馬艷紅，曹 沖，李 鑫，洪 杰

（1.北京航空航天大學，能源與動力工程學院，北京100191；2.中航工業(yè)航空動力機械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

現(xiàn)代航空發(fā)動機發(fā)展在追求高性能的同時，對其質(zhì)量和可靠性也提出了更為嚴格的要求，而渦輪支承方案的優(yōu)化與先進支承結(jié)構(gòu)的設計是提高渦輪效率，減輕質(zhì)量的重要途徑之一。在渦軸發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)設計中，渦輪級間支承結(jié)構(gòu)是近年發(fā)展的先進結(jié)構(gòu)，對于多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，采用渦輪級間支承結(jié)構(gòu)可減少轉(zhuǎn)子間振動耦合，比采用壓氣機擴壓器機匣支承結(jié)構(gòu)更有利于渦輪間隙控制和軸承壽命的延長[1]。采用共用支承結(jié)構(gòu)還可以減少承力框架數(shù)，減小發(fā)動機軸向尺寸。渦輪級間支承結(jié)構(gòu)在多種型號發(fā)動機中得到了成功應用，如GE公司的GEnx、GE90，RR公司的EJ200、MTR390等[2-3]。李維分析了國外渦軸發(fā)動機主要渦輪布局形式，指出使用渦輪級間共用支承結(jié)構(gòu)是先進渦軸發(fā)動機布局的改進方向，并提出了初步的改進方法[4]；美國聯(lián)合技術(shù)公司設計了1種可主動變形的支承結(jié)構(gòu)[5]，利用壓電材料的特性，定向傳遞形變或位移，保證輻板內(nèi)環(huán)在作用力下周向形變的均勻；Kumar等通過對支承結(jié)構(gòu)承力路線的優(yōu)化，使不同支點的載荷相互抵消以減小結(jié)構(gòu)應力水平[6]。渦輪級間支承結(jié)構(gòu)在國內(nèi)大多注重于其對發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)與性能的影響，而對其具體結(jié)構(gòu)的設計研究較少。

本文對典型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設計方案進行分析，結(jié)合國內(nèi)外研究成果，提出渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵技術(shù)。

1 渦輪級間支承結(jié)構(gòu)基本設計原則

渦輪級間支承結(jié)構(gòu)位于高、低壓渦輪之間，承受多種載荷作用，力學環(huán)境惡劣[7]；同時處于高溫環(huán)境，需滿足冷卻、潤滑封嚴等要求，給設計帶來了巨大挑戰(zhàn)。考慮到渦輪級間支承結(jié)構(gòu)獨特的工作環(huán)境與受力特點，在滿足結(jié)構(gòu)強度設計準則的前提下，高結(jié)構(gòu)效率的渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設計應滿足以下基本原則。

1.1 保證高溫環(huán)境下支承結(jié)構(gòu)剛度的穩(wěn)定性

支承結(jié)構(gòu)核心作用是對轉(zhuǎn)子進行支承，因而其必須具有足夠的剛性。由于渦輪級間支承結(jié)構(gòu)位于燃氣渦輪后，在發(fā)動機工作時，高溫燃氣使得支承結(jié)構(gòu)部件溫度升高，材料彈性模量減小，從而造成支承結(jié)構(gòu)剛度減弱，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力特性造成顯著影響，此外氣流通道部分結(jié)構(gòu)剛度弱化引起的變形量增大還會影響葉輪間的間隙變化和氣動效率。因此，應采取良好的隔熱、冷卻手段，以及合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)型設計，來減小高溫對支承剛度的影響，保證工作范圍內(nèi)支承剛度的穩(wěn)定。

1.2 防止支承結(jié)構(gòu)熱變形與熱應力過大

渦輪級間支承結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的復雜性除了體現(xiàn)在工作溫度高之外，還在發(fā)動機起動停車等工作狀態(tài)切換時，工作溫度劇烈變化，可能出現(xiàn)大溫度梯度，造成結(jié)構(gòu)熱膨脹不協(xié)調(diào)從而產(chǎn)生熱應力，在高溫環(huán)境下該結(jié)構(gòu)還易產(chǎn)生熱疲勞和屈曲變形。部件結(jié)構(gòu)的設計與連接方式的選擇需要預先考慮熱膨脹的影響，在滿足支承剛度的同時保證結(jié)構(gòu)較小的熱應力與熱變形。

