大涵道比增壓壓氣機(jī)試驗件設(shè)計

鄭 浩，楊建煒

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都610500)

1 引言

增壓壓氣機(jī)是民用雙轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的主要部件之一，其作用是將風(fēng)扇出口進(jìn)入內(nèi)涵流路的空氣進(jìn)一步增壓，以滿足發(fā)動機(jī)總增壓比的要求。結(jié)構(gòu)布局上，增壓壓氣機(jī)和風(fēng)扇共軸并由低壓渦輪驅(qū)動，進(jìn)口承接風(fēng)扇內(nèi)涵出氣，出口向外涵和高壓壓氣機(jī)供氣，由此帶來氣動設(shè)計匹配上的困難；此外，增壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖切線速度低，流路設(shè)計不同于風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)，均帶來設(shè)計上的考驗。

世界各主要航空發(fā)動機(jī)公司在增壓壓氣機(jī)研制方面均具有較高的設(shè)計水平和豐富的使用經(jīng)驗，其增壓壓氣機(jī)設(shè)計加工完成后可直接裝機(jī)使用而不再單獨進(jìn)行增壓壓氣機(jī)部件試驗驗證。我國在民用航空發(fā)動機(jī)設(shè)計領(lǐng)域基本上是空白，在本增壓壓氣機(jī)設(shè)計完成之前，從未自主開展并完成增壓壓氣機(jī)研制，設(shè)計技術(shù)比較落后。

為此，中國燃?xì)鉁u輪研究院(GTE)尋求并與美國P&W公司開展了基于PW6000發(fā)動機(jī)增壓壓氣機(jī)設(shè)計指標(biāo)的增壓壓氣機(jī)合作研制。開展增壓壓氣機(jī)部件研制，可作為我國參與民用發(fā)動機(jī)國際合作研究的一個突破口?；诖?，根據(jù)P&W公司提出的增壓壓氣機(jī)流道尺寸和氣動參數(shù)，GTE完成了增壓壓氣機(jī)氣動設(shè)計。P&W公司對設(shè)計進(jìn)行了評審，認(rèn)為：PW6000發(fā)動機(jī)增壓壓氣機(jī)設(shè)計工作做得很好，能夠達(dá)到P&W公司的設(shè)計需求，并有獨到之處；但在發(fā)動機(jī)部件設(shè)計細(xì)節(jié)上還需要多做工作，盡量做到重量輕、成本低、安全、可靠。在此氣動設(shè)計的基礎(chǔ)上，立足于GTE的試驗臺架，開展了滿足氣動設(shè)計和試驗要求的試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計，強度、振動和壽命分析工作，并完成了相關(guān)試驗驗證。

2 增壓壓氣機(jī)技術(shù)指標(biāo)

該增壓壓氣機(jī)采用3級，達(dá)到現(xiàn)役發(fā)動機(jī)中該部件增壓比1.6～1.8的水平；其它部件性能指標(biāo)按照PW6000發(fā)動機(jī)設(shè)計要求提出。

3 試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 試驗件結(jié)構(gòu)布局和傳力路徑

增壓壓氣機(jī)部件試驗件由轉(zhuǎn)子組件、靜子組件、前后轉(zhuǎn)接承力機(jī)匣等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗件在設(shè)備上采用懸臂結(jié)構(gòu)安裝，即整個試驗件由排氣機(jī)匣后安裝邊與試驗設(shè)備齒輪箱的前安裝邊相連；試驗件前段通過橡膠盤與穩(wěn)壓箱連接，并在前機(jī)匣的前安裝邊正上方設(shè)置一輔助吊掛(有利于減小整個試驗件的彎曲變形和振動)。試驗件的軸向負(fù)荷將通過后支點直接傳至排氣機(jī)匣——渦殼上，試驗件可自由向前膨脹。而試驗件上其它負(fù)荷(包括靜葉負(fù)荷、徑向負(fù)荷、振動等)均由增壓壓氣機(jī)部件試驗件機(jī)匣從前向后傳遞至設(shè)備的排氣渦殼上。試驗件扭矩通過設(shè)備動力輸出軸與試驗件傳動軸間相連接的短套齒來傳遞。

