桨扇发动机对转减速器桨轴支撑结构分析

胡耿 李国文

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

桨扇发动机（或开式转子发动机）兼具了传统涡桨发动机油耗低的优势以及涡扇发动机高速飞行的特点，NASA、罗尔斯·罗伊斯、斯奈克玛等国外航空企业先后开展了桨扇发动机研究[1]。对转减速器为桨扇发动机的关键部件之一，通常采用差动行星轮系，以实现“单输入、双输出”的功能。对转减速器从行星架和内齿圈同轴反向输出，与前、后两根桨轴分别相连，并分别带动前排与后排螺旋桨对转工作。共轴对转减速器为一种新构型减速器，艾利逊、川崎重工等先后先后开展了相关研究和试验，但目前在国内航空领域的研究较少。相比于传统的涡桨发动机减速器，共轴对转减速器在前、后桨轴支撑方式与单桨轴支撑方式存在差异，本文通过搜集国外相关资料，分析共轴对转减速器前、后桨轴支撑结构特点。

1.对转桨轴支撑结构

对转桨轴是连接减速器轮系和对转桨扇的关键部件，通常包括一个前桨轴和一个后桨轴，两者同轴反转，分别驱动前排和后排螺旋桨。国外桨扇发动机对转减速器常用的三种前、后桨轴支撑结构分别见图1～图3。

图1 前、后桨轴支撑方式一[2]

图2 前、后桨轴支撑方式二[3]

图3 前、后桨轴支撑方式三[3]

支撑方式一中后桨轴安装在减速器上，与后排螺旋桨通过法兰连接，前桨轴安装在后排螺旋桨上，与前排螺旋桨也通过法兰连接，前桨轴和行星架之间为浮动轴，二者与浮动轴连接方式均为渐开线花键连接，起传递扭矩和转速的作用。

支撑方式二中后桨轴安装在减速器上，与后排螺旋桨通过法兰连接，前桨轴安装在后排螺旋桨上，与前排螺旋桨也通过法兰连接，前桨轴和行星架之间未设计浮动轴，直接通过渐开线花键连接。

支撑方式三与支撑方式二类似，不同的是，方式三中前桨轴与行星架花键连接的位置靠近后排螺旋桨，而方式二中前桨轴与行星架花键连接的位置靠近行星架。

2.桨轴支撑结构特点分析

3种支撑方式中，后桨轴均通过轴承安装在减速器机匣上，且前桨轴均通过轴承安装在后桨轴上，因此对转螺旋桨载荷主要通过后桨轴传递至减速器机匣上。

支撑方式一中前桨轴与浮动轴花键连接靠近支撑位置，前桨轴倾斜量小，花键的侧隙可补偿浮动轴的倾斜量，另外，浮动轴与行星架亦通过花键连接，更有利于补偿前桨轴倾斜，因此前排螺旋桨承受的弯矩、轴向力和径向力不会传递至行星架，这些载荷全部通过后桨轴传递至减速器机匣上，行星架仅仅传递扭矩，从而可减少减速器轮系结构变形。

支撑方式二中前排螺旋桨承受的弯矩、轴向力和径向力主要通过后桨轴传递至减速器机匣上，但是部分径向力会传递到行星架，如图4所示，前桨轴左端未约束时存在挠度和转角，现通过行星架约束其挠度和转角为0，由于前桨轴倾斜量大，花键侧隙无法补偿前桨轴倾斜量，因此行星架必定受到径向力。径向力的大小与前桨轴伸出长度L相关：L越大，行星架承受径向力越小，详见公式（1）。因此，为了减少螺旋桨载荷对行星架的影响，L值需适当大些。

式中：FH为前桨轴传递至行星架的径向力；EI为抗弯刚度；w为挠度；L为前桨轴伸出长度，如图4所示。

图4 支撑方式二前桨轴受载变形

支撑方式三中前排螺旋桨承受的弯矩、轴向力和径向力主要通过后桨轴传递至减速器机匣上，但是部分弯矩会传递到行星架。前桨轴左端未约束时存在转角，行星架需适应前桨轴变形，如花键侧隙补偿能力不足，行星架会受弯矩载荷。弯矩的大小与行星架伸出长度L相关（见图5）：长度L越大，行星架承受弯矩越小，弯矩近似计算见公式（2）。因此，为了减少螺旋桨载荷对行星架的影响，L值需适当大些。

图5 支撑方式三前桨轴受载变形

式中：Me为前桨轴传递至行星架的弯矩；θ为转角；L为行星架伸出长度。

3.结构对比分析

支撑方式一中由于设计了浮动轴，因此行星架仅仅传递扭矩，有利于轮系正常啮合工作。另外，花键仅仅传递扭矩，受载单一，有利于花键正常工作。

支撑方式二行星架承受一定的来自螺旋桨的径向力，但由于径向力作用于行星架支撑位置附近，因此导致行星架的变形较小，即对轮系正常啮合工作的影响较小。此外，由于花键同时承受径向力和扭矩，不利于花键正常工作。

支撑方式三在结构上与支撑方式二较为接近，由于支撑方式二中前桨轴有伸出量L，而支撑方式三中前桨轴没有伸出量，因此其前桨轴的倾斜量明显小于支撑方式二。但在设计过程中，需控制好前桨轴的倾斜量在花键侧隙可补偿的范围内。如果花键侧隙补偿能力不够，则行星架承受弯矩，影响轮系正常啮合。

4.结论

本文对比分析了三种共轴对转减速器桨轴支撑结构，可为共轴对转减速器桨轴支撑方式设计提供了指导，结果表明：从前桨轴对行星架的影响以及花键受载情况进行比较，支撑方式一和方式三要优于支撑方式二。