1.3 具有良好的結(jié)構(gòu)間振動衰減和隔離

支承結(jié)構(gòu)在工作過程中受多種載荷激勵，在結(jié)構(gòu)設計時必須保證其在寬的頻率范圍內(nèi)對激勵力具有低敏感性，防止有害振動的產(chǎn)生[8]。引發(fā)振動的原因可能是多方面的，其中轉(zhuǎn)子的不平衡力是最主要的激勵源，理想狀態(tài)是保證在激勵頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)、靜子間無振動耦合。這意味著結(jié)構(gòu)設計應使支承結(jié)構(gòu)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有高的機械阻抗，遠離共振區(qū)間；同時減小靜子結(jié)構(gòu)各部件間的相互影響，提高振動控制能力。對于共用支承結(jié)構(gòu)，還應保證各支點間良好的振動隔離性，以減小不同轉(zhuǎn)子間振動耦合。

1.4 保證連接結(jié)構(gòu)力學性能的穩(wěn)定性

支承結(jié)構(gòu)主要由多個承力部件連接組成，部件間的載荷通過連接結(jié)構(gòu)傳遞。當連接結(jié)構(gòu)受到交變載荷作用時，接觸面間由于接觸應力和狀態(tài)的差異，會發(fā)生周期性的相對變形或滑移，造成微動損傷[9]，從而使連接部位接觸狀態(tài)發(fā)生變化，導致連接結(jié)構(gòu)力學性能失穩(wěn)，引起結(jié)構(gòu)整體的剛度損失，造成支承松動[10]，嚴重時會帶來安全隱患。渦輪級間支承結(jié)構(gòu)處于高溫環(huán)境，其連接結(jié)構(gòu)同時受熱載荷和轉(zhuǎn)子交變激勵載荷的作用，因此保證在多種載荷作用下連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是支承結(jié)構(gòu)設計的重要方面。

1.5 保證發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的安全性

在正常載荷作用下，支承結(jié)構(gòu)的徑向和軸向載荷與其承載能力相比很小。在極限和惡劣載荷作用下，支承結(jié)構(gòu)應具有足夠的承載能力，以保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性，發(fā)動機仍能受控和停車。渦輪級間支承結(jié)構(gòu)工作溫度高，在極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的損壞可能造成滑油管路破裂，在高溫環(huán)境下易引發(fā)滑油起火，使損失進一步擴大。因此，在渦輪支承結(jié)構(gòu)設計中應考慮發(fā)動機的安全性，在危險發(fā)生時保證發(fā)動機及飛機的安全。

2 典型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設計分析

世界各家發(fā)動機制造公司在其研制的渦軸發(fā)動機中成功應用了渦輪級間支承結(jié)構(gòu)，并針對其在工作中面臨的問題，提出了自己特有的解決方法。

2.1 MTR390發(fā)動機渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

RR公司參與研制的第4代渦軸發(fā)動機MTR390具有尺寸小、質(zhì)量輕和功率大等優(yōu)點。應用渦輪級間共用支承結(jié)構(gòu)為發(fā)動機縮小軸向尺寸和減輕質(zhì)量做出了貢獻。

MTR390發(fā)動機的渦輪級間支承結(jié)構(gòu)具有3個支承點，在動力渦輪前采用雙滾棒軸承并用支承，如圖1所示。該支承方式可增強動力渦輪角向剛度，提高渦輪抗變形能力。

圖1 MTR390發(fā)動機渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

2.1.1 承力輻板組件

MTR390發(fā)動機的渦輪級間支承結(jié)構(gòu)的承力輻板與內(nèi)外環(huán)一體，外環(huán)后端與機匣焊接，輻板空心，中間通有冷卻空氣與滑油管路。空心整流葉片包圍輻板，葉片與輻板間隙中通有來自燃燒室的2股氣流進行冷卻。輻板與內(nèi)、外環(huán)一體增強了結(jié)構(gòu)剛度，減少了連接結(jié)構(gòu)，有利于提高支承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；同時承力輻板組件形成1個單元體，便于裝配。

