壓氣機、渦輪轉子間的聯軸器
發動機轉子上的聯軸器是連接渦輪轉子與壓氣機轉子的組合件。在圖14所示的各有自己的止推支點的壓氣機轉子、渦輪轉子的四支點承力方案中,聯軸器僅傳遞扭矩;在只有一個止推支點的四支點支承方案(圖15)中,聯軸器不僅要傳遞扭矩,而且還要傳遞軸向力;在大多數三支點支承方案中的聯軸器,不僅要轉遞扭矩、軸向力與徑向力(作為渦輪轉子的前支點),並且在壓氣機、渦輪二轉子軸線不同心時,仍能要保證良好的工作。
以上三種支承方案中的聯軸器,均允許渦輪轉子相對壓氣機轉子軸線有一定的偏斜角(ϕ),如圖82所示,即二轉子間可以有相對的偏斜,這種聯軸器稱為“柔性聯軸器”。在二支點的支承方案中,聯軸器僅傳遞軸向力與扭矩,則需將壓氣機軸與渦輪軸剛性地連成一體,這種聯軸器稱為“剛性聯軸器”。在一些新型發動機中,低壓轉子採用三支點支承方案,仍然採用了剛性聯軸器將渦輪軸與壓氣機連接在一起。
圖82、三支點支承方案中二軸不同心的偏斜角
5.1 剛性聯軸器
5.1.1 套齒式剛性聯軸器
WP7發動機高壓轉子採用0 2 0式支承方案,因此需採用剛性聯軸器將渦輪轉子與壓氣機轉子連接成一體。圖83為 WP7高壓轉子聯軸器,它屬於套齒式的剛性聯軸器。
渦輪轉子與壓氣機轉子通過套齒傳扭,兩者間的定心靠 A、B兩個圓柱面,即在壓氣機後軸1內套齒的前端裝有定位襯環,用它的內圓柱面與渦輪外套齒前端的外圓柱面 A以緊度0.009mm到間隙0.027mm相配合;在壓氣機後軸內套齒後端的內圓柱面 B與渦輪軸2的外圓柱面以 0~0.05mm 的間隙相配合。
另外,高壓壓氣機後軸的端頭做成錐形,與裝在渦輪軸上的後錐體相配;後軸頸的內面也做成錐形,與裝在渦輪軸頭上的、開有6條軸向槽的彈性錐體相配,在90000N軸向力的夾緊下,用大螺母將壓氣機後軸與渦輪軸剛性地連接成一體。
在套齒兩端採用錐面夾緊,能加強連接剛性,但並不是所有套齒式剛性聯軸器均採用。 例如,在J85、PW2037、PW4000和 V2500 等發動機上,高壓渦輪與高壓壓氣機軸間採用的套齒式剛性聯軸器中,就沒有采用錐形襯套,兩軸間的定心靠套齒兩側的兩個圓柱面以小緊度的配合來達到。
圖83 WP7發動機高壓轉子的剛性聯軸器
5.1.2 圓柱面定心、短螺栓連接的剛性聯軸器
在 RB211、CFM56、F404、GE90、F110和遄達等發動機中,壓氣機後軸與渦輪軸間,採用了圓柱面定心、短螺栓連接的剛性聯軸器。圖84為 CFM56發動機高壓轉子聯軸器的結構圖。
壓氣機後軸與渦輪軸分別與封嚴盤的前後端面接觸,以軸的外圓面與封嚴盤的突緣配合定心,三者之間用短螺栓連接。為便於安裝,螺栓先固定於壓氣機後軸上,當渦輪轉子裝上後,由渦輪盤中心孔處伸入工具將自鎖螺母擰到各個螺栓上即可。
5.1.3 圓弧端齒聯軸器
RB199發動機高壓轉子採用了圓弧端齒聯軸器,如圖85所示。在壓氣機後軸的後端面上與渦輪軸的前端面上分別加工出(先銑後磨)帶弧形的端齒,用短螺栓與自鎖螺母將二者連接起來,成為熱定心好、剛性好的剛性聯軸器。
這種聯軸器是利用端齒傳扭矩、定心(包括工作時的熱定心),螺栓傳軸向力並將二者連接在一起。為便於裝卸,在壓氣機後軸上先固定有自鎖螺母,裝配時,只需將短螺栓由渦輪盤中心孔處伸入擰上(用工具)即可。 在 RB199、RB211發動機上,所有滾珠軸承均先裝在單獨的短軸上,再通過圓弧端齒與轉子軸連接,以便滾珠軸承的裝拆。
歐洲生產的發動機中,廣泛地採用了圓弧端齒聯軸器。
5.2 柔性聯軸器
5.2.1 帶有球形接頭的聯軸器
WP8發動機壓氣機轉子與渦輪轉子間的連接採用了帶球形接頭的套齒式聯軸器,如圖86所示,這是一種典型的球頭式柔性聯軸器,它能傳遞軸向力、扭矩和徑向力(作為渦輪軸的前支點),當三個支點不在同一軸線上,還能適當作些偏擺。
圖86 、WP8發動機帶球形接頭的套齒式聯軸器
聯軸器中採用了兩個半徑不同的球面,後端大球面如圖86中5所示,承受渦輪轉子向後的軸向力,由於此軸向力較大,所以採用了較大的半徑,前端為小球面(4)僅承受渦輪轉子在某些過渡狀態下短時間向前的較小軸向力,因而球頭採用小半徑。
前、後二球面的球心在一點上,且位於傳扭矩的套齒的中分線上。這種安排能適應兩軸間有較大的偏斜角(參見圖82),WP8發動機兩軸間的偏斜角最大可達1’84”。在兩軸不共軸心工作時,球形接頭在球面間、傳動套齒齧合間均產生相對滑動,因此,球面與套齒齒面均滲碳以提高表面硬度,並通過孔7噴入潤滑油進行潤滑。
發動機工作時,渦輪軸1的扭矩通過主動套齒前端的內套齒傳給裝於壓氣機後軸頸2上的從動套齒後端的外套齒;渦輪軸向後的軸向力通過用螺紋連接到渦輪軸軸頭的帶有球頭的短軸3傳至用螺釘固定到從動套齒上的球頭蓋上,向前的軸向力則通過短軸3前端的小球面傳至置於壓氣機後軸頸內的球形座上;渦輪軸前端的徑向力也是通過短軸3上的球面傳至壓氣機後軸頸的。因此,球形接頭不僅傳遞軸向力,而且也是作為渦輪轉子的前支點。
聯軸器為高速旋轉的構件,因此要求相連各零件間應良好的定心,相對的周向位置也要固定,以保證平衡後或進行維修後重新裝配時的位置不變。
主動套齒、從動套齒與渦輪軸、壓氣機軸後軸頸間的定心是靠套齒兩端的圓柱面及專制的定位圈達到的;帶有球頭的短軸3與渦輪軸間是借螺紋兩側的圓柱面定心的;球頭蓋與從動套齒間借突緣定心;主動套齒與渦輪軸的周向位置,是利用主動襯套上的螺釘與軸上寬齒槽(佔兩個齒)相配來確定的;從動套齒與壓氣機後軸的周向位置用劃線來確定;短軸3與渦輪軸的周向位置用螺釘確定,螺釘還是它們間的鎖緊件。這樣,在再裝配時,既能保持平衡位置,又能使各齧合齒處的齧合位置不變。
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