压气机、涡轮转子间的联轴器
发动机转子上的联轴器是连接涡轮转子与压气机转子的组合件。在图14所示的各有自己的止推支点的压气机转子、涡轮转子的四支点承力方案中,联轴器仅传递扭矩;在只有一个止推支点的四支点支承方案(图15)中,联轴器不仅要传递扭矩,而且还要传递轴向力;在大多数三支点支承方案中的联轴器,不仅要转递扭矩、轴向力与径向力(作为涡轮转子的前支点),并且在压气机、涡轮二转子轴线不同心时,仍能要保证良好的工作。
以上三种支承方案中的联轴器,均允许涡轮转子相对压气机转子轴线有一定的偏斜角(),如图82所示,即二转子间可以有相对的偏斜,这种联轴器称为“柔性联轴器”。在二支点的支承方案中,联轴器仅传递轴向力与扭矩,则需将压气机轴与涡轮轴刚性地连成一体,这种联轴器称为“刚性联轴器”。在一些新型发动机中,低压转子采用三支点支承方案,仍然采用了刚性联轴器将涡轮轴与压气机连接在一起。
图82、三支点支承方案中二轴不同心的偏斜角
5.1刚性联轴器
5.1.1套齿式刚性联轴器
WP7发动机高压转子采用式支承方案,因此需采用刚性联轴器将涡轮转子与压气机转子连接成一体。图83为WP7高压转子联轴器,它属于套齿式的刚性联轴器。
涡轮转子与压气机转子通过套齿传扭,两者间的定心靠A、B两个圆柱面,即在压气机后轴1内套齿的前端装有定位衬环,用它的内圆柱面与涡轮外套齿前端的外圆柱面A以紧度0.mm到间隙0.mm相配合;在压气机后轴内套齿后端的内圆柱面B与涡轮轴2的外圆柱面以0~0.05mm的间隙相配合。
另外,高压压气机后轴的端头做成锥形,与装在涡轮轴上的后锥体相配;后轴颈的内面也做成锥形,与装在涡轮轴头上的、开有6条轴向槽的弹性锥体相配,在N轴向力的夹紧下,用大螺母将压气机后轴与涡轮轴刚性地连接成一体。
在套齿两端采用锥面夹紧,能加强连接刚性,但并不是所有套齿式刚性联轴器均采用。例如,在J85、PW、PW和V等发动机上,高压涡轮与高压压气机轴间采用的套齿式刚性联轴器中,就没有采用锥形衬套,两轴间的定心靠套齿两侧的两个圆柱面以小紧度的配合来达到。
图83WP7发动机高压转子的刚性联轴器
5.1.2圆柱面定心、短螺栓连接的刚性联轴器
在RB、CFM56、F、GE90、F和遄达等发动机中,压气机后轴与涡轮轴间,采用了圆柱面定心、短螺栓连接的刚性联轴器。图84为CFM56发动机高压转子联轴器的结构图。
压气机后轴与涡轮轴分别与封严盘的前后端面接触,以轴的外圆面与封严盘的突缘配合定心,三者之间用短螺栓连接。为便于安装,螺栓先固定于压气机后轴上,当涡轮转子装上后,由涡轮盘中心孔处伸入工具将自锁螺母拧到各个螺栓上即可。
5.1.3圆弧端齿联轴器
RB发动机高压转子采用了圆弧端齿联轴器,如图85所示。在压气机后轴的后端面上与涡轮轴的前端面上分别加工出(先铣后磨)带弧形的端齿,用短螺栓与自锁螺母将二者连接起来,成为热定心好、刚性好的刚性联轴器。
这种联轴器是利用端齿传扭矩、定心(包括工作时的热定心),螺栓传轴向力并将二者连接在一起。为便于装卸,在压气机后轴上先固定有自锁螺母,装配时,只需将短螺栓由涡轮盘中心孔处伸入拧上(用工具)即可。在RB、RB发动机上,所有滚珠轴承均先装在单独的短轴上,再通过圆弧端齿与转子轴连接,以便滚珠轴承的装拆。
欧洲生产的发动机中,广泛地采用了圆弧端齿联轴器。
5.2柔性联轴器
5.2.1带有球形接头的联轴器
WP8发动机压气机转子与涡轮转子间的连接采用了带球形接头的套齿式联轴器,如图86所示,这是一种典型的球头式柔性联轴器,它能传递轴向力、扭矩和径向力(作为涡轮轴的前支点),当三个支点不在同一轴线上,还能适当作些偏摆。
图86、WP8发动机带球形接头的套齿式联轴器
联轴器中采用了两个半径不同的球面,后端大球面如图86中5所示,承受涡轮转子向后的轴向力,由于此轴向力较大,所以采用了较大的半径,前端为小球面(4)仅承受涡轮转子在某些过渡状态下短时间向前的较小轴向力,因而球头采用小半径。
前、后二球面的球心在一点上,且位于传扭矩的套齿的中分线上。这种安排能适应两轴间有较大的偏斜角(参见图82),WP8发动机两轴间的偏斜角最大可达1’84”。在两轴不共轴心工作时,球形接头在球面间、传动套齿啮合间均产生相对滑动,因此,球面与套齿齿面均渗碳以提高表面硬度,并通过孔7喷入润滑油进行润滑。
发动机工作时,涡轮轴1的扭矩通过主动套齿前端的内套齿传给装于压气机后轴颈2上的从动套齿后端的外套齿;涡轮轴向后的轴向力通过用螺纹连接到涡轮轴轴头的带有球头的短轴3传至用螺钉固定到从动套齿上的球头盖上,向前的轴向力则通过短轴3前端的小球面传至置于压气机后轴颈内的球形座上;涡轮轴前端的径向力也是通过短轴3上的球面传至压气机后轴颈的。因此,球形接头不仅传递轴向力,而且也是作为涡轮转子的前支点。
联轴器为高速旋转的构件,因此要求相连各零件间应良好的定心,相对的周向位置也要固定,以保证平衡后或进行维修后重新装配时的位置不变。
主动套齿、从动套齿与涡轮轴、压气机轴后轴颈间的定心是靠套齿两端的圆柱面及专制的定位圈达到的;带有球头的短轴3与涡轮轴间是借螺纹两侧的圆柱面定心的;球头盖与从动套齿间借突缘定心;主动套齿与涡轮轴的周向位置,是利用主动衬套上的螺钉与轴上宽齿槽(占两个齿)相配来确定的;从动套齿与压气机后轴的周向位置用划线来确定;短轴3与涡轮轴的周向位置用螺钉确定,螺钉还是它们间的锁紧件。这样,在再装配时,既能保持平衡位置,又能使各啮合齿处的啮合位置不变。