3.2 試驗件轉(zhuǎn)子設(shè)計

試驗件轉(zhuǎn)子沒有采用發(fā)動機(jī)中使用的懸臂鼓筒結(jié)構(gòu)，而采用了簡支結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子前、后支點跨度782mm，后支點為主支點，采用雙排球軸承；前支點采用滾棒軸承。試驗件的3級輪盤均采用不銹鋼材料制造，用真空電子束焊連接在一起，然后用螺栓分別與相同材料的前、后軸頸連接形成轉(zhuǎn)子，實體模型見圖2，轉(zhuǎn)子實物見圖3。為減輕轉(zhuǎn)子載荷，轉(zhuǎn)子葉片均用TC4鈦合金制成，采用周向燕尾榫裝配在轉(zhuǎn)子上。

在大涵道比雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)中，增壓壓氣機(jī)要轉(zhuǎn)接大直徑的風(fēng)扇流道和小直徑的高壓壓氣機(jī)流道，其氣流向后、向內(nèi)呈弧線流動[1]。如果按常規(guī)設(shè)計，將轉(zhuǎn)子葉片葉身設(shè)計成與發(fā)動機(jī)軸向呈直角相交，那么氣流將以一定夾角流向葉身。若將葉型設(shè)計成與鼓筒外緣垂直相交，葉身向后傾斜，形成正交葉片，則在氣動性能方面能帶來一定的好處。但是，由于葉片斜著安裝在鼓筒上，使得其強度設(shè)計方面存在不足：葉根除正常承受轉(zhuǎn)子葉片離心載荷外，還要承受由于葉片傾斜安裝帶來的附加彎曲載荷。根據(jù)氣動設(shè)計及其流道布局，試驗件第1、2級轉(zhuǎn)子葉片采用常規(guī)設(shè)計，第3級轉(zhuǎn)子葉片因流道彎度大而采用了正交葉片設(shè)計，如圖4所示。

增壓級試驗件轉(zhuǎn)子支承為雙支點簡支結(jié)構(gòu)。推力球軸承(后支點)設(shè)置在轉(zhuǎn)子的后鼓筒軸上，選用雙排球軸承；前支點選用滾棒軸承。軸承均使用潤滑油進(jìn)行冷卻和潤滑。

3.3 試驗件靜子組件設(shè)計

增壓壓氣機(jī)試驗件靜子組件包括前機(jī)匣組件，前測量機(jī)匣，1、2級整環(huán)機(jī)匣，中介機(jī)匣以及排氣機(jī)匣組件。前機(jī)匣和排氣機(jī)匣均為帶支板結(jié)構(gòu)的主要承力框架。支板為空心結(jié)構(gòu)，以方便通過各種測試管線和油、氣管路。安裝靜葉的機(jī)匣都為整環(huán)結(jié)構(gòu)，壁厚大，有利于安裝各種測試座和接嘴。為了準(zhǔn)確模擬增壓壓氣機(jī)流過中介機(jī)匣后的流場和損失，還專門設(shè)計了中介機(jī)匣。

0級導(dǎo)葉和第1級整流葉片為可調(diào)葉片，上下都帶有軸頸，如圖5所示。第2、3級靜子葉片均為單個葉片，其內(nèi)、外緣板上均設(shè)計有“π”型榫頭。裝配時，葉片按不同數(shù)量與內(nèi)環(huán)形成扇形塊組件，直接裝在機(jī)匣上對應(yīng)的槽內(nèi)[2]。

為獲取增壓壓氣機(jī)優(yōu)化性能，0級導(dǎo)葉和第1級可調(diào)靜葉均設(shè)計成單獨調(diào)節(jié)控制(見圖6)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動聯(lián)動環(huán)繞試驗件軸線周向轉(zhuǎn)動，以使得單排靜葉同時轉(zhuǎn)動葉片角度。

聯(lián)動環(huán)由于裝配需要而采用分半設(shè)計，使用帶凸耳的聯(lián)接段橋接。連接桿長度可調(diào)節(jié)，有利于彌補加工公差、變形等不利影響。試驗中，角度的反饋通過以下兩種方式控制：①通過攝像頭觀察設(shè)計的刻度盤和指針；②利用角位移傳感器進(jìn)行實時控制和調(diào)節(jié)。

