航空發動機主軸軸承應用技術（簡體書）

目錄
叢書序
前言
第1章航空發動機轉子支承方案
1.1單轉子支承方案002
1.1.1四支點支承方案002
1.1.2三支點支承方案003
1.1.3二支點支承方案005
1.2多轉子支承方案006
1.2.1多轉子渦扇發動機006
1.2.2渦槳發動機006
1.2.3渦軸發動機008
1.3轉子支承方案的設計要求010
1.3.1發動機總體結構設計的要求010
1.3.2轉子支承方案的一些特點010
1.3.3止推支點在轉子中的位置011
思考題012
參考文獻012
第2章航空發動機轉子支承結構
2.1一般的轉子支承結構013
2.2雙排軸承的支承結構014
2.2.1雙排滾珠軸承並列的支承結構014
2.2.2滾珠、滾棒軸承並列的支承結構016
2.3帶中介軸承的支承結構018
2.3.1中介軸承的應用示例018
2.3.2中介軸承應用的注意事項020
2.4帶彈性支座的支承結構021
2.4.1幾種常見的彈性支座結構022
2.4.2擠壓油膜阻尼器025
2.5風扇支點的結構特點028
2.5.1風扇支點的一般結構028
2.5.2風扇防甩出結構設計029
2.5.3風扇支點采用大直徑滾棒軸承031
2.6渦輪支點的結構特點033
2.6.1渦輪支承的一般結構033
2.6.2渦輪防飛轉結構設計035
思考題038
參考文獻038
第3章航空發動機主軸軸承
3.1主軸滾動軸承簡介039
3.1.1主軸軸承概述039
3.1.2主軸軸承的類型042
3.2主軸軸承的設計準則046
3.2.1軸承轉速(DN值)046
3.2.2軸承溫度047
3.2.3軸承載荷049
3.2.4軸承潤滑與冷卻050
3.3主軸軸承的結構設計051
3.3.1內環分半的滾珠軸承052
3.3.2集成設計軸承052
3.3.3腰鼓形滾棒軸承053
3.3.4空心滾珠軸承055
思考題056
參考文獻056
第4章滾動軸承基礎分析
4.1滾動軸承的幾何關係058
4.1.1滾珠軸承058
4.1.2滾棒軸承065
4.2接觸應力和變形067
4.2.1彈性接觸的Hertz理論067
4.2.2次表面應力分布072
4.2.3變形與負荷的關係075
4.3滾動軸承中的載荷分布077
4.3.1徑向載荷下的軸承077
4.3.2軸向載荷下的軸承081
4.3.3徑向和軸向聯合載荷下的軸承083
4.4滾動軸承的運動學關係086
4.4.1滾動軸承的理想運動086
4.4.2滾珠軸承的一般運動088
思考題093
參考文獻094
第5章滾動軸承的摩擦效應
5.1滾動軸承中的流體動力潤滑095
5.1.1流體動壓潤滑理論095
5.1.2“長滑動軸承”模型099
5.1.3“短滑動軸承”模型102
5.2滾動軸承的彈性流體動力潤滑103
5.2.1彈性流體動力潤滑理論104
5.2.2彈流狀態的油膜厚度108
5.2.3彈性流體動力潤滑的摩擦力112
5.3滾動軸承內的流體黏性摩擦113
5.3.1滾動體拖曳阻力113
5.3.2滾動體受到的渦動力矩115
5.3.3保持架受到的渦動力矩117
5.4滾動軸承的分析方法119
5.4.1滾珠軸承擬靜力學分析120
5.4.2滾棒軸承擬靜力學分析125
5.5中介軸承的幾何變形分析130
5.5.1離心力引起的整體變形130
5.5.2外加載荷引起的整體變形131
思考題133
參考文獻134
第6章滾動軸承的產熱與熱分析
6.1滾動軸承的摩擦產熱136
6.1.1Palmgren計算模型136
6.1.2B.M.捷米道維奇計算模型138
6.1.3Flouros模型140
6.1.4SKF計算模型140
6.2滾動軸承內的熱量傳遞142
6.2.1熱傳導142
6.2.2對流換熱147
6.3滾動軸承熱分析148
6.3.1熱網絡法基本原理149
6.3.2軸承中熱網絡法的實現151
6.3.3不同的軸承熱網絡模型152
6.4軸承熱分析軟件開發155
6.4.1軸承熱分析軟件設計156
6.4.2軸承熱分析軟件操作158
