某渦軸發動機單元體設計分析

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

自20世紀70年代以來，發動機普遍采用單元體結構設計概念。它是一種從單個零件、相互成套零件的互換性，向范圍更大的結構單元的互換性不斷推廣的結果。這種互換不需要復雜和專用工藝裝備便能實現，因此便于外場維修。同時，考慮到同一發動機上的各個結構單元體之間在使用壽命上由于負荷條件的不同而帶來的較大差異，可以將備件更多地集中于更換頻率較高的單元體上，減少整機的備份數，提高經濟效益。

本文介紹了航空渦軸發動機單元體設計的一般原則，完成了某渦軸發動機的單元體設計及對比分析。

1.某渦軸發動機單元體設計

單元體設計的目的是提高發動機的使用率，減少維修難度、縮短維修工時，降低使用和維護成本，可在現場進行更換，而無需適應或調整工作。在單元體劃分中，應考慮的基本原則有：

（1）將需在外場進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。

某型渦軸發動機為采用單轉子燃氣發生器、功率前輸出的結構布局方案，總體布局形式如下：

（1）采用軸向進氣。

（2）采用3級軸流+1級離心組合式壓氣機。

（3）采用環形回流燃燒室。

（4）采用雙級軸流燃氣渦輪。

（5）采用功率前輸出的雙級軸流動力渦輪。

（6）采用上傳動的附件傳動。

（7）燃氣發生器轉子與動力渦輪轉子同心設計，其中燃氣發生器轉子采用1-0-1的支承方案，動力渦輪轉子采用2-2-0的支承方案，燃氣發生器轉子后支點與動力渦輪轉子中支點采用軸承共腔設計。

根據單元體劃分一般原則并結合某發動機總體布局，將某發動機劃分為5個單元體，即冷端單元體（M01，含進氣組件和壓氣機）、熱端單元體（M02，含燃燒室、燃氣渦輪及動力渦輪短軸）、動力渦輪單元體（M03，含動力渦輪轉子和二級導向器）、功率輸出和扭矩測量單元體（M04，含動力渦輪軸和扭矩測量裝置）、附件傳動單元體（M05，含附件傳動裝置及安裝的成附件），示意圖見圖1。其中，外場可更換的單體包括動力渦輪單元體（M03單元體）、功率輸出和扭矩測量單元體（M04單元體）及附件傳動單元體（M05單元體）三個單元體，冷端單元體（M01單元體）及熱端單元體（M02單元體）在外場不進行更換，用于將來發動機返廠大修時冷熱端壽命匹配用。

圖1 某型發動機單元體劃分示意圖

2.與T700發動機單元體設計對比

T700發動機由四個單元體組成，分別為附件傳動單元體、動力渦輪單元體、冷端單元體、熱端單元體[1]，具體如圖2所示。

圖2 T700發動機單元劃分示意圖

與T700相比，某渦軸發動機采用了共腔設計，燃氣發生器上采用了1-0-1支點布局方式，將燃氣發生器后支點安排在燃氣渦輪后方，同時，將動力渦輪支點布局在動力渦輪前方，這些支點在渦輪間過渡段部位共用一個軸承腔。采用共腔設計后，某發動機將共用軸承腔所在的過渡段靜子零組件與燃氣渦輪設計成一體，這樣，動力渦輪單元體不包含其支點的軸承座，使得動力渦輪轉、靜子之間的相互約束、定位性能較差，因此也就不適合把動力渦輪軸向前伸出并歸屬于動力渦輪單元體。而T700發動機的燃氣發生器采用了1-1-0支點布局方式，不存在上述問題，所以T700發動機將動力渦輪軸向前伸出并歸屬于動力渦輪單元體。

某發動機動力渦輪轉子還采用了共球軸承設計，即在低壓轉子系統的前端和后端共用一個球軸承。T700發動機未采用共球軸承設計，而是在動力渦輪軸前段和后段分別設置球軸承，這樣做使整個低壓轉子的軸向力的調整和控制更加復雜。而采用了共球軸承設計，動力渦輪轉子的軸向力由輸出軸的球軸承承擔，然后再向靜子承力系統傳遞。另外，為了安裝位于動力渦輪前方的支點軸承，某發動機設計有動力渦輪短軸，短軸由兩個滾棒軸承支承，后端有安裝邊安裝二級渦輪盤，內孔則插入動力渦輪軸，兩者以花鍵出按鈕，這樣便將動力渦輪軸與輸出軸一體化設計，并組成新的單元體。