2.1.2 軸承座

MTR390發(fā)動機的渦輪級間支承結(jié)構(gòu)的3個軸承使得振動問題更加復雜。為了緩解振動問題，其燃氣渦輪與動力渦輪的支點分別采用獨立的軸承座支承。

燃氣渦輪與動力渦輪的軸承座分別安裝于承力輻板內(nèi)輪轂前、后端，二者間是剛性較好的承力輻板，形成挑擔式結(jié)構(gòu)，使得2個軸承座相對獨立，有利于減小動力渦輪與燃氣渦輪支點之間的振動耦合；同時動力渦輪發(fā)生彎曲變形時對燃氣渦輪的支承影響很小，這對于共用支承結(jié)構(gòu)的設計至關(guān)重要。

2.2 PW150發(fā)動機渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

PW150發(fā)動機是加拿大PW 公司研制的3轉(zhuǎn)子渦輪螺旋槳發(fā)動機，因其結(jié)構(gòu)復雜，故多處使用共用支承結(jié)構(gòu)。其渦輪級間支承結(jié)構(gòu)支承著低壓渦輪后支點與動力渦輪前支點，如圖2所示。

圖2 PW150發(fā)動機渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

2.2.1 渦輪導向器

渦輪導向器作為渦輪結(jié)構(gòu)設計的重要部件，與高溫燃氣直接接觸，往往不承力。因3轉(zhuǎn)子發(fā)動機結(jié)構(gòu)復雜，為盡量減少零件數(shù)，PW150發(fā)動機渦輪導向器兼具承力輻板的功能，導流葉片直接承受載荷。

導向器由導流葉片與內(nèi)外環(huán)組成，二者焊接為一體，外環(huán)與機匣螺栓連接，連接段為折返式結(jié)構(gòu)以減小熱應力，如圖3所示。導流葉片共16片，包括2片空心葉片和14片實心葉片?？招娜~片分別位于導向器的正上、下方（12、6點鐘位置），滑油管路從這2片葉片中穿過。

由于渦輪導向器直接承載，結(jié)構(gòu)簡單，減少了裝配和檢修的工作量。但導流葉片無氣體冷卻措施，需同時承受高溫與大載荷，使其結(jié)構(gòu)強度、耐久度和剛度弱化的問題更加突出。

2.2.2 大鼠籠鼓筒安裝結(jié)構(gòu)

為解決無冷卻支承結(jié)構(gòu)剛度穩(wěn)定性問題，PW150發(fā)動機采用大鼠籠鼓筒安裝結(jié)構(gòu)（圖3）。導向器內(nèi)環(huán)向內(nèi)折返形成大鼠籠結(jié)構(gòu)的彈性鼓筒。該結(jié)構(gòu)具有較小的剛度，允許較大的變形，有利于減小熱應力。根據(jù)剛度串聯(lián)定理，總體剛度取決于其最弱點，在發(fā)動機工作時，高溫燃氣使導流葉片等部件溫度升高，剛度降低，但仍高于鼠籠結(jié)構(gòu)的剛度，故結(jié)構(gòu)的整體支承剛度始終取決于鼠籠結(jié)構(gòu)。鼠籠結(jié)構(gòu)處于冷卻氣流與隔熱材料的保護之下，工作溫度較低，剛度不會發(fā)生太大變化，從而保證了整個工作循環(huán)內(nèi)支承剛度的穩(wěn)定性。

2.2.3 多功能共用軸承座

與MTR390發(fā)動機不同，PW150發(fā)動機采用共用軸承座（如圖4所示）支承2個支點，其多功能結(jié)構(gòu)設計可同時滿足支承與軸承冷卻、潤滑的要求。從圖4中可見，軸承座為剛性環(huán)形結(jié)構(gòu)，布置多個油孔、氣孔，其位置與尺寸經(jīng)過精確設計，保證2軸承的油腔相通；同時使得油、氣腔分離。油孔、氣孔的直徑大小分別滿足擠壓油膜、噴射供油和氣流流量、流速的要求。

