某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)單元體設(shè)計(jì)分析

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念。它是一種從單個(gè)零件、相互成套零件的互換性，向范圍更大的結(jié)構(gòu)單元的互換性不斷推廣的結(jié)果。這種互換不需要復(fù)雜和專用工藝裝備便能實(shí)現(xiàn)，因此便于外場(chǎng)維修。同時(shí)，考慮到同一發(fā)動(dòng)機(jī)上的各個(gè)結(jié)構(gòu)單元體之間在使用壽命上由于負(fù)荷條件的不同而帶來(lái)的較大差異，可以將備件更多地集中于更換頻率較高的單元體上，減少整機(jī)的備份數(shù)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

本文介紹了航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)單元體設(shè)計(jì)的一般原則，完成了某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的單元體設(shè)計(jì)及對(duì)比分析。

1.某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)單元體設(shè)計(jì)

單元體設(shè)計(jì)的目的是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用率，減少維修難度、縮短維修工時(shí)，降低使用和維護(hù)成本，可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更換，而無(wú)需適應(yīng)或調(diào)整工作。在單元體劃分中，應(yīng)考慮的基本原則有：

（1）將需在外場(chǎng)進(jìn)行更換的部件集中劃分為單元體。

（2）考慮壽命匹配，將不同壽命的部件劃分為不同單元體。

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為采用單轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器、功率前輸出的結(jié)構(gòu)布局方案，總體布局形式如下：

（1）采用軸向進(jìn)氣。

（2）采用3級(jí)軸流+1級(jí)離心組合式壓氣機(jī)。

（3）采用環(huán)形回流燃燒室。

（4）采用雙級(jí)軸流燃?xì)鉁u輪。

（5）采用功率前輸出的雙級(jí)軸流動(dòng)力渦輪。

（6）采用上傳動(dòng)的附件傳動(dòng)。

（7）燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子與動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子同心設(shè)計(jì)，其中燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子采用1-0-1的支承方案，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子采用2-2-0的支承方案，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)與動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子中支點(diǎn)采用軸承共腔設(shè)計(jì)。

根據(jù)單元體劃分一般原則并結(jié)合某發(fā)動(dòng)機(jī)總體布局，將某發(fā)動(dòng)機(jī)劃分為5個(gè)單元體，即冷端單元體（M01，含進(jìn)氣組件和壓氣機(jī)）、熱端單元體（M02，含燃燒室、燃?xì)鉁u輪及動(dòng)力渦輪短軸）、動(dòng)力渦輪單元體（M03，含動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子和二級(jí)導(dǎo)向器）、功率輸出和扭矩測(cè)量單元體（M04，含動(dòng)力渦輪軸和扭矩測(cè)量裝置）、附件傳動(dòng)單元體（M05，含附件傳動(dòng)裝置及安裝的成附件），示意圖見(jiàn)圖1。其中，外場(chǎng)可更換的單體包括動(dòng)力渦輪單元體（M03單元體）、功率輸出和扭矩測(cè)量單元體（M04單元體）及附件傳動(dòng)單元體（M05單元體）三個(gè)單元體，冷端單元體（M01單元體）及熱端單元體（M02單元體）在外場(chǎng)不進(jìn)行更換，用于將來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)返廠大修時(shí)冷熱端壽命匹配用。

圖1 某型發(fā)動(dòng)機(jī)單元體劃分示意圖

2.與T700發(fā)動(dòng)機(jī)單元體設(shè)計(jì)對(duì)比

T700發(fā)動(dòng)機(jī)由四個(gè)單元體組成，分別為附件傳動(dòng)單元體、動(dòng)力渦輪單元體、冷端單元體、熱端單元體[1]，具體如圖2所示。