3.4 試驗件軸承軸向力和壽命估算

試驗件按照3個轉(zhuǎn)速和3種節(jié)流比(共計6個工況)進(jìn)行了腔壓計算。結(jié)果表明，雙排推力球軸承承擔(dān)的軸向力在8 500～22 000 N之間，逆氣流方向，確保試驗中軸向力不反向。

徑向載荷僅考慮了轉(zhuǎn)子自重，通過支反力計算，球軸承徑向載荷為655 N。

對雙排球軸承進(jìn)行了壽命估算，在最大軸向力時基本額定壽命為108 h，滿足增壓壓氣機(jī)部件使用要求。

4 試驗件強度振動計算和壽命分析

為確保試驗順利進(jìn)行，試驗件必須具有足夠的強度和剛度。該增壓壓氣機(jī)試驗件強度設(shè)計采用了專用軟件(AJC、RCSC)和普通商業(yè)軟件(ANSYS、MSC/NASTRAN、PATRAN 等)，對各排轉(zhuǎn)、靜子葉片，轉(zhuǎn)子及聯(lián)結(jié)的強度、振動進(jìn)行了計算分析。結(jié)果表明：設(shè)計狀態(tài)和最大爬升狀態(tài)的靜強度、持久強度儲備、低循環(huán)疲勞壽命均滿足設(shè)計要求。兩種狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的最大等效應(yīng)力分別為310 MPa和371 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強度，計算應(yīng)力分布見圖7；輪盤破裂轉(zhuǎn)速儲備大于1.22，滿足強度規(guī)范要求；轉(zhuǎn)子連接螺栓孔處低循環(huán)壽命大于105個循環(huán)。

對第1、2和3級輪盤處的兩條真空電子束焊焊縫進(jìn)行了強度評估，認(rèn)為滿足強度設(shè)計要求。

5 喘振條件下軸向間隙計算分析

壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計既要考慮結(jié)構(gòu)緊湊又要考慮機(jī)械運行安全，因此壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮喘振的影響：既要保證喘振發(fā)生時能及時退出，又要考慮喘振時氣流產(chǎn)生的極大軸向能量對葉片沖擊帶來的軸向位移。常規(guī)設(shè)計中如果不考慮喘振對軸向間隙的影響，極可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)、靜子碰磨等機(jī)械故障，威脅發(fā)動機(jī)安全?；诖?，設(shè)計中主要對最大爬升狀態(tài)時的葉片喘振位移進(jìn)行了計算。

對試驗件轉(zhuǎn)子變形進(jìn)行了計算，機(jī)匣的變形認(rèn)為可以忽略。

試驗件軸向間隙應(yīng)保證轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片避免碰撞。根據(jù)PW6000增壓壓氣機(jī)軸向間隙設(shè)計經(jīng)驗，考慮了最壞的公差累積、軸承軸向游隙、喘振時葉片的軸向位移，以及最惡劣熱力瞬態(tài)時轉(zhuǎn)、靜子的軸向位移[3]。軸向間隙計算結(jié)果表明：試驗件喘振時的葉片變形量相對較小，試驗件實際工作和喘振時的軸向間隙裕度較大，滿足安全性要求。

將試驗件的軸向間隙分析結(jié)果與某低壓壓氣機(jī)的軸向間隙進(jìn)行比較和分析，結(jié)果表明：本增壓壓氣機(jī)試驗件的轉(zhuǎn)子葉片變形以及喘振時的葉片變形都較小，其機(jī)械運行安全。

6 試驗件首次裝配出現(xiàn)的問題和解決措施

在首次總裝前對靜子機(jī)匣部件進(jìn)行假裝，將進(jìn)氣機(jī)匣(含前軸承座)、前測量機(jī)匣、第1級整流機(jī)匣、第2級整流機(jī)匣、中介機(jī)匣模擬段、后測量機(jī)匣和排氣機(jī)匣(含后軸承座)依次裝配并同時進(jìn)行跳動檢測。在進(jìn)行前、后支點同軸度檢測時，發(fā)現(xiàn)支點同軸度為0.28～0.30 mm，超差近一倍。為此，設(shè)計人員根據(jù)裝配過程和各級機(jī)匣的跳動檢測結(jié)果，重新分解并檢查后軸承座與排氣機(jī)匣的配合尺寸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)排氣機(jī)匣配合尺寸未加工到位，使得該處設(shè)計要求的小間隙配合變成了過盈配合，從而使后軸承座裝配未完全到位。經(jīng)返修后，前、后軸承座同軸度滿足設(shè)計要求。