圖3 渦輪導向器實體模型

圖4 多功能共用軸承座

2.2.4 連接結(jié)構(gòu)位置優(yōu)化

當連接結(jié)構(gòu)軸向或者徑向整體偏移時，接觸面位移相互協(xié)調(diào)，能保證較好的連接狀態(tài)；而角向偏移或者彎曲變形時，接觸面易發(fā)生相對滑移或者局部磨損從而影響連接的穩(wěn)定。PW150發(fā)動機通過對承力路線的選取，連接位置的優(yōu)化，保證了連接穩(wěn)定性的要求。PW150發(fā)動機導向器內(nèi)、外連接螺栓軸向位置相同，如圖5所示。當2個軸承受載時，剛性軸承座徑向偏移，由于上述2個連接結(jié)構(gòu)在同一垂面，軸承座偏移時連接結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)整體徑向偏移的特征，以保證連接穩(wěn)定。

圖5 連接結(jié)構(gòu)位置優(yōu)化

2.3 PW 公司新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

PW 公司在早期設計了PW150發(fā)動機，隨著技術(shù)的發(fā)展，在2008年提出了1種適用多類型發(fā)動機的新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)[11]，與PW150發(fā)動機在結(jié)構(gòu)上有諸多不同。

2.3.1 承力輻板組件

新型結(jié)構(gòu)沒有采用PW150發(fā)動機渦輪導向器承力的方案，而是將氣動件與承力件分離，并設計了1種結(jié)構(gòu)緊湊、剛性良好的承力輻板結(jié)構(gòu)。

承力輻板組件與軸承座一同形成渦輪支承結(jié)構(gòu)的主體承力框架，二者用螺栓連接，如圖6所示。在載荷從軸承向機匣傳遞的路線上僅有1個連接結(jié)構(gòu)，有利于承力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。承力輻板上端加厚，與機匣用徑向螺釘連接，下端與折返式內(nèi)環(huán)加工成一體。徑向螺釘連接與輻板內(nèi)環(huán)一體的結(jié)構(gòu)采用7個承力輻板來保證了支承的剛度，使承力輻板形成剛性很好的組件。

2.3.2 渦輪導向器

圖6 PW 公司新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

由于承力輻板與內(nèi)環(huán)一體，導向器周向扇形分段以便安裝，每個扇形段含有1個空心葉片和多個導流葉片，如圖7所示?？招娜~片阻隔了高溫燃氣與承力輻板直接接觸；同時冷卻氣體從承力輻板與空心葉片的空隙中流過對承力輻板進行冷卻。PW150發(fā)動機的導向器既傳遞載荷，又暴露于高溫環(huán)境下，導致穩(wěn)定性與壽命受到影響，然而該空心葉片為承力輻板傳遞載荷提供了1個相對低溫的工作環(huán)境，解決了高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)剛度弱化的問題。

2.3.3 軸承座

為同時支承2個軸承，新型結(jié)構(gòu)采用共用軸承座，并設計了安全“機械保險”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是指是軸承支座錐殼上設計的圈槽（如圖8所示）。槽的尺寸保證軸承支座能夠承受正常的工作載荷，但在大載荷作用下該段優(yōu)先失效，阻隔載荷外傳。該優(yōu)先失效結(jié)構(gòu)有助于保護輸油管等外側(cè)部件，保證轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在大不平衡狀態(tài)下，可以安全停車，避免造成嚴重的結(jié)構(gòu)損傷。

圖7 渦輪導向器裝配

圖8 軸承座“機械保險”結(jié)構(gòu)

2.4 GE公司新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

GE公司在小涵道比渦扇發(fā)動機設計中一直采用帶中介支承的雙轉(zhuǎn)子支承方案，該設計在高、低壓渦輪之間沒有支承結(jié)構(gòu)，有利于減輕質(zhì)量，提高推重比。在渦軸發(fā)動機中很難使用中介軸承，需要先進的渦輪級間支承結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的發(fā)展和對小尺寸、高轉(zhuǎn)速燃氣渦輪發(fā)動機推重比和功重比要求的提高，近年來GE公司基于渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設計，提出了新型整體結(jié)構(gòu)設計方案[12]，如圖9所示。該結(jié)構(gòu)僅支承單個支點，即燃氣渦輪后支點。