圖2 T700發(fā)動(dòng)機(jī)單元?jiǎng)澐质疽鈭D

與T700相比，某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用了共腔設(shè)計(jì)，燃?xì)獍l(fā)生器上采用了1-0-1支點(diǎn)布局方式，將燃?xì)獍l(fā)生器后支點(diǎn)安排在燃?xì)鉁u輪后方，同時(shí)，將動(dòng)力渦輪支點(diǎn)布局在動(dòng)力渦輪前方，這些支點(diǎn)在渦輪間過(guò)渡段部位共用一個(gè)軸承腔。采用共腔設(shè)計(jì)后，某發(fā)動(dòng)機(jī)將共用軸承腔所在的過(guò)渡段靜子零組件與燃?xì)鉁u輪設(shè)計(jì)成一體，這樣，動(dòng)力渦輪單元體不包含其支點(diǎn)的軸承座，使得動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)、靜子之間的相互約束、定位性能較差，因此也就不適合把動(dòng)力渦輪軸向前伸出并歸屬于動(dòng)力渦輪單元體。而T700發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器采用了1-1-0支點(diǎn)布局方式，不存在上述問(wèn)題，所以T700發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力渦輪軸向前伸出并歸屬于動(dòng)力渦輪單元體。

某發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子還采用了共球軸承設(shè)計(jì)，即在低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的前端和后端共用一個(gè)球軸承。T700發(fā)動(dòng)機(jī)未采用共球軸承設(shè)計(jì)，而是在動(dòng)力渦輪軸前段和后段分別設(shè)置球軸承，這樣做使整個(gè)低壓轉(zhuǎn)子的軸向力的調(diào)整和控制更加復(fù)雜。而采用了共球軸承設(shè)計(jì)，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的軸向力由輸出軸的球軸承承擔(dān)，然后再向靜子承力系統(tǒng)傳遞。另外，為了安裝位于動(dòng)力渦輪前方的支點(diǎn)軸承，某發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)有動(dòng)力渦輪短軸，短軸由兩個(gè)滾棒軸承支承，后端有安裝邊安裝二級(jí)渦輪盤，內(nèi)孔則插入動(dòng)力渦輪軸，兩者以花鍵出按鈕，這樣便將動(dòng)力渦輪軸與輸出軸一體化設(shè)計(jì)，并組成新的單元體。

綜上分析，相比T700，某發(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)維護(hù)性較弱，但由于采用了共腔設(shè)計(jì)及共軸承設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，降低了動(dòng)力渦輪軸承的精度要求，提高了經(jīng)濟(jì)性。

3.與RTM322單元體設(shè)計(jì)對(duì)比

為了維護(hù)方便，RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)采用完全單元體結(jié)構(gòu)，共分為6個(gè)單元體。即01單元體（壓氣機(jī)和進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)）、02單元體（燃燒室和燃?xì)鉁u輪）03單元體（自由渦輪）、04單元體（功率輸出軸和扭矩測(cè)量）、05單元體（附件齒輪箱）及06單元體（粒子分離器（可選裝））。RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)單元體劃分如圖3所示。

圖3 RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)單元體劃分

與RTM322相比，由于兩型發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了共腔設(shè)計(jì)及共軸承設(shè)計(jì)思想，某發(fā)動(dòng)機(jī)單元體劃分基本類似，一個(gè)不同之處在于動(dòng)力渦輪短軸的歸屬，RTM322將動(dòng)力渦輪短軸與動(dòng)力渦輪歸屬于一個(gè)單元體，而某型發(fā)動(dòng)機(jī)則將動(dòng)力渦輪短軸歸屬于熱端單元體，分析兩者的區(qū)別，RTM322將短軸與動(dòng)力渦輪歸屬一個(gè)單元體，可避免短軸與動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子分屬于兩個(gè)不同的單元體，但卻將軸承動(dòng)力渦輪支點(diǎn)軸承內(nèi)外環(huán)分開(kāi)，需考慮軸承內(nèi)外環(huán)的互換性，而將動(dòng)力渦輪短軸與動(dòng)力渦輪分開(kāi)，則可避免軸承內(nèi)外環(huán)分屬于不同的單元體，但更換時(shí)，需考慮動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子無(wú)需聯(lián)合動(dòng)平衡的設(shè)計(jì)。

