商用大涵道比渦扇發動機主軸軸承應用淺析

代鈺

（中航商用航空發動機有限責任公司，上海 201108）

商用大涵道比渦扇發動機主軸軸承應用淺析

代鈺

（中航商用航空發動機有限責任公司，上海 201108）

主軸軸承作為航空發動機的關鍵零件之一，其應用方案直接關系到發動機轉子載荷外傳的路徑，還影響整機傳力方案設計。本文通過分析典型商用大涵道比渦扇發動機主軸軸承的應用情況，嘗試分析出常見構型發動機主軸軸承應用的最優方案。

商用；渦扇；航空發動機；主軸軸承

0　引言

從基本構型上說，現代商用大涵道比渦扇發動機主要有以通用電氣（以下簡稱GE）公司、普惠（以下簡稱PW）公司和CFMI公司為代表的雙轉子發動機和以羅爾斯羅伊斯（以下簡稱RR）公司為代表的三轉子發動機。

一般每個轉子有2～3支點，基于航空發動機運轉精度高、潤滑油消耗少、方便維護的要求，支點軸承多采用滾動軸承，軸承工作時采用潤滑油潤滑。轉子軸向載荷通過止推支點軸承傳遞至主承力框架，徑向載荷通過所有支點傳遞至主承力框架，圖1為典型的雙轉子商用渦扇發動機轉子支承方案。

圖1　典型的雙轉子商用渦扇發動機轉子支承方案

1　軸承分類

相對于滑動軸承，滾動軸承的主要優點包括：摩擦阻力小，機械效率高，容易啟動，對潤滑的要求較低；尺寸標準化，具有互換性，拆裝維修方便；結構緊湊，重量輕，軸向尺寸更小；運轉精度高，負載大；適用于大批量生產，質量穩定可靠，生產效率高；可根據需要靈活地在軸承出設計彈性支承及阻尼器等結構。因此，航空發動機主軸軸承主要采用滾動軸承，滾動軸承的分類見圖2。

2　典型航空發動機主軸軸承應用分析

2.1雙轉子發動機主軸軸承應用分析

（1）GE90-94B發動機主軸軸承應用分析。GE90-94B是GE公司為波音B777-200飛機配發研制的雙轉子大涵道比渦扇發動機。其6級低壓渦輪帶動1級風扇和3級增壓級；2級高壓渦輪帶動10級高壓壓氣機。低壓轉子采用0-2-1支承方案，其中1號支點采用滾珠軸承，為止推支點；2號、5號支點采用滾棒軸承。高壓轉子采用1-0-1支承方案，3號支點采用滾珠、滾棒軸承并用方案，為止推支點；4號支點采用滾棒軸承。轉子支承方案見圖3。

圖2　滾動軸承分類

圖3　GE90-94B轉子支承方案

（2）GE90-115B發動機主軸軸承應用分析。GE90-115B是GE公司在GE90-94B基礎上改型設計，為波音B777-300飛機配發研制的雙轉子大涵道比渦扇發動機。其6級低壓渦輪帶動1級風扇和4級增壓級；2級高壓渦輪帶動9級高壓壓氣機。低壓轉子采用0-2-1支承方案，其中1號、5號支點采用滾棒軸承；2號支點采用滾珠軸承，為止推支點。高壓轉子采用1-0-1支承方案，3號支點采用滾珠、滾棒軸承并用方案，為止推支點；4號支點采用滾棒軸承。轉子支承方案見圖4。

與GE90-94B相比，轉子支承方案最大的不同點是低壓轉子止推支點的位置由1號改為2號。分析其主要原因有以下幾點。

①為配合可失效轉子支承技術的應用，即在適航規定的風扇葉片脫落狀態下，將1號支點支承錐壁局部減薄處剪斷（見圖5中128位置），2號軸承內側與風扇短軸連接的球面處剪切銷同時剪斷，讓風扇轉子的旋轉中心向其新的重心靠近，從而減小其不平衡載荷，達到減少傳力路徑上零件重量的目的；

②1號支點位置采用滾棒軸承，有利于控制風扇葉尖間隙；

③2號支點位置徑向載荷相對較小，降低了球軸承載荷，提高其工作可靠性。

圖4　GE90-115B轉子支承方案

圖5　可失效轉子支承技術示意圖

2.2三轉子發動機主軸軸承應用分析

目前RR公司的Trent系列發動機是在其RB211發動機基礎上發展起來的三轉子大涵道比渦扇發動機。以Trent800發動機（應用于波音B777飛機）為例。4級低壓渦輪帶動1級風扇，1級中壓渦輪帶動8級中壓壓氣機，1級高壓渦輪帶動6級高壓壓氣機。3個轉子采用8支點方案（見圖6）：高壓轉子采用1-0-1支承方案，其中5號支點采用滾珠軸承，為止推支點；6號支點采用滾棒軸承。中壓轉子采用1-2-0支承方案，其中4號支點采用滾珠軸承，為止推支點；2號、7號支點采用滾棒軸承。低壓轉子采用0-2-1支承方案，其中3號支點是采用滾珠軸承的中介支點，為止推支點；1號、8號支點采用滾棒軸承。

可以看出Trent800發動機三個轉子的止推支點相鄰，且支承在同一個承力框架上。而推力拉桿安裝于此承力框架，這樣保證軸向載荷傳遞路徑最短。

2.3齒輪傳動風扇發動機主軸軸承應用分析

以PW公司PW1000G系列發動機為代表的齒輪傳動風扇發動機（GTF發動機）在傳動的雙轉子發動機低壓渦輪軸與風扇轉子中間增加了一個減速器。其轉子支承方案與傳統構型發動機也存在較大差異。PW1000G轉子采用6支點方案（見圖7）：低壓轉子采用0-2-2支承方案，其中1號支點采用1對斜置滾棒軸承，承擔風扇轉子的軸向、徑向載荷；2號支點采用滾珠軸承，承擔低壓壓氣機-低壓渦輪轉子的軸向、徑向載荷；5號、6號支點采用滾棒軸承。

圖6　Trent800轉子支承方案

圖7　PW1000G轉子支承方案

3　結語

軸承承擔的轉子載荷中，軸向載荷一般高于徑向載荷1-2個量級，因此轉子的止推軸承工作條件最為惡劣。

為保證止推軸承得到良好的潤滑與冷卻，減少高溫對軸承及滑油的影響，從上述典型的商用大涵道比渦扇發動機主軸軸承應用來看，轉子的止推軸承全部布置在低溫區，即靠近發動機前端位置。從提高推力軸承可靠性的角度，可以考慮在高壓轉子止推支點處采用滾珠、滾棒軸承并用方案，以合理分配軸承載荷。同時，發動機幾個轉子的推力軸承盡可能靠近，支承在同一個主承力框架上，以縮短載荷的傳遞路徑，提高結構效率。

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