2.4.1 承力輻板組件

承力輻板、內(nèi)輪轂與機匣三者加工為整體。整體式設計能避免連接結(jié)構(gòu)的使用，減少零件數(shù)。導流葉片與帶有強化冷卻的冷卻擋板包圍承力輻板，與常規(guī)設計不同，滑油管路并未穿過空心承力輻板，而是與承力輻板環(huán)向并列安裝，從2個承力輻板之間伸入軸承腔，如圖10所示。該結(jié)構(gòu)增大了承力輻板及滑油管路周圍的冷卻空氣流通空間，加強了結(jié)構(gòu)冷卻效果；同時減小了油管損壞的風險。

圖9 GE公司新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)

圖10 滑油管路裝配

2.4.2 渦輪導向器

承力輻板與機匣、內(nèi)輪轂一體的結(jié)構(gòu)給導向器的安裝帶來了難題；同時承力輻板的數(shù)量與導流所需的葉柵稠度并不匹配，出于氣動與結(jié)構(gòu)的綜合考慮，GE公司將渦輪導葉設計成多種結(jié)構(gòu)形式，共同形成組合葉柵。

渦輪導向器由整體式、軸向分段式和組合式導葉組成，三者翼型相同，內(nèi)部加工有蛇形冷卻通道強化冷卻效果。其中整體式導葉包圍滑油管路，軸向分段式導葉包圍承力輻板，葉片沿葉身截面拆分為前緣段和尾緣段，通過螺栓與鎖扣將二者相連，如圖11所示。組合式導葉以3個1組形式，均勻安裝于承力輻板與滑油管路之間，如圖12所示。

渦輪導葉外環(huán)徑向用掛鉤式結(jié)構(gòu)固定，左側(cè)軸向通過銷釘固定，內(nèi)環(huán)與右側(cè)無固定措施。該單側(cè)固定的方式使得導向器在徑向與軸向均可自由膨脹，避免連接端產(chǎn)生過大熱應力；同時導葉掛鉤設計成折返式結(jié)構(gòu)，保證結(jié)構(gòu)膨脹空間，減小熱應力。

圖11 軸向分段式導葉

圖12 組合式導葉

3 關(guān)鍵設計技術(shù)

為了有效地滿足結(jié)構(gòu)強度的基本設計要求，實現(xiàn)高結(jié)構(gòu)效率[13]支承結(jié)構(gòu)的設計，需要先進的設計技術(shù)提供支持。通過對各公司典型方案的對比分析，渦輪級間支承結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設計技術(shù)有以下幾個主要方面。

3.1 轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與動力學一體化設計

支點數(shù)目、位置、跨度不僅影響轉(zhuǎn)子的動力特性，也決定著支承結(jié)構(gòu)的設計。動力渦輪前采用雙滾棒軸承支承滿足動力渦輪單元體設計與渦輪間隙控制的要求，相應的支承結(jié)構(gòu)需采取措施減小彎矩的影響和支點間振動耦合；具有諸多優(yōu)點的共用支承結(jié)構(gòu)同時也使得振動問題復雜，設計難度增大。選擇合適的支承方案與結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)、靜子均具有良好的力學特性，從而保證整體結(jié)構(gòu)具有高結(jié)構(gòu)效率是設計目標之一。因此，應綜合考慮支承方案對轉(zhuǎn)子特性和支承結(jié)構(gòu)的影響，對轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)與動力學一體化設計，實現(xiàn)收益最大化。

3.2 低溫敏感度支承結(jié)構(gòu)設計

支承結(jié)構(gòu)對溫度的敏感度主要包括剛度與應力低敏感2個方面。渦輪級間支承結(jié)構(gòu)的高溫工作環(huán)境易帶來支承剛度弱化與熱應力集中的問題，保證在變溫條件下的低應力分布與穩(wěn)定的支承剛度，對支承結(jié)構(gòu)的設計至關(guān)重要。

