槳扇發動機共軸對轉減速器研究現狀及構型分析*

丁金濤，陳志剛，張麗娜

(中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002)

0 引 言

槳扇發動機兼具渦槳發動機耗油率低、起降性能好、低空低速性能好和渦扇發動機巡航高度高、巡航速度快的優點，是現在各國正在加緊研發的新型發動機。

國外槳扇發動機的技術研究起步于20世紀70年代，目前比較典型的代表有前蘇聯的NK-12和NK-93、烏俄合作研制的D-27及歐美發展的GE-36、578-DX等，其中D-27是目前世界上唯一裝機投入使用的槳扇發動機[1]。國內槳扇發動機相關研究比較薄弱，與國外技術差距較大。

槳扇發動機的槳扇槳葉有單排或雙排兩種，雙排對轉槳扇具有高速巡航速度時高飛行效率的優點，與單排槳扇相比，雙排槳扇的效率要高8%。迄今世界上已經出現過的槳扇發動機，基本是采用雙排對轉槳扇構型。對于齒輪驅動雙排對轉槳扇構型的發動機，共軸對轉減速器的研究是其關鍵技術之一，減速器設計決定了前后排槳扇的功率分配比例，而前后排槳扇的功率比對槳扇發動機性能影響大，以工作狀態最優來分配，帶來的發動機推力變化量可達到5%以上[2]。

筆者首先對國內外槳扇發動機共軸對轉減速器的研究現狀進行了分析總結,在此基礎上對共軸對轉減速器的典型構型進行了分析，總結了共軸對轉減速器主要設計特征，最后就輪齒形式、均載方法進行了具體分析。

1 共軸對轉減速器研究現狀

國外關于雙自由度共軸對轉減速器的研究起步較早，最早可追溯至20世紀50年代前蘇聯庫茲涅佐夫設計局研制的NK-12渦槳發動機，該發動機采用基于差動行星傳動的雙自由度共軸對轉減速器，傳遞功率達10295 kW。

自20世紀80年代初開始，歐美和前蘇聯等西方各國開展了多個槳扇發動機驗證機和型號研制工作。如普惠公司、艾利遜公司和漢密爾頓公司聯合研制的578-DX槳扇發動機，前蘇聯庫茲涅佐夫設計局研制的三轉子齒輪傳動槳扇發動機NK-93等。578-DX采用雙自由度共軸對轉減速器，為提高對轉減速器的可靠性及性能，實施了先進減速器技術(AGBT)計劃，目的是使最新的分析技術、先進的材料應用于槳扇發動機對轉減速器中。艾利遜公司以AGBT技術為基礎開發了一款7 650kW的雙自由度共軸對轉減速器裝配于578-DX槳扇發動機，并于1989年在MD-80飛機上完成了飛行驗證試驗。NK-93發動機吸取了以往多款發動機(如NK-62、NK-110)的技術和經驗，截至1993年，NK-93各部件及整機試驗累積達2 500 h，至1997年，已制造7臺原型機并進行了地面試驗，1臺發動機裝在伊爾-76飛行試驗平臺進行了飛行試驗[3]。

20世紀90年代初，由于槳扇發動機自身存在的噪聲、振動、安裝方式、結構完整性和安全性等方面的問題，加上國際石油市場趨于穩定，美歐多個槳扇發動機驗證機研制計劃相繼中斷，只有烏俄合作研制的用作中型運輸機安-70/70T、別-42和安-180新一代動力裝置的D-27槳扇發動機，取得成功并投入使用，也是目前世界上唯一投入使用的槳扇發動機。

日本川崎重工于2007年開始對槳扇發動機的共軸對轉減速器開展系統研究[4-6]，針對槳扇發動機所需的輕質和高可靠度的減速器，重點解決其對準偏差影響齒輪可靠性的難題。于2011年設計、加工出一臺20 000HP功率等級的槳扇發動機共軸對轉減速器，2012年完成了減速器的磨合試驗、額定性能試驗、效率試驗及持久試車試驗。

我國槳扇發動機相關研究比較薄弱，直到2010年及以后才有國內學者開始關注槳扇發動機在減少燃油消耗、降低排放等方面的優勢。在齒輪傳動系統設計上，目前有侯明曦等對槳扇發動機等速對轉行星齒輪箱進行了研究[7]：對齒輪疲勞強度、行星軸承壽命和傳動系統潤滑技術進行了分析，并開展了行星齒輪傳動系統的初步設計。北京航空航天大學單鵬教授對槳扇發動機共軸對轉減速器傳動原理進行了研究[8]，并推導了齒輪輪齒參數與性能參數的匹配關系。

