這種設計。在此設計中，為避免軸承工作不正常時所產生的熱量傳給傳動軸，而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，1號滾珠軸承裝在風扇盤后軸的末端，傳扭的套齒在其前面，因此滾珠軸承沒有套在傳扭的過渡軸上，如圖1所示。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。例如，CFM56發動機的滑油噴嘴對供油襯套供油，滑油流入襯套內后經過多孔徑向小孔流入軸承內環，進行環下供油。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多熱量的措施，被許多發動機采用，如圖2所示。

圖2 CFM56風扇轉子支承結構

圖3 GE90-94B與GE-115B風扇支承結構

GE90-115B的1號 支 點改用大直徑滾棒軸承

GE90-115B曾是世界上推力最大的發動機，以其作為動力的波音777-300ER于2004年5月投入航線使用。GE90-115B是由GE90-94B衍生發展而來，在發展過程中，其風扇轉子的支承結構做了重大改變，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，如圖3所示。由于風扇后錐軸的后端即安裝2號支點處的直徑小，如果將滾珠軸承直接裝在此處，則滾珠軸承的尺寸太小，承受不了載荷。為此，設計人員在后錐軸的后端安裝了一個帶球頭的外伸軸套，軸承內環裝在外伸軸套中，外環裝在折返式彈性支座中，如圖4所示。

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GE90-94B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，被認為可能會影響飛行安全，但從下述幾次發動機的風扇傳動軸折斷后，輪盤甩出發動機而未對飛機結構造成損傷的故障來看，改用大直徑的滾棒軸承并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年的5月、8月與9月3次出現風扇傳動軸折斷的重大故障，因風扇后的軸承不是滾珠軸承，帶葉片的風扇盤從發動機前端脫離發動機墜落，對飛機結構基本未造成損傷；1982年12月，用于波音747的RB211-524C2也遭遇了類似故障，未對飛機結構造成損傷； 2017年9月30日，法國航空公司的一架裝有4臺GP7200發動機的空客A380在飛行中，飛機右機翼外側發動機的風扇轉子后錐軸處突然斷裂，風扇轉子連同飛機的進氣短艙等脫離發動機而墜落（如圖5所示），這次嚴重的發動機故障未對飛機結構造成損傷。這5起故障說明風扇后的1號支點不采用滾珠軸承是可行的，這是因為當風扇后軸折斷后，風扇轉子隨即停轉，帶葉片的輪盤自由落體下墜，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，并不會對機體造成損傷。

與此同時，風扇后1號支點采用滾珠軸承時，當風扇葉片被外來物打傷后，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，而換用大直徑滾棒軸承（GE90-115B的滾棒軸承內徑由GE90-94B的183mm增加到503mm），可以防止轉子的偏轉。另外，為了減少當風扇葉片遭外物擊傷后造成轉子不平衡帶來的振動外傳，在GE90-115B風扇轉子的兩個支點中，均采用了彈性支座（圖4中2號支點處采用的是折返式彈性支座，圖6中1號支點采用的是帶擠壓油膜的彈性支座）。

綜合上述考慮，在GE90-115B以后研制的雙轉子大涵道比渦扇發動機（如LEAP、GEnx、GE9X與PW6000等），風扇轉子支承結構均采用了和GE90-115B相同的結構。

表1 GE90兩型發動機1、2號軸承參數

圖5 飛行中的空客A380發動機風扇部分墜落

圖6 GE90-115B 1號支點結構

圖7 中壓壓氣機之后的3個滾珠軸承

RB211與遄達系列發動機風扇轉子采用特別結構

羅羅公司的RB211與遄達系列發動機均為三轉子結構，因此其發動機的風扇轉子支承結構采用了比GE和普惠公司更為復雜的設計。從1972年投入使用的RB211-22B（用于L1011飛機）到2008年投入使用的遄達1000（用于波音787），風扇轉子支承結構均采用了相同的設計。