低溫敏感度設計主要采取2種途徑：（1）采用良好的隔熱冷卻措施，尤其對處于高溫主流道的承力輻板部件。在結(jié)構(gòu)設計中將承力輻板與導流葉片均加工成空心結(jié)構(gòu)，中通冷卻空氣，輔以冷卻擋板、隔熱材料等措施強化冷卻效果；（2）在整體結(jié)構(gòu)中合理布置低剛度區(qū)。該結(jié)構(gòu)允許較大的變形，有利于減小熱應力。整體剛度取決于結(jié)構(gòu)剛度最薄弱點，將其置置于冷卻效果良好、溫度較低的區(qū)域，可保證整體支承剛度的穩(wěn)定；同時對連接段采取折返式結(jié)構(gòu)、部件單側(cè)固定等手段保證充足膨脹空間，避免大熱應力的產(chǎn)產(chǎn)生。

3.3 結(jié)構(gòu)多功能化設計

共用支承結(jié)構(gòu)含有多個軸承共腔，除滿足支承要求外，還需要輔以必要的冷卻、潤滑措施。所以需要承力與空氣、滑油系統(tǒng)一體化設計，采用多功能結(jié)構(gòu)來統(tǒng)籌安排各方面需求。

PW150發(fā)動機的共用軸承座很好地體現(xiàn)了多功能結(jié)構(gòu)設計的理念，剛性環(huán)形的軸承座構(gòu)型，配合油孔、氣孔位置、尺寸的精確設計，實現(xiàn)其支承、冷卻與供油的多項功能，使得發(fā)動機結(jié)構(gòu)更加緊湊，用較少的零件數(shù)實現(xiàn)不同設計要求，但也造成結(jié)構(gòu)復雜，設計難度增大。

3.4 連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設計

渦輪級間支承結(jié)構(gòu)的高溫、大載荷工作環(huán)境對連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了更高要求。

增強連接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要從2方面入手：（1）采取整體性結(jié)構(gòu)，盡量減少連接結(jié)構(gòu)數(shù)量。如PW公司的新型支承結(jié)構(gòu)，承力輻板與內(nèi)輪轂為一體，從軸承外環(huán)至機匣的載荷傳遞路線中僅使用1處螺栓連接，大大強化了連接的穩(wěn)定性。由于設計需要承力輻板穿過導流葉片，使用整體性結(jié)構(gòu)往往給導向器的安裝帶來難題。對于承力輻板與輪轂一體的結(jié)構(gòu)，可將導向器設計成扇形分段式結(jié)構(gòu)，或采用軸向分段式導葉實現(xiàn)安裝。（2）連接結(jié)構(gòu)位置與承力路線的優(yōu)化設計，將連接結(jié)構(gòu)置于低溫、小載荷區(qū)域；同時合理安排載荷傳遞路線，避免連接結(jié)構(gòu)在載荷作用下發(fā)生過大的角向變形。

3.5 強振動衰減與隔振結(jié)構(gòu)設計

隔振性主要針對支點之間以及軸承外環(huán)至機匣的振動隔離。剛度-質(zhì)量分布對結(jié)構(gòu)的機械阻抗具有決定作用，相鄰部件之間剛度-質(zhì)量分布差異加大可有效避免耦合振動。MTR390發(fā)動機的燃氣渦輪與動力渦輪采用獨立軸承座，二者位于剛性很好的承力輻板兩側(cè)，形成大的剛度-質(zhì)量分布梯度，減小了動力渦輪與燃氣渦輪支點之間的振動耦合。

另外，阻尼材料與結(jié)構(gòu)可以耗散振動能量，加速振動衰減，如鼠籠彈支與擠壓油膜阻尼器的應用。在設計過程中，一般綜合采用2種手段，以達到良好的隔振效果。

3.6 結(jié)構(gòu)安全性設計策略

在高溫環(huán)境下，滑油管路的存在使得極限狀態(tài)下的安全性設計更加重要。PW公司的新型渦輪級間支承結(jié)構(gòu)中采用“機械保險”結(jié)構(gòu)安全性設計策略，在極限載荷情況下可人為定位失效段，避免了支承結(jié)構(gòu)的進一步損害。GE公司一改滑油管路穿過空心承力輻板的傳統(tǒng)設計，在新型支承結(jié)構(gòu)中將二者分離，環(huán)向并列安裝，使得滑油管路遠離承力構(gòu)件以減小油管破損的危險性。