2 共軸對轉減速器典型構型分析

槳扇發動機的共軸對轉減速器用于匹配發動機轉子或動力渦輪和雙排槳扇協同工作，其構型直接影響減速器性能的優劣，NASA和普惠公司對共軸對轉減速器構型進行了大量的研究，研究得出差動行星傳動在重量、效率、壽命、成本等方面優勢突出，是最合適的構型[9]，目前國外幾款典型的槳扇發動機減速器均采用同軸式差動行星輪系構型，減速器結構示意圖見圖1～4。

圖1 578-DX發動機對轉減速器 圖2 NK-93發動機對轉減速器

圖3 D-27發動機對轉減速器 圖4 “川崎重工”發動機對轉減速器

差動行星傳動機構為單輸入、兩路共軸輸出且轉向相反，在傳動效率、可靠性、維護性及重量方面具有較大優勢。差動行星傳動的兩路輸出，其轉速比與功率比呈一對一關系，而與機構所傳遞的功率值完全無關。國外共軸對轉減速器主要設計特征如表1所列。

表1 國外共軸對轉減速器主要設計特征對比

差動行星輪系擁有兩個自由度，主要由太陽輪、行星輪、行星架和齒圈等組成。太陽輪與發動機動力渦輪相連，并與多個行星輪嚙合，實現功率分流，再由行星輪帶動齒圈及行星架旋轉工作。行星架及內齒圈分別與內、外槳軸相連，從而實現共軸對轉輸出并帶動前、后排槳扇工作。

各發動機減速器具有以上共同特征的同時又各具特點，如兩路輸出有同側輸出形式(見圖5)和對側輸出形式(見圖6)；對于人字齒差動行星輪系，齒圈設計為對半分體式結構有利于裝配；軸承與軸一體化設計可減輕重量等。下面就輪齒形式、均載方法進行具體分析。

圖4 共軸對轉減速器同側輸出

圖5 共軸對轉減速器對側輸出

2.1 輪齒形式

差動行星傳動輪齒形式選擇和設計需考慮承載能力、振動及噪聲、加工制造、重量和體積等方面。NK-93和D-27減速器輪齒形式采用直齒輪，且NK-93采用的是高重合度雙壓力角直齒輪；578-DX和“川崎重工”減速器采用了分體式人字齒輪結構。

高重合度齒輪在降低輪齒應力方面具有優勢，有利于減輕重量和延長壽命，在同等齒面寬度的情況下，高重合度齒輪相比普通正齒輪能減少應力20%～40%[10]，而且槳扇發動機減速器相比渦槳發動機減速器齒輪具有更高的節圓線速度，高重合度齒輪亦可改善輪齒動載荷。

人字齒輪具有承載能力大、運轉平穩、噪聲小等突出優點，可有效減小減速器的外形尺寸和重量，同時又能夠克服斜齒輪會產生較大軸向力這一缺點。但人字齒輪傳動時兩側斜齒同時進入嚙合，兩側斜齒的對中性問題易引起額外的附加軸向力，影響齒輪副嚙合性能。值得注意的是，人字齒行星輪系的裝配要求較高，需在比較精確的定心引導下，多組人字齒輪同時配合到位并整體裝入機匣的軸承座內，如在裝配過程中，一個齒輪稍有偏離其旋轉中心，則整個輪系將無法落入正確的工作軌道內，必然會出現輪系的卡死、干涉、偏離故障。因此，基于精確定位及嚙合調整的人字齒行星輪系的高精度裝配技術是差動行星傳動的重要內容。

2.2 均載方法

差動行星輪系存在多路載荷，必須考慮均載設計問題。輪系均載方法主要包括柔性結構(彈性軸、柔性齒圈)均載和浮動(齒圈浮動、行星架浮動、太陽輪浮動、行星輪浮動)均載。此外，行星輪還可以裝在調心滾子軸承上實現行星輪“浮動”來均載。

對于直齒輪輪系，主要考慮各行星輪與相配件(太陽輪、齒圈)之間的均載問題，對于人字齒行星輪系，還需考慮人字齒內部兩排斜齒之間的均載問題，可通過齒輪軸向浮動來實現均載。國外共軸對轉減速器采用的均載方法如表2所列。

表2 國外共軸對轉減速器均載方法

3 結 語

槳扇發動機以其獨特的優勢，被視為最具前景的亞聲速航空推進系統之一，是未來軍用運輸機和民用干線客機理想動力選型，共軸對轉減速器為其關鍵技術之一。文中總結了共軸對轉減速器國內外的研究現狀，分析了其典型構型及技術特點,為槳扇發動機共軸對轉減速器的研發提供技術儲備。