為了使3個轉子承受軸向力的滾珠軸承的負荷由1個承力框架傳出，設計人員將3個滾珠軸承均置于中壓壓氣機之后（如圖7所示）。其中，風扇轉子后支點（3號）軸承是一個中介軸承，內環裝在風扇后軸上，外環裝在中壓壓氣機后軸上。另外，緊靠風扇轉子后的1號支點處只能采用滾棒軸承，當風扇后軸折斷后，風扇輪盤不能保持在發動機中，為此，羅羅公司設計了一套能將風扇輪盤保持在發動機內的保持軸裝置（如圖8所示）。保持軸前端的后端面緊緊靠在風扇輪盤盤心的前端面，保持軸的后端的前端面，與低壓渦輪軸前端的擰緊螺帽間保持一定的軸向間隙（圖中A處）。保持軸正常狀態下不起作用，一旦風扇軸折斷，風扇輪盤前移，消除了間隙A，使保持軸后端與低壓渦輪前擰緊螺帽接觸，保持軸當即限制輪盤繼續向前移動，將風扇輪盤保持在發動機內。在實際運行中還是先后出現了4次風扇軸折斷后未能將輪盤保持在發動機內的事件：1981年的5月、8月與9月，作為L1011飛機動力的RB211-22B發動機，由于1號支點處封嚴裝置失效，使滑油自燃造成風扇軸折斷，保持軸未能將風扇輪盤保持在發動機內，風扇盤甩離發動機；1982年12月用于波音747的RB211-524C2也遭遇了類似的事件。后來，羅羅公司對1號支點處的潤滑與封嚴裝置進行了改進，之后再未出現類似的事件。

圖8 RB211、遄達系列發動機中風扇轉子中的保持軸

RB211/遄達發動機轉子支承簡圖

圖9 遄達XWB與傳統的RB211/遄達系列發動機在風扇轉子支承上的不同

遄達XWB風扇支承結構的重大改動

2014年5月，采用遄達XWB發動機作為動力的空客A350XWB雙發客機投入航線運營。遄達XWB是遄達系列發動機中最新的、也是推力最大的發動機，但在風扇轉子支承結構中，羅羅公司卻一改已采用40余年的傳統設計。

如前所述，從RB211-22B到遄達1000，風扇的滾珠軸承均置于中壓壓氣機之后，且為一個中介軸承，而滾棒軸承緊靠風扇輪盤后。但遄達XWB的空氣流量由遄達1000的1088kg/s增大到1436kg/s，使滾珠軸承的軸向氣動載荷增加較多，采用傳統的支承方法顯然不能滿足設計要求。為此，在遄達XWB中，羅羅公司將滾珠軸承換裝到1號支點處（風扇盤后，如圖9所示）。另外，為了增加滾珠軸承的承受軸向載荷的能力，羅羅公司還將軸承內徑加大。傳統的風扇支承系統中，1號支點的軸承內徑與2號支點（中壓壓氣機前支點）軸承內徑是一致的，而在遄達XWB的1號支點的內徑比2號支點的內徑大很多，使滾珠軸承承受軸向載荷的能力提高了4倍。由于1號支點處采用了大直徑滾珠軸承，傳統設計中的保持軸在遄達XWB中取消了，這也簡化了風扇轉子支承系統的結構。

結束語

在雙轉子大涵道比渦扇發動機中，滾珠軸承置于風扇盤后（1號支點處），是作為安全設計的一項重大措施，但30多年的實踐證明，即使風扇傳動軸折斷，發動機少了一個大部件，但對飛機結構并不會造成損傷，因此，設計人員可以將滾珠軸承置于別處。而且，考慮到風扇葉片易受外來物打傷，造成風扇轉子的平衡被破壞，風扇多片葉片葉尖會刮蹭機匣，1號支點處采用大直徑滾棒軸承能避免刮蹭的發生，所以，在GE90-115B的風扇轉子系統進行了重大改變。由此也可以看出，在發動機研制中，設計人員一定要搜集并總結發動機使用中的經驗與教訓，從中提煉出能提高發動機安全可靠的措施。