4 結(jié)論

（1）在設計過程中應綜合考慮結(jié)構(gòu)方案對轉(zhuǎn)-靜子件力學特性的影響，采用結(jié)構(gòu)與動力學一體化設計使收益最大化。

（2）采用結(jié)構(gòu)與冷卻手段來降低剛度與應力對溫度的敏感度，設計多功能結(jié)構(gòu)以同時滿足支承、冷卻、潤滑等方面要求。

（3）使用整體性部件以減少連接結(jié)構(gòu)的應用，優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)位置保證其穩(wěn)定性。

（4）應用變剛度-質(zhì)量分布設計與阻尼結(jié)構(gòu)，以提高支承結(jié)構(gòu)振動衰減性和隔振性。

本文僅從總體結(jié)構(gòu)角度對渦輪級間支承結(jié)構(gòu)設計的幾個關(guān)鍵技術(shù)進行了分析，細節(jié)設計如冷卻封嚴、減質(zhì)優(yōu)化等研究工作還有待展開。

[1]劉寶龍，洪杰.通用核心機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計技術(shù)[J].振動與沖擊，2010，29（S1）：58-62.LIU Baolong，HONG Jie.Structural design technology of the versatile core rotor system[J].Journal of Vibration and Shock，2010，29（S1）：58-62.（in Chinese）

[2]陳光，洪杰，馬艷紅.航空燃氣渦輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：334-343.CHEN Guang，HONG Jie，MA Yanhong.Structure of gas turbine engine[M].Beijing：Beihang University Press，2010：334-343.（in Chinese）

[3]胡曉煜.世界中小型航空發(fā)動機手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006：214-220.HU Xiaoyu.Manual of world small and medium sized aeroengine[M].Beijing:Aviation Industry Press，2006：214-220.（in Chinese）

[4]王強，李維.前功率輸出式渦軸發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)布局改進[J].燃氣渦輪實驗與研究，2010，23（3）：27-30.WANG Qiang，LI Wei.Improvement of turbine structure for turboshaft engine front output shaft[J].Gas Turbine Experiment and Research，2010，23（3）：27-30.（in Chinese）

[5]United Technologies Corporation.Actuated variable geometry mid turbine frame design：United States，US 8113768B2[P].2012-2-14.

[6]Kumar K B，Nagendra S，Sowa W A.Mid turbine frame:United States，US 8181466B2[P].2010-6-28.

[7]陳予恕，張華彪.航空發(fā)動機整機動力學研究進展與展望[J].航空學報，2011，32（8）：1371-1391.CHEN Yushu，ZHANG Huabiao.Review and prospect on the research of dynamics of complete aeroengine systems[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2011，32（8）：1371-1391.（in Chinese）

[8]劉永泉，王德友，洪杰，等.航空發(fā)動機整機振動控制技術(shù)分析[J].航空發(fā)動機，2013，39（5）：1-8.LIU Yongquan,WANG Deyou,HONG Jie,et al.Analysis of whole aeroengine vibration control technology[J].Aeroengine,2013，39（5）：1-8.(in Chinese）

[9]Leen SB，Ratsimba C H H，Williams E J.An investigation of the fatigue and fretting performance of a representative aeroengine splined coupling [J].Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2002，37（6）：65-83.

[10]王兆豐,蔣學軍,劉忠華.基于階比分析技術(shù)的燃氣發(fā)生器轉(zhuǎn)子支承松動[J].航空發(fā)動機,2013,39（5）：9-13.WANG Zhaofeng,JIANG Xuejun,LIU Zhonghua.Fault diagnosis of rotor pedestal looseness for gas generator based on order analysis technique[J].Aeroengine,2013，39（5）：9-13.(in Chinese）

[11]General Electric Company.Integrated service tube and impingement baffle for a gas turbine engine：United States，US 8177481B2[P].2010-5-15.

[12]Pratt Whitney Canada Crop.Mid turbine frame system for gas turbine engine：United States，US 8061969B2[P].2011-11-22.

[13]張大義，馬艷紅，梁智超，等.整機結(jié)構(gòu)設計的評估方法-結(jié)構(gòu)效率[J].航空動力學報，2010，15（10）：2170-2176.ZHANG Dayi，MA Yanhong，LIANG Zhichao，et al.Evalua tion method on whole engine structural design structural effi ciency [J].Journal of Aerospace Power，2010，15（10）：2170-2176.（in Chinese）