思考題160
參考文獻160
第7章主軸軸承的潤滑與冷卻
7.1主軸軸承的潤滑冷卻方式162
7.1.1常用的幾種潤滑冷卻方式162
7.1.2滾動軸承的環下潤滑169
7.2主軸軸承的潤滑劑172
7.2.1滑油的分類173
7.2.2滑油的理化性能173
7.2.3滑油性能對發動機的影響176
7.3航空發動機的滑油系統177
7.3.1滑油系統的分類與系統組成178
7.3.2滑油系統的主要部件181
7.4軸承腔設計187
7.4.1軸承腔的設計準則188
7.4.2軸承腔油氣兩相流與換熱189
7.4.3軸承腔密封191
思考題193
參考文獻194
第8章主軸軸承的材料與失效
8.1主軸軸承結構材料195
8.1.1軸承鋼材料196
8.1.2陶瓷軸承材料197
8.1.3保持架材料199
8.2主軸軸承的失效與可靠性201
8.2.1主軸軸承的表面損傷201
8.2.2主軸軸承的其他失效模式204
8.2.3主軸軸承的打滑與滑蹭損傷207
8.2.4主軸軸壽命預估209
8.3航空發動機主軸軸承試驗212
8.3.1主軸軸承試驗212
8.3.2軸承零件試驗器214
思考題217
參考文獻217
第9章典型發動機主軸軸承選用方案
9.1軍用發動機主軸軸承選用方案218
9.1.1美國： 從F100到F119、F136218
9.1.2蘇聯/俄羅斯： 從ΡД－93到АЛ－31Ф221
9.1.3歐洲： MK202、EJ200和RB199224
9.1.4中國： WP7系列發動機229
9.2民用發動機主軸軸承選用方案230
9.2.1羅 羅公司： 從RB211到遄達XWB230
9.2.2普惠公司： 從JT9D到PW1000G235
9.2.3GE公司： 從GE90到GEnx238
9.2.4SNECMA公司： 從CFM56到LEAP243
思考題247
參考文獻247

第1章航空發動機轉子支承方案
【學習要點】
掌握：航空發動機轉子支承方案的分析方法；止推支點的位置要求。
熟悉：單轉子發動機常用的幾種支承方案及其優缺點。
了解：發動機總體結構設計的一般要求。
在航空燃氣渦輪發動機中，壓氣機(或風扇)轉子與渦輪轉子以及聯接這些轉子的零、組件共同構成了發動機的轉子系統。轉子通過支承結構支承到發動機的機匣上，同時將轉子上承受的氣體軸向力、重力、慣性力及慣性力矩等各種負荷傳遞至機匣，*後由機匣通過安裝節傳遞到飛機結構[1]。
航空發動機轉子采用幾個支承結構(簡稱支點)、何種支點形式、支點安排在何處，是在轉子支承方案設計時需要解決的問題。轉子支承方案決定了發動機轉子支點的數量、類型和位置，因此也決定了主軸軸承在發動機上的數量、類型和安裝位置。通過轉子支承方案可以初步了解主軸軸承在發動機總體結構中的地位和作用。
轉子支承方案對航空發動機的總體性能有很大的影響，包括發動機的復雜程度、重量、振動特性、性能衰退等。在發動機總體設計時，應從性能、重量、可靠性、結構復雜程度、性能衰退率等多方面進行綜合考慮，不僅要保證轉子的橫向剛性，能夠可靠地承受轉子的負荷，還應使發動機的結構簡單、裝拆方便。
在研究轉子支承方案時，通常習慣將復雜的轉子簡化成能表征其支承特點的轉子支承方案簡圖，在簡圖中用小圓圈表示支點處的滾珠軸承，小方塊表示滾棒軸承。其中，滾珠軸承可以同時承受軸向和徑向載荷，滾棒軸承僅能承受徑向載荷。同時，為了表示發動機轉子支點的數目和位置，在轉子支承方案表述中常用兩條前後排列的橫線分別代表壓氣機轉子和渦輪轉子，兩條橫線前後及中間的數字代表支點的數目。例如，130的轉子支承方案，表示壓氣機轉子前有一個支點，壓氣機與渦輪轉子之間有三個支點，渦輪轉子後沒有支點，即壓氣機後一個支點，渦輪盤前軸上有兩個支點，整個轉子支承在4(1+3+0)個支點上。
目前，大推力渦輪風扇發動機幾乎全部都是多轉子結構，但是在轉子支承方案分析時，通常將每一個轉子視為一個單轉子發動機。因此，為了方便，本章先分析單轉子發動機的轉子支承方案，再分析多轉子發動機，*後分析渦軸和渦槳發動機的一些特殊結構。
1.1單轉子支承方案
