基于孔探輔助轉(zhuǎn)動裝置的發(fā)動機(jī)建模研究

常博森 張晨陽 王浩廷 張家碩 武佳昱

摘要：航空發(fā)動機(jī)建模是開展仿真和半物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，對降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、減少成本具有重要作用。為研制一款用于航空發(fā)動機(jī)孔探工作的低壓轉(zhuǎn)子輔助轉(zhuǎn)動裝置，本文采用CFM56-7B發(fā)動機(jī)部件法模型，采用UG軟件，分別對發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇段、壓氣機(jī)段、燃燒室段和渦輪段進(jìn)行三維建模，再進(jìn)行組裝，建模的成果可以用來計(jì)算發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量、扭矩等參數(shù)，并滿足精度的需求。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī) ?低壓轉(zhuǎn)子 ?建模 ?UG

中圖分類號：V23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2021）10（c）-0000-00

Research on Engine Modeling Based on Borescope Auxiliary Rotation Device

CHANG Bosen1 ? ZHANG Chenyang2 ?WANG Haoting1

ZHANG Jiashuo1 ?WU Jiayu3

（1. Civil Aviation University of China， Tianjin， 300300 China; 2.Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan Province， 610031 China; 3.Chaoyang Flight Training Base of Tianjin Jepson International Flight Academy Co.，

Ltd. Chaoyang， Liaoning Province， 122000 China）

Abstract： Aeroengine modeling is an important part of simulation and semi physical experiment， which plays an important role in reducing test risk and cost. In order to develop a lowpressure rotor auxiliary rotating device for borescope detection for aeroengine， in this paper， the CFM56-7B engine component method model and UG software are used to carry out three-dimensional modeling of the fan section， compressor section， combustion chamber section and turbine section of the engine， and then assembled. The modeling results can be used to calculate the rotational inertia， torque and other parameters of the engine， and meet the requirements of accuracy.

KeyWords： Aeroengine; Low pressure rotor; Modeling; UG

發(fā)動機(jī)孔探廣泛地應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)維護(hù)與檢修工作當(dāng)中，是防空停的重要措施之一[1]，它可以在不拆卸發(fā)動機(jī)的無損狀態(tài)下，對發(fā)動機(jī)內(nèi)部進(jìn)行檢查，尤其是發(fā)動機(jī)的葉片損傷狀態(tài)[2-3]。為了便于設(shè)計(jì)一款用于孔探工作的低壓轉(zhuǎn)子輔助轉(zhuǎn)動裝置[4]，對孔探工作的對象，即航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行必要的了解很有必要，尤其是其結(jié)構(gòu)尺寸、重量、轉(zhuǎn)動慣量、扭矩等參數(shù)。航空發(fā)動機(jī)建模是開展仿真和半物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，對降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、減少成本具有重要作用[5]。該文采用UG建模軟件，對CFM56-7B航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行三維建模研究。

UG擁有許多功能模塊，可以滿足不同的建模需求，其配備了一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，允許在各種模塊間無縫交換數(shù)據(jù);同時(shí)UG在曲面的建模方面擁有優(yōu)勢，可以用來創(chuàng)建復(fù)雜的曲面[6]，比如：發(fā)動機(jī)的渦輪葉片，汽車的幾何形狀等復(fù)雜曲面。因?yàn)閁G擁有將三維模型導(dǎo)為二維草圖的功能，在后續(xù)的優(yōu)化更改以及對三維模型的檢查都具有很大的幫助。

1航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析

CFM56-7B發(fā)動機(jī)系列是用于波音737NG的發(fā)動機(jī)型號，它是雙轉(zhuǎn)子軸流式高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。從結(jié)構(gòu)上主要可以分為風(fēng)扇段、壓氣機(jī)段、燃燒室段和渦輪段。CFM56-7B雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示，低壓轉(zhuǎn)子由4級低壓壓氣機(jī)LPC（含1級風(fēng)扇）和4級低壓渦輪LPT組成，高壓轉(zhuǎn)子由9級高壓壓氣機(jī)HPC和1級高壓渦輪HPT組成。