另外，首次裝配中還發(fā)現(xiàn)前、后內(nèi)環(huán)組合加工后，切分成四塊扇形的第1級內(nèi)環(huán)組件在切開處向外變形橢圓度達(dá)1.2 mm，無法裝入第1級可調(diào)葉片排上。經(jīng)三次熱校形并輔以鉗修，最終使第1級內(nèi)環(huán)組件順利裝入第1級可調(diào)整流葉片排上。最終完成的增壓壓氣機(jī)試驗件裝配實物如圖8所示。

7 試驗結(jié)果

在增壓壓氣機(jī)第一階段試驗中，共進(jìn)行了3次試驗，包括機(jī)械運行試驗、總性能試驗和總性能優(yōu)化試驗，錄取了折合轉(zhuǎn)速0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.91、0.95、0.963、1.00、1.094下的性能參數(shù)，進(jìn)、出口流場分布，以及一些優(yōu)化調(diào)節(jié)角度組合下的部分性能點。這一階段中試驗件運轉(zhuǎn)約12 h，進(jìn)喘約37次，共錄取了約301個穩(wěn)態(tài)性能數(shù)據(jù)。其性能試驗結(jié)果與一維計算結(jié)果的對比見圖9。結(jié)果表明，設(shè)計點流量滿足設(shè)計要求，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)效率包絡(luò)線良好，設(shè)計點效率和喘振裕度均超過設(shè)計值。

此外，增壓壓氣機(jī)試驗件還進(jìn)行了軸向斜槽式處理機(jī)匣設(shè)計和試驗。該處理機(jī)匣在第1級轉(zhuǎn)子葉片上方沿壓氣機(jī)軸向開斜槽，與發(fā)動機(jī)軸線方向成20°傾角，槽深方向與壓氣機(jī)徑向成20°夾角，處理柵槽為400片。模型如圖10所示。

試驗件帶處理機(jī)匣與帶實壁機(jī)匣在設(shè)計角度下的試驗特性比較見圖11。從圖中可以看出，在0.4～0.6時，處理機(jī)匣的穩(wěn)定邊界與實壁機(jī)匣試驗結(jié)果基本重合，穩(wěn)定裕度沒有得到明顯提高；在中、高轉(zhuǎn)速下，處理機(jī)匣并沒有改善增壓壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度，反而有1.0%～1.6%左右的下降。同時，在流量效率圖中還可以看出，增壓壓氣機(jī)效率在有3.0%～4.0%的下降。由此表明，該處理機(jī)匣設(shè)計未獲成功。

8 結(jié)束語

本文簡要介紹了中國燃?xì)鉁u輪研究院與美國P&W公司合作的民用雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)增壓壓氣機(jī)部件研制情況，涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度振動計算及壽命分析、喘振條件下軸向間隙評估和試驗結(jié)果等。

增壓壓氣機(jī)機(jī)械運行和試驗結(jié)果表明：機(jī)械設(shè)計獲得了成功；增壓壓氣機(jī)試驗性能全面滿足設(shè)計要求，其中喘振裕度和效率超過了設(shè)計技術(shù)指標(biāo)。

該增壓壓氣機(jī)部件的成功研制，填補了我國民用航空發(fā)動機(jī)增壓壓氣機(jī)設(shè)計技術(shù)的空白，為民用發(fā)動機(jī)的研制提供了必要的技術(shù)儲備。

[1]陳 光.航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2]航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊總編委會.航空發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊：第8分冊——壓氣機(jī)[K].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[3]航空航天工業(yè)部高效節(jié)能發(fā)動機(jī)文集編委會.高效節(jié)能發(fā)動機(jī)文集：第三分冊——風(fēng)扇、壓氣機(jī)設(shè)計與試驗[M].北京：航空工業(yè)出版社，1991.