槳扇發動機對轉減速器槳軸支撐結構分析

胡耿 李國文

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

槳扇發動機（或開式轉子發動機）兼具了傳統渦槳發動機油耗低的優勢以及渦扇發動機高速飛行的特點，NASA、羅爾斯·羅伊斯、斯奈克瑪等國外航空企業先后開展了槳扇發動機研究[1]。對轉減速器為槳扇發動機的關鍵部件之一，通常采用差動行星輪系，以實現“單輸入、雙輸出”的功能。對轉減速器從行星架和內齒圈同軸反向輸出，與前、后兩根槳軸分別相連，并分別帶動前排與后排螺旋槳對轉工作。共軸對轉減速器為一種新構型減速器，艾利遜、川崎重工等先后先后開展了相關研究和試驗，但目前在國內航空領域的研究較少。相比于傳統的渦槳發動機減速器，共軸對轉減速器在前、后槳軸支撐方式與單槳軸支撐方式存在差異，本文通過搜集國外相關資料，分析共軸對轉減速器前、后槳軸支撐結構特點。

1.對轉槳軸支撐結構

對轉槳軸是連接減速器輪系和對轉槳扇的關鍵部件，通常包括一個前槳軸和一個后槳軸，兩者同軸反轉，分別驅動前排和后排螺旋槳。國外槳扇發動機對轉減速器常用的三種前、后槳軸支撐結構分別見圖1～圖3。

圖1 前、后槳軸支撐方式一[2]

圖2 前、后槳軸支撐方式二[3]

圖3 前、后槳軸支撐方式三[3]

支撐方式一中后槳軸安裝在減速器上，與后排螺旋槳通過法蘭連接，前槳軸安裝在后排螺旋槳上，與前排螺旋槳也通過法蘭連接，前槳軸和行星架之間為浮動軸，二者與浮動軸連接方式均為漸開線花鍵連接，起傳遞扭矩和轉速的作用。

支撐方式二中后槳軸安裝在減速器上，與后排螺旋槳通過法蘭連接，前槳軸安裝在后排螺旋槳上，與前排螺旋槳也通過法蘭連接，前槳軸和行星架之間未設計浮動軸，直接通過漸開線花鍵連接。

支撐方式三與支撐方式二類似，不同的是，方式三中前槳軸與行星架花鍵連接的位置靠近后排螺旋槳，而方式二中前槳軸與行星架花鍵連接的位置靠近行星架。

2.槳軸支撐結構特點分析

3種支撐方式中，后槳軸均通過軸承安裝在減速器機匣上，且前槳軸均通過軸承安裝在后槳軸上，因此對轉螺旋槳載荷主要通過后槳軸傳遞至減速器機匣上。

支撐方式一中前槳軸與浮動軸花鍵連接靠近支撐位置，前槳軸傾斜量小，花鍵的側隙可補償浮動軸的傾斜量，另外，浮動軸與行星架亦通過花鍵連接，更有利于補償前槳軸傾斜，因此前排螺旋槳承受的彎矩、軸向力和徑向力不會傳遞至行星架，這些載荷全部通過后槳軸傳遞至減速器機匣上，行星架僅僅傳遞扭矩，從而可減少減速器輪系結構變形。

支撐方式二中前排螺旋槳承受的彎矩、軸向力和徑向力主要通過后槳軸傳遞至減速器機匣上，但是部分徑向力會傳遞到行星架，如圖4所示，前槳軸左端未約束時存在撓度和轉角，現通過行星架約束其撓度和轉角為0，由于前槳軸傾斜量大，花鍵側隙無法補償前槳軸傾斜量，因此行星架必定受到徑向力。徑向力的大小與前槳軸伸出長度L相關：L越大，行星架承受徑向力越小，詳見公式（1）。因此，為了減少螺旋槳載荷對行星架的影響，L值需適當大些。

式中：FH為前槳軸傳遞至行星架的徑向力；EI為抗彎剛度；w為撓度；L為前槳軸伸出長度，如圖4所示。

圖4 支撐方式二前槳軸受載變形

支撐方式三中前排螺旋槳承受的彎矩、軸向力和徑向力主要通過后槳軸傳遞至減速器機匣上，但是部分彎矩會傳遞到行星架。前槳軸左端未約束時存在轉角，行星架需適應前槳軸變形，如花鍵側隙補償能力不足，行星架會受彎矩載荷。彎矩的大小與行星架伸出長度L相關（見圖5）：長度L越大，行星架承受彎矩越小，彎矩近似計算見公式（2）。因此，為了減少螺旋槳載荷對行星架的影響，L值需適當大些。

圖5 支撐方式三前槳軸受載變形

式中：Me為前槳軸傳遞至行星架的彎矩；θ為轉角；L為行星架伸出長度。

3.結構對比分析

支撐方式一中由于設計了浮動軸，因此行星架僅僅傳遞扭矩，有利于輪系正常嚙合工作。另外，花鍵僅僅傳遞扭矩，受載單一，有利于花鍵正常工作。

支撐方式二行星架承受一定的來自螺旋槳的徑向力，但由于徑向力作用于行星架支撐位置附近，因此導致行星架的變形較小，即對輪系正常嚙合工作的影響較小。此外，由于花鍵同時承受徑向力和扭矩，不利于花鍵正常工作。

支撐方式三在結構上與支撐方式二較為接近，由于支撐方式二中前槳軸有伸出量L，而支撐方式三中前槳軸沒有伸出量，因此其前槳軸的傾斜量明顯小于支撐方式二。但在設計過程中，需控制好前槳軸的傾斜量在花鍵側隙可補償的范圍內。如果花鍵側隙補償能力不夠，則行星架承受彎矩，影響輪系正常嚙合。

4.結論

本文對比分析了三種共軸對轉減速器槳軸支撐結構，可為共軸對轉減速器槳軸支撐方式設計提供了指導，結果表明：從前槳軸對行星架的影響以及花鍵受載情況進行比較，支撐方式一和方式三要優于支撐方式二。