CFM56-7B發(fā)動機(jī)風(fēng)扇段采用了24個(gè)鈦合金寬弦風(fēng)扇葉片，低壓壓氣機(jī)是整體鈦合金鍛件，高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片和前3級靜子葉片可調(diào)，靜子機(jī)匣為分半式結(jié)構(gòu)，6～9級機(jī)匣為雙層結(jié)構(gòu)，外層設(shè)有空氣引氣出口，燃燒室采用雙環(huán)預(yù)混合旋流器（TAPS），渦輪段采用主動間隙控制技術(shù)等，這些技術(shù)的采用使得CFM56-7B比CFM56-3噪聲和污染顯著降低，維護(hù)成本降低約15%。

2航空發(fā)動機(jī)模型的建立

將發(fā)動機(jī)拆解為各個(gè)小部件按順序進(jìn)行建模，即可以保證減少建模的差錯(cuò)，又可以減輕工作量以及心理負(fù)擔(dān)。拆解出來的建模順序，基本按照后續(xù)的安裝順序進(jìn)行，依次是風(fēng)扇段、低壓壓氣機(jī)段、高壓壓氣機(jī)段、燃燒室段、高壓渦輪段和低壓渦輪段。

2.1風(fēng)扇段

風(fēng)扇段主要由整流錐、整流錐安裝環(huán)、風(fēng)扇軸、風(fēng)扇葉片和外機(jī)匣組成;考慮到輔助裝置將與整流錐連接，需要通過對整流錐的建模來研究連接部件的選取。

整流錐并不是傳統(tǒng)意義上的圓錐體，其側(cè)面為帶有一定弧度的曲面，所以對于整流錐的建模重心，應(yīng)放在如何才能通過建模還原出現(xiàn)實(shí)中整流錐的弧形側(cè)表面。整流錐安裝環(huán)用于整流錐的固定，是整個(gè)發(fā)動機(jī)中比較重要的一環(huán)，但其建模過程并不復(fù)雜。整理錐安裝環(huán)可以視為一個(gè)圓臺殼體與9個(gè)圓環(huán)相貫而成的實(shí)體，圓臺殼體可通過旋轉(zhuǎn)直角梯形得到。靜子葉片部分最為復(fù)雜的部分是如何將靜子葉片固定在靜子機(jī)匣上，即如何在靜子機(jī)匣上設(shè)置一個(gè)可以繪制靜子葉片草圖的平面?？梢圆扇≡陟o子機(jī)匣外表面建立一個(gè)新平面，避免靜子葉片與靜子機(jī)匣間產(chǎn)生縫隙。

2.2壓氣機(jī)段

高壓壓氣機(jī)段由轉(zhuǎn)子部分與靜子部分組成，在建模的過程中，應(yīng)首先構(gòu)建出高壓壓氣機(jī)軸的模型，為靜子葉片與轉(zhuǎn)子葉片提供位置參照處，隨后通過手冊上提供的高壓壓氣機(jī)葉片的參數(shù)，并且參考實(shí)物照片的形狀，模擬出葉片的外形，最后，將這些放置于壓氣機(jī)軸上，構(gòu)成高壓壓氣機(jī)部分。同時(shí)，低壓壓氣機(jī)部分的模型也按照相同的方法進(jìn)行搭建，最后與高壓壓氣機(jī)部分連接。

低壓壓氣機(jī)段建模過程與高壓壓氣機(jī)相同，通過維修手冊得知，CFM-7B發(fā)動機(jī)低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子有3級，每級分別有74、78、74個(gè)葉片，在得到一個(gè)靜子葉片模型之后，通過圓形陣列命令復(fù)制即可。低壓靜子葉片數(shù)量分別為108、136、136、136，每級靜子葉片間偏轉(zhuǎn)120°以確保第一級靜子葉片的平衡。確定數(shù)據(jù)后按相同步驟進(jìn)行建模。