1.1.1四支點支承方案
圖1-1為四支點支承方案，這是早期發動機中采用的支承方案，基於*簡單的機械原理和發動機工作機理設計。壓氣機、渦輪轉子均采用兩個支點支承，且各自都有承受轉子軸向負荷的止推支點(滾珠軸承)，兩個轉子之間采用浮動套齒A連接，且僅傳遞扭矩。
圖1-1 1-3-0四支點支承方案
該轉子的支承方案為1-3-0，壓氣機轉子前、後各有一個支點，承受軸向負荷的止推支點位於壓氣機前端。由於壓氣機轉子的軸向力通常較大，僅用一個滾珠軸承無法承受，因而多采用並列多個滾珠軸承的方式(此處為三個)。渦輪轉子的輪盤前有兩個支點，由於靠近渦輪盤處的溫度較高，因此將僅承受徑向載荷的滾棒軸承置於此處，而將承受軸向負荷的止推支點置於前端。由於渦輪向後的軸向力較小，因此渦輪轉子的止推支點只用一個滾珠軸承即可[2]。
這種支承方案從結構設計到裝拆等都比較簡單，但是渦輪、壓氣機轉子的軸向負荷需要分別由各自的止推支點承受。在空氣流量與增壓比稍大一些的發動機中，由於兩個轉子特別是壓氣機轉子的軸向負荷很大，導致該方案無法采用，因此該方案只在早期的一些小推力發動機中采用過。
很容易想到，由於壓氣機、渦輪轉子的軸向負荷方向相反，因此在結構設計時可以使二者的軸向負荷相互抵消一部分。如圖1-2所示的支承方案就是一種修正的四支點支承方案。在該方案中，用於連接壓氣機和渦輪轉子的聯軸器不僅傳遞扭矩而且傳遞軸向負荷，因此僅需一個止推支點來承受兩個轉子所受軸向負荷的差值，如圖1-2所示，止推支點置於壓氣機後，構成了1-3-0的支承方案。由於兩個轉子的四個支點很難同心，因此要求聯軸器能夠在兩個轉子軸心不同軸(即不同心)的情況下也能適應。
圖1-2修正的1-3-0四支點支承方案
這種支承方案雖然比前一方案好一些，但它的支點數目仍很多(4個)。因此，除J47發動機采用過外，很少被其他發動機采用。需要注意的是，在蘇(俄)制第三代大推力渦扇發動機АЛ-31Ф(用於蘇27系列飛機)中，低壓轉子也采用了該支承方案(圖1-3)。這是由於該發動機的高壓渦輪後軸通過中介軸承支承在低壓渦輪軸上，為了保證高壓轉子能夠平穩地工作，受加工工藝限制，只能將低壓渦輪支承在兩個支點上。
圖1-3АЛ-31Ф發動機的轉子支承方案
1.1.2三支點支承方案
圖1-4為WP6發動機的轉子支承方案，這是一種典型的三支點支承方案。在此方案中，壓氣機轉子前後各用一個支點，渦輪軸前端通過聯軸器與壓氣機轉子連接，渦輪盤前有一個支點，構成120支承方案。聯軸器不僅傳遞扭矩、軸向力，同時也作為渦輪轉子的前支點(即傳遞徑向力)。壓氣機轉子前支點與中支點在一直在線，中支點與後支點也在一直在線，兩根軸線之間允許有一定的偏斜角，即當渦輪支點與前兩個支點的軸線不同軸時，渦輪軸通過聯軸器仍能正常工作，因此要求聯軸器做成鉸接形式，不承受彎矩。
圖1-4WP6發動機轉子支承方案(1-2-0支承方案)
該支承方案不僅只有一個支點承受軸向負荷，需承受的軸向負荷較小，而且每個轉子都支承在兩個支點上，剛性較好，所以在單轉子發動機中得到了廣泛應用。
在上述支承結構中，渦輪轉子處於懸臂狀態，由於渦輪輪盤及葉片等結構重量較大，易造成轉子彎曲變形。因此當發動機的渦輪級數較多時，為了改善渦輪轉子的支承，可以采用如圖1-5所示的1-1-1三支點支承方案。
圖1-51-1-1三支點支承方案
由於三個支點很難做到同心，因此在絕大多數發動機中，渦輪與壓氣機轉子間均采用柔性聯軸器。但是，隨著加工工藝的提高，在一些新型大涵道比渦扇發動機中，風扇或低壓壓氣機轉子仍采用了帶剛性聯軸器的三支點支承方案，圖1-6為PW4000發動機低壓轉子的聯軸器結構。
圖1-6PW4000發動機的低壓渦輪軸與低壓壓氣機轉子的剛性聯接
在三支點支承方案中采用剛性聯軸器需要加工精度達到極高的水平，才能保證轉子的三個支點與機匣均達到高的同軸心度。由於采用剛性聯軸器可以使渦輪轉子與機匣之間始終保持較均勻的徑向間隙，從而獲得較高的效率，特別是對於采用中介支點的發動機優勢明顯，因此隨著加工技術的提高，這種低壓轉子三支點支承方案已在大多數雙轉子發動機中得到廣泛應用，如CFM56、PW2037、 V2500等。
