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发动机的设计(动车的动力来源是什么)

发动机的设计

冷却涡轮的高压空气经过降温后对高压涡轮部件进行冷却 AL-31F的冷却系统中有一独特的设计,即由高压压气机出口处引出的用于冷却高压涡轮部件的冷却空气,经过空气-空气换热器降温后,再去冷却,以提高冷却效率。

具体作法是,热交换器置于燃烧室机匣上(见图12),由燃烧室机匣外壁处引出占内涵空气量8.9%的高压空气,流入换热中,与由外涵道流入的温度较低的外涵空气进行热交换,使由高压压气机出来的空气降温125~210℃,这些冷却后的空气中,有一部分经高压涡轮导向器的中腔进入,除用于冷却导向叶片外,还进入高压涡轮盘前对轮盘冷却,另一部分冷却后的空气用于冷却高压涡轮转子叶片。

这种采用热交换器将用于冷却高压涡轮的高压压气机出口空气,进行降温后再去冷却的方法,可使涡轮工作叶片能承受更高的燃气温度,或保持一定的温度下,能降低对涡轮叶片材料的要求,这种设计在其它发动机中尚未见到。

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图12、AL-31F用于冷却涡轮的热交换器

⑻钛合金低压涡轮轴 AL-31F中,连接低压涡轮与风扇间的低压涡轮传动轴前后分为三段,前、后段因为有传递扭矩的花键,由高强度的合金钢制成,中段仅传递扭矩与轴向力,由钛合金制成,三段间以“叉型”结构用径向销钉连为一体,以降低传动轴的重量,参见图12。这种将细长的传动轴做成由三段不同材料组成的结构,能降低发动机重量,但实属罕见。

⑼附件中心传动装置主动锥齿安装方式 F100高压压气机前滚珠轴承外环装在折返式弹性支座中,内环装在高压压气机前轴上,附件中心传动装置中的主动锥形齿轮直接装在滚珠轴承前端,如图13所示,这种设计在许多发动机中得到应用,例如F404、CFM56、GE90与PW4000(图14)等,在这些发动机中,高压压气机前滚珠轴承均是通过弹性支座支承于机匣中的,说明此处采用弹性支座后,对锥形齿轮啮合间隙以及锥形齿轮正常工作影响不大。

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图13、 F100主动锥齿直接装在高压压气机前轴上

在AL-31F中,高压压气机前滚珠轴承也是通过弹性支座支承于机匣的(图15),但附件中心传动装置中的主动锥形齿轮却未装在高压压气机前轴上,而是将主动锥齿支承2个轴承上,图15中只画出主动锥形齿轮的后轴承(滚珠轴承)。高压压气机前轴与主动锥齿通过浮动套齿轴连接,即浮动套齿轴前端的外套齿与主动锥齿的内套齿啮合,后端的外套齿则与高压压气机前轴的内套齿啮合。

很显然,AL-31F的这套设计,与F100等发动机的设计相比,是将简单问题复杂化的典型设计,不仅增加了葡萄京手机app零件与轴承数,而且使发动机重量增加。估计苏联当时的设计人员认为,如将主动锥齿直接装在高压压气机前轴处,滚珠轴承所用的弹性支座会在工作中影响锥形齿轮付的啮合间隙,对附件传动链工作不利,因此将主动锥齿与高压压气机前轴分离出去,单独支承,在这种观点的影响下,同期研制的RD-33也釆用了类似AL-31F的设计。直到上世纪90年代,来华的俄罗斯专家仍然坚持上述观点,但当他们看到F404与PW4000有关的图纸后,才恍然大悟发现他们的设计的确不合适。

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图14、 PW4000主动锥齿直接装在高压压气机前轴上

(10) 高压涡轮后端支承方式 F100发动机中,高压涡轮后端的支承方式采用了普.惠公司在JT3C、JT9D、PW2037、V2500与PW4000等发动机中的传统设计,即高压涡轮后端的滚棒轴承置于高压压气机与高压涡轮之间,通过燃烧室机匣将负荷外传,这种设计,不仅使发动机多1个轴承腔,而且2级涡轮轮盘还是悬臂支承的,显然对高压转子的转子动力学特性不利。

AL-31F则釆用了GE公司的传统设计,即高压涡轮后滚棒轴承支承于低压转子上,成为一中介轴承,高压涡轮后轴承的负荷通过低压转子后轴承外传,因此,整台发动机中,可少1个承力机匣与轴承滑油腔,不仅使发动机零件数少,而且发动机长度也可短些,因此除GE公司的发动机如F101、F110、F404与CFM56等外,普.惠公司用于F-22的F119也采用,苏联的AL-31F与RD-33也釆了这一设计。

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图15、 A-31F附件中心传动装置主动锥齿与高压压气机前轴关系图

高压涡轮后端通过中介轴承支承于低压转子上的设计,有一个较为关键的问题需要解决。在小涵道比涡轮风扇发动机中,一般高压转子由2个支点支承;低压转子则由3个支点支承,即风扇转子支承于前后2个支点上,低压涡轮转子后端支承于1个支点上,其前端通过联轴器支承于风扇后支点处,如图16所示。以往在3支点的设计中,联轴器须做成柔性的,以适应3支点的不同心,即低压涡轮转子允许绕轴心偏离一个角度。

但是,当高压涡轮通过中介轴承支承于低压涡轮转子上时,就不能采用柔性联轴器,否则高压转子后支点会颠簸,会造成叶尖间隙极大不均匀,以及高压转子的动力学特性。为此,3支点的低压转子支承方案中,必须采用刚性联轴器,这就须提高机匣与转子的加工精度,保证机匣中3个轴承安装孔要在一根轴线上,这个要求相对讲比较容易解决;转子上装3个轴承的轴颈处保证同心,这是比较难达到要求的。

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图16、小涵逍比涡扇发动机低压转子常用的支承方式

由于当时苏联对长度较长的低压涡轮轴的加工精度达不到要求(上世纪90年代后期,俄罗斯与乌克兰仍无法在加工中达到低压涡轮轴的精度要求),为此,AL-31F与RD-33在高压转子采用中介轴承支承于低压转子的设计时,低压转子仍然釆用了柔性联轴器,为了克服柔性联轴器对高压转子带来问题,AL-31F与RD-33分别釆取了不同的措施,这些措施虽然解决了问题,但却在发动机中增加一套零件多、结构复杂的联轴器(AL-31F),增加了发动机重量。

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