2.3燃燒室段建模

根據(jù)CFM公司提供的燃燒室的結(jié)構(gòu)圖，燃燒室有20個(gè)燃油噴嘴。查詢發(fā)動機(jī)維護(hù)手冊，得知進(jìn)口導(dǎo)向葉片數(shù)為44個(gè)，出口導(dǎo)向葉片數(shù)為35個(gè)。

首先計(jì)算壓氣機(jī)出口導(dǎo)向葉片所處的燃燒室機(jī)匣直徑和燃燒室出口導(dǎo)向葉片所處的渦輪機(jī)匣直徑，并大致估算燃燒室段長度。

建模時(shí)使用先繪制草圖后創(chuàng)建實(shí)體的辦法。燃燒室機(jī)匣構(gòu)造復(fù)雜，難以通過幾次命令直接建好模型，所以，將機(jī)匣分為多個(gè)簡單的回轉(zhuǎn)體，分別繪制草圖，使用“旋轉(zhuǎn)”命令得到每段的實(shí)體，再通過“加厚”功能使壁面符合實(shí)際的尺寸要求，最后將各部分合并，最終得到燃燒室機(jī)匣。同樣，首先完成火焰筒的建模。其次在燃燒室外機(jī)匣上建立基準(zhǔn)平面，使得該平面與外機(jī)匣壁面相切，在新的基準(zhǔn)平面上繪制燃油管路基座草圖并拉伸出實(shí)體。再次回到初始基準(zhǔn)平面繪制燃油管路走向，并使用“管”命令建出燃油管路模型。然后，在燃燒室機(jī)匣進(jìn)口與出口分別建立基準(zhǔn)面，繪制出葉片草圖后將其拉伸為實(shí)體，并“陣列”出相應(yīng)的葉片數(shù)目。最后在安裝邊上繪制出螺紋孔，并對一些細(xì)節(jié)進(jìn)行了處理，這樣就得到了燃燒室的模型。燃燒室半剖面圖如圖2所示。

2.4渦輪段

高壓渦輪的前端是燃燒室，并通過高壓軸與高壓壓氣機(jī)相連。在進(jìn)行建模的工作中的工作中，通過手冊提供的CFM56-7B的剖簡圖，以風(fēng)扇直徑為標(biāo)準(zhǔn)，確定了高壓渦輪的各個(gè)部位的比例尺寸，先繪制高壓渦輪的剖面圖。通過手冊中的剖面簡圖，利用UG中的繪制直線曲線等工具，盡量還原出高壓渦輪輪廓以及盤式結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，再通過回轉(zhuǎn)和拉伸等操作完成高壓渦輪主體的繪制。

低壓渦輪導(dǎo)向器機(jī)匣與低壓渦輪外機(jī)匣相連，所以先繪制低壓渦輪外機(jī)匣。最后繪制低壓渦輪軸，低壓渦輪軸穿過整個(gè)發(fā)動機(jī)，呈圓柱形且內(nèi)部中空，所以可以選擇上述繪制草圖輪廓，再通過繞Y軸旋轉(zhuǎn)拉伸的方式得到低壓渦輪軸實(shí)體。

3結(jié)語

最后對所有的分段進(jìn)行組裝，該文使用UG建立的CFM56-7B發(fā)動機(jī)三維模型尺寸、精度符合要求，為后續(xù)的重量、扭矩的計(jì)算提供了依據(jù)，對基于孔探工作的低壓轉(zhuǎn)子輔助轉(zhuǎn)動裝置研制具有重要作用。

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基金項(xiàng)目：中國民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃優(yōu)秀培育項(xiàng)目（項(xiàng)目編號： ?IEKCAUC2021013）;中國民航大學(xué)大學(xué)生“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽2021培育項(xiàng)目。 作者簡介：常博森（2001—），男，本科，研究方向?yàn)轱w行器動力工程。