鲁达 陈光 /文
挤压油膜的结构设计
挤压油膜阻尼器的结构形式主要有两大类:开式结构与闭式结构。J69发动机离心压气机前轴承的弹性支座处的挤压油膜是一种典型的开式结构,如图57所示,在油膜铜环内表面与弹性支座外表面之间形成0.20~0.25mm厚的油膜层,由上部油孔引入来自润滑系统的有一定压力的滑油,滑油沿圆周充满间隙,并沿轴向两端流出形成循环流动。
图58所示的J100发动机离心压气机前轴承的弹性支座外环上采用的挤压油膜,以及J69轴流压气机后轴承处的挤压油膜(图46)均属这种开式结构,但是这种结构在现代发动机中用得并不多,常用的是闭式结构。
图47所示的JT8D发动机滚棒轴承用的挤压油膜是典型的闭式结构。 轴承外环以一定间隙装入轴承衬套中,在此缝隙中通入发动机润滑系统的压力滑油形成油膜,为防止滑油由两侧泄漏,两端装有封严涨圈,即在轴承外环的两端各开有一矩形槽,槽中装入涨圈,涨圈外环面与轴承衬套内径圆柱面紧紧相贴,形成封严环。
在有的发动机中,用“0”型胶圈装于轴承外环的槽中起封严作用。 图43所示的 RB211滚棒轴承挤压油膜没有采用涨圈或“0”型胶圈来封严,而是用轴承两端面的挡油板来封严的,它是用控制挡油板与轴承外环端面间的间隙来防止滑油的大量外泄。由图43可以看出,挡油板与轴承外环端面间留有0.0127~0.0379mm 间隙。
在采用挤压油膜时,一定要防止轴承外环或弹性支座自转,为此,一般在轴承外环端面上开一纵向槽,利用挡油板或端盖上向下伸出的凸起插入槽中来防止外环转动。
当在弹性支座上采用挤压油膜时也需采用防止弹性支座转动的措施,图为PW2037高压压气机前滚珠轴承采用的带挤压油膜的弹性支座,轴承座外环做得较宽,在其上开有一槽,而弹性支座向后伸出的薄壳形衬套内做有一向下伸的凸起插入轴承座外环的槽中,防止轴承座的转动。
在设计挤压油膜阻尼器时,应该合理选择挤压油膜的参数,所选参数是否合适,是否最优,尚需通过试验予以考核、修正。挤压油膜阻尼器的主要参数有油压、滑油黏度和阻尼器的几何尺寸等。
一般情况下,挤压油膜用的油就是发动机润滑系统的滑油,其压力同于润滑系统的供油压力。发动机特别是涡喷、涡扇发动机的滑油黏度较低。挤压油膜采用低黏度滑油虽使阻尼减振效果差些,但转子过临界转速时,转轴外传的振动力也小些。
挤压油膜的几何尺寸主要有阻尼器的直径、长度和油膜厚度即油膜间隙以及两端盖板与轴承外环间的端面间隙(如采用端面盖板来封严时),直径和长度指油膜环的名义直径和有效工作长度。
式中:D———轴颈直径, ;е———转子偏心距,
据现有资料统计,油膜间隙一般为0.15~0.22mm(指直径间隙),个别高达0.50mm;端面间隙一般为0.0127~0.05000m,个别高达0.14000m。
4.2 弹性支座
转子的轴承不直接固定到机匣上,而通过一个刚性小、具有较大弹性的支座固定到机匣上,一般称这个刚性小的支座为弹性支座,如图57所示的J69离心压气机前轴承的支座就是一种典型的弹性支座。采用弹性支座后,可改变转子支承刚性,以改变和控制转子的临界转速值。因此,在弹性支座结构中,一定要有可改变其刚性的部分,以调节转子的临界转速。
发动机采用弹性支座后,使转子变为柔轴,发动机工作于超临界转速下,工作非常平稳,振动很小。但是当发动机启动或停车过程中,转子都要经历通过临界转速的过程,这时,振动会很大。为此,一方面在操作中应使发动机快速通过临界转速,另一方面,可借阻尼器或限幅器,限制过临界时振幅不会很大。
图60示出了几种20世纪70年代以前发动机中采用过的弹性支座结构外形图,大致有:钢环式、鼠笼式和拉杆式三种。图60中,A为钢环式,B、C、D、E、G、H、I为鼠笼式,F为拉杆式。
4.2.1 钢环式弹性支座
图60、几种典型的弹性支座
图61所示为一种钢环式弹性支座,用于苏制 Aи20发动机,它由内外各带六个小凸台的钢环和止动环组成,钢环厚度为1.15mm。 在设计中,可用改变钢环的厚度和凸起数目来改变其刚性,从而调整临界转速的大小。
图62为 Viper发动机的钢环式弹性支座,支座内侧有三个均布的凸台,外侧有三个均布的凸台 A,B和C,两侧凸台相间69°。支座的内侧靠凸台与轴承外环相配,由凸台结构受力时使钢环变形起弹性作用,外侧还有另外三个凸台 X,Y和Z,分别与内侧凸台在同一圆周位置上,但其组成的圆环与内凸台组成的圆环不同心,有一偏心距,形成钢环沿圆周厚度不均。
另外,X,Y和Z三凸台的半径略小于 A,B和C三凸台的半径,以起限幅的作用。
在苏联为米格29、苏27研制的РД33、АЛ31Ф发动机中,均采用了充有滑油的钢环式弹性支座。
4.2.2 鼠笼式弹性支座
这是在20世纪60年代发展的发动机中应用得较多的一种弹性支座,图60中所示的弹性支座除 A和F外全为鼠笼式的,它是在钢制套筒上铣出若干道长的槽,形成具有若干条宽度为b的辐条组成的(如图63所示),可以用改变套筒的壁厚h、辐条的宽度b、辐条的长度l、辐条数z来调整它的刚性。
图57的J69发动机离心压气机前滚珠轴承所采用的弹性支座结构中,在套筒上铣有48根肋条,支座右方在机匣上装有铜制的圆环,起限幅的作用。 限幅环与支座间留有0.20~0.25 mm 的间隙(直径),其间通有滑油起挤压油膜作用,当转子通过临界转速时,在轴承处的最大挠度由限幅环限制,最大0.100~0.125mm。
图58的J100 发动机离心压气机前轴承采用的弹性支座,基本同于图57 中所示的J69弹性支座。
图64、图65分别为J100 轴流压气机前轴承、涡轮后轴承处用的弹性支座。 为了缩短发动机,同时保证支座的弹性辐条有足够的长度,这两个弹形支座都做成双层套筒式的。外套筒上铣出槽以形成辐条,内套筒实为一刚性较好的短套筒以装轴承。内外套筒分别加工后组合在一起,在端部焊接使形成一个整体零件。
斯贝发动机中采用了两个弹性支座,即高压涡轮前轴承处及低压涡轮后轴承处,前者采用了鼠笼式弹性支座,后者采用了拉杆式的,两者的限幅环中均未采用挤压油膜。
图66为斯贝高压涡轮前轴承采用的鼠笼式弹性支座,由图可见在安装弹性支座的机匣上,专门安装了一个向后伸的、形成限幅环的锥形套筒,限幅环与支座间的限幅间隙为0.125 ~0.254mm(直径),弹性支座上铣有24条长度为52mm,宽为5.29mm,厚为5.16mm的辐条。
罗·罗公司于20世纪80年代发展的斯贝后继发动机“泰”Tay,其高压涡轮前轴承,也采用了鼠笼式弹性支座,如图67所示,它的结构基本同于斯贝的。