1.1.3二支點支承方案
當發動機的壓氣機級數較少、燃燒室軸向尺寸短、轉子跨度小且轉軸足夠粗時，轉子的剛性足夠強，因而可以將壓氣機轉子與渦輪轉子剛性地連接成一體，組成一個整體轉子，此時轉子只需要支承在兩個支點上，形成二支點支承方案。這種設計可以顯著地簡化發動機結構，減少承力構件，進而減輕發動機重量。
圖1-7～圖1-10給出了多種二支點支承方案，不同的支點配置組成了不同的轉子承力系統，可以根據需要和結構空間選擇布置。
圖1-7 1-0-1二支點支承方案
圖1-8 1-1-0二支點支承方案
圖1-9 0-2-0二支點支承方案
圖1-10 1-0-1二支點支承方案
一般情況下，兩支點的支承方案可以采用1-1-0的形式，如圖1-8所示。如果壓氣機的軸向尺寸很短，且其重心接近支點，則可以采用0-2-0的形式。例如，在圖1-9所示的轉子系統中，壓氣機轉子與渦輪轉子均處於懸臂狀態，但由於壓氣機為一級單面離心式，壓氣機重心接近支點，兩個轉子懸臂的彎曲力矩都不大，對轉子也不會造成較大的撓曲變形，因此可以采用0-2-0的支承方案。在這種方案中，雖然軸的直徑受軸承尺寸限制而不能加大，但由於兩個支點距離較短，因而一定程度上保證了轉子的剛性。
如果壓氣機和渦輪轉子的級數較多，兩個轉子的軸向尺寸都很長，轉子懸臂的彎曲力矩太大，就不能采用020或1-1-0的支承方案，而只能采用1-0-1的支承方案，如圖1-7和圖1-10所示。此時，壓氣機轉子和渦輪轉子都沒有懸臂結構，整個轉子縱向剛性較好。由於渦輪前及壓氣機後都沒有支承，因此不再受軸承尺寸的約束，可以采用大直徑的鼓軸，並使用剛性連接，以加強轉子的剛性。該方案的不足之處在於，支點間的距離較大，而且由於渦輪後支點處於高溫燃氣包圍之中，冷卻潤滑的管路需要從高溫區域穿過，在支承結構中需要增加隔熱和散熱措施，結構會較為復雜。
綜上，對於由單級離心壓氣機和單極渦輪組成的轉子，可采用0-2-0支承方案；如果空氣流量較大，為了獲得較好的剛性，可采用1-0-1的支承方案；渦槳、渦軸發動機則廣泛采用圖1-9和圖1-10的方案。
在多轉子發動機中，為了減少支點數目、簡化結構，高壓轉子大多也會采用二支點支承方案。其中，普惠公司的軍用、民用發動機F100、PW2037、JT9D和PW4000的高壓轉子采用了1-1-0的二支點支承方案；GE公司的發動機高壓轉子則多采用1-0-1的二支點支承方案；我國WP7、WP13發動機的高壓轉子則采用了0-2-0的二支點方案。
1.2多轉子支承方案
1.2.1多轉子渦扇發動機
現代軍用、民用大推力渦扇發動機幾乎全部采用多轉子結構，發動機中轉子數多、支承數目多，而且低壓轉子要從高壓轉子中心穿過，發動機結構非常復雜。在轉子支承方案分析時，通常將發動機的各個轉子(低壓、中壓和高壓轉子)分割開，每個轉子分別按照一個單轉子發動機的方法進行處理，然後再根據剛性、傳力、裝拆、結構(包括滑油系統、軸承支承)等多方面因素進行綜合考慮。在後文中會詳細介紹多型國內外主要軍、民用發動機的轉子支承方案和支承結構，在此不再一一贅述。
與單轉子發動機的另一個不同點是，在多轉子發動機中會有些支點不直接支承在承力機匣上，而是“騎跨”在另一個轉子上，通過另一轉子的支點將負荷向外傳遞。由於這個支點介於兩個轉子之間，因此稱為中介支點(或稱軸間支點、軸間中介支點)[3]。
中介支點的軸承稱為中介軸承或軸間軸承。采用中介支點可以大幅縮短發動機長度，減少承力機匣，對減輕發動機重量具有顯著的效果。但是，軸間軸承的潤滑、冷卻和封嚴結構非常復雜，軸承的工作條件也較差，對發動機轉子的加工和裝配精度要求也較高。如果中介軸承為滾珠軸承，其裝拆也會比較困難。但由於前述的優點非常突出，因此中介支點在多轉子發動機中仍然被廣泛采用。
1.2.2渦槳發動機
大多數渦槳發動機采用的也是多轉子結構，但因其動力渦輪軸輸出的功率需要通過減速器帶動螺旋槳，因此渦槳發動機的轉子支承方案與多轉子渦扇發動機存在一些差異。
圖1-11為某型渦槳發動機的轉子支承方案簡圖，燃氣發生器轉子由單級軸