綜上分析，相比T700，某發動機外場維護性較弱，但由于采用了共腔設計及共軸承設計，簡化了發動機結構，降低了動力渦輪軸承的精度要求，提高了經濟性。

3.與RTM322單元體設計對比

為了維護方便，RTM322發動機采用完全單元體結構，共分為6個單元體。即01單元體（壓氣機和進氣道結構）、02單元體（燃燒室和燃氣渦輪）03單元體（自由渦輪）、04單元體（功率輸出軸和扭矩測量）、05單元體（附件齒輪箱）及06單元體（粒子分離器（可選裝））。RTM322發動機單元體劃分如圖3所示。

圖3 RTM322發動機單元體劃分

與RTM322相比，由于兩型發動機均采用了共腔設計及共軸承設計思想，某發動機單元體劃分基本類似，一個不同之處在于動力渦輪短軸的歸屬，RTM322將動力渦輪短軸與動力渦輪歸屬于一個單元體，而某型發動機則將動力渦輪短軸歸屬于熱端單元體，分析兩者的區別，RTM322將短軸與動力渦輪歸屬一個單元體，可避免短軸與動力渦輪轉子分屬于兩個不同的單元體，但卻將軸承動力渦輪支點軸承內外環分開，需考慮軸承內外環的互換性，而將動力渦輪短軸與動力渦輪分開，則可避免軸承內外環分屬于不同的單元體，但更換時，需考慮動力渦輪轉子無需聯合動平衡的設計。

另外，某發動機雖然也將燃氣發生器分成了冷端單元體及熱端單元體，但不像RTM322那樣可以在外場更換，僅用作廠內匹配壽命用，這樣雖然降低了外場維修性，但由于燃氣發生器在外場更換可能性相對較低，尤其對于民用渦軸發動機而言，其影響更小，且這種劃分更有利于提高生產經濟性。

綜上分析，相比RTM322，某發動機對于動力渦輪轉子動平衡要求更高，但降低了軸承設計難度，另外，外場維修性略低，但提高了生產經濟性。

4.與Ardiden發動機單元體設計對比

Ardiden發動機由3個單元體組成（見圖4）：附件傳動單元體、燃氣發生器單元體和動力渦輪單元體。附件傳動單元體（M01單元體）由附件傳動、滑油箱以及安裝在機匣上的成附件等組成；燃氣發生器單元體（M02單元體）由壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪、過渡段、動力渦輪機匣、動力渦輪一級導向器、動力渦輪軸、輸出軸組件等組成；動力渦輪單元體（M03單元體）由動力渦輪兩級轉子和二級導向器組成。

圖4 Ardiden發動機單元體劃分

與Ardiden發動機相比，某發動機動力渦輪軸采用從前往后插入的裝配方式，且將動力渦輪軸與輸出軸一體化單元體設計，而Ardiden發動機是采用從后往前插入的裝配方式，與此對應，前端設有輸出軸，將動力渦輪軸與其自身支點至前方輸出支點之間的所有部件，連同輸出軸組成一個單元體，也就是將燃氣渦輪及輸出軸、進氣機匣、壓氣機、燃燒室一起組成燃氣發生器單元體。

綜上分析，Ardiden發動機燃氣發生器單元體包含冷端部件和熱端部件，燃燒室、燃氣渦輪、動力渦輪傳動軸等在外場不便更換，從外場維修性上與某型發動機相似，但某發動機將動力渦輪傳動軸劃分為單獨的單元體，提高了外場維修性。

5.結論

某發動機與RTM322發動機一樣，采用了共軸承腔設計和共球軸承設計，與T700發動機相比，外場維護性略低，但簡化了發動機結構，減輕了發動機重量，減少了制造費用；與RTM322發動機相比，由于將動力渦輪短軸與燃氣渦輪歸屬一個單元體，降低了軸承設計要求，但同時也對跨單元體動力渦輪轉子動平衡要求提出了更高的要求。同時，某發動機冷端單元體與熱端單元體在外場無需更換，降低了外場維修費用，提升了生產經濟性。與Ardiden發動機相比，某發動機將動力渦輪傳動軸劃分為單獨的單元體，有效提升了其外場維修性。