另外，某發(fā)動(dòng)機(jī)雖然也將燃?xì)獍l(fā)生器分成了冷端單元體及熱端單元體，但不像RTM322那樣可以在外場(chǎng)更換，僅用作廠內(nèi)匹配壽命用，這樣雖然降低了外場(chǎng)維修性，但由于燃?xì)獍l(fā)生器在外場(chǎng)更換可能性相對(duì)較低，尤其對(duì)于民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其影響更小，且這種劃分更有利于提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。

綜上分析，相比RTM322，某發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡要求更高，但降低了軸承設(shè)計(jì)難度，另外，外場(chǎng)維修性略低，但提高了生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。

4.與Ardiden發(fā)動(dòng)機(jī)單元體設(shè)計(jì)對(duì)比

Ardiden發(fā)動(dòng)機(jī)由3個(gè)單元體組成（見(jiàn)圖4）：附件傳動(dòng)單元體、燃?xì)獍l(fā)生器單元體和動(dòng)力渦輪單元體。附件傳動(dòng)單元體（M01單元體）由附件傳動(dòng)、滑油箱以及安裝在機(jī)匣上的成附件等組成；燃?xì)獍l(fā)生器單元體（M02單元體）由壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)鉁u輪、過(guò)渡段、動(dòng)力渦輪機(jī)匣、動(dòng)力渦輪一級(jí)導(dǎo)向器、動(dòng)力渦輪軸、輸出軸組件等組成；動(dòng)力渦輪單元體（M03單元體）由動(dòng)力渦輪兩級(jí)轉(zhuǎn)子和二級(jí)導(dǎo)向器組成。

圖4 Ardiden發(fā)動(dòng)機(jī)單元體劃分

與Ardiden發(fā)動(dòng)機(jī)相比，某發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪軸采用從前往后插入的裝配方式，且將動(dòng)力渦輪軸與輸出軸一體化單元體設(shè)計(jì)，而Ardiden發(fā)動(dòng)機(jī)是采用從后往前插入的裝配方式，與此對(duì)應(yīng)，前端設(shè)有輸出軸，將動(dòng)力渦輪軸與其自身支點(diǎn)至前方輸出支點(diǎn)之間的所有部件，連同輸出軸組成一個(gè)單元體，也就是將燃?xì)鉁u輪及輸出軸、進(jìn)氣機(jī)匣、壓氣機(jī)、燃燒室一起組成燃?xì)獍l(fā)生器單元體。

綜上分析，Ardiden發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器單元體包含冷端部件和熱端部件，燃燒室、燃?xì)鉁u輪、動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸等在外場(chǎng)不便更換，從外場(chǎng)維修性上與某型發(fā)動(dòng)機(jī)相似，但某發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸劃分為單獨(dú)的單元體，提高了外場(chǎng)維修性。

5.結(jié)論

某發(fā)動(dòng)機(jī)與RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，采用了共軸承腔設(shè)計(jì)和共球軸承設(shè)計(jì)，與T700發(fā)動(dòng)機(jī)相比，外場(chǎng)維護(hù)性略低，但簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)重量，減少了制造費(fèi)用；與RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)相比，由于將動(dòng)力渦輪短軸與燃?xì)鉁u輪歸屬一個(gè)單元體，降低了軸承設(shè)計(jì)要求，但同時(shí)也對(duì)跨單元體動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡要求提出了更高的要求。同時(shí)，某發(fā)動(dòng)機(jī)冷端單元體與熱端單元體在外場(chǎng)無(wú)需更換，降低了外場(chǎng)維修費(fèi)用，提升了生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。與Ardiden發(fā)動(dòng)機(jī)相比，某發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸劃分為單獨(dú)的單元體，有效提升了其外場(chǎng)維修性。