航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)徑向間隙設(shè)計(jì)方法研究

張少平，蘇廷銘，羅秋生，范小洪

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

1 引言

現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)追求良好的性能、高的推重比。當(dāng)氣動(dòng)性能指標(biāo)要求越來(lái)越高時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就變得越來(lái)越重要，其中很重要的一個(gè)方面就是對(duì)葉尖徑向間隙進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。葉尖徑向間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全工作、效率、耗油率、氣動(dòng)性能穩(wěn)定以及壓氣機(jī)喘振裕度有很大的影響，對(duì)其進(jìn)行合理控制是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要環(huán)節(jié)。

目前，國(guó)外在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中已成功實(shí)現(xiàn)對(duì)壓氣機(jī)徑向間隙的主動(dòng)控制；國(guó)內(nèi)的研究主要集中在間隙流場(chǎng)[1]和間隙測(cè)量[2，3]等領(lǐng)域，未對(duì)壓氣機(jī)徑向間隙設(shè)計(jì)方法開展系統(tǒng)的研究。

本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)徑向間隙的影響因素和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，并根據(jù)壓氣機(jī)徑向間隙的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件進(jìn)行了徑向間隙分析。

2 徑向間隙的影響因素和設(shè)計(jì)方法

據(jù)文獻(xiàn)[3]介紹，轉(zhuǎn)子葉尖間隙增加葉高的1%，級(jí)效率下降1.5%。懸臂靜子葉尖間隙增加葉高的1%，級(jí)效率下降1.5%。因此，減小葉尖徑向間隙能提高壓氣機(jī)效率。但間隙過(guò)小又可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)、靜子碰摩，引起振動(dòng)增大，甚至導(dǎo)致部件損壞，發(fā)生故障。

2.1 影響徑向間隙的因素

影響壓氣機(jī)葉尖間隙的因素多且復(fù)雜，主要有：

(1)影響機(jī)匣位移的因素。主要有軸對(duì)稱和非軸對(duì)稱因素。其中軸對(duì)稱因素包括：機(jī)匣組件的熱膨脹、作用在機(jī)匣上的壓力載荷、節(jié)流引起的瞬態(tài)效應(yīng)、氣候和高度的變化及其它未知因素。非軸對(duì)稱因素包括：自重及其引起的變形、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在穩(wěn)態(tài)推力下的彎曲、發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部載荷(由引氣引起的壓力載荷)、陣風(fēng)載荷、機(jī)動(dòng)載荷(因飛機(jī)特技飛行、在進(jìn)氣畸變中飛行及飛機(jī)著陸引起)、由哥氏加速度引起的載荷、非軸對(duì)稱熱膨脹及其它未知因素。

(2)影響轉(zhuǎn)子位移的因素。主要有軸對(duì)稱和非軸對(duì)稱因素。其中軸對(duì)稱因素包括：作用在轉(zhuǎn)子組件上的離心力、熱效應(yīng)、壓力載荷，節(jié)流時(shí)的瞬態(tài)效應(yīng)(發(fā)動(dòng)機(jī)飛行循環(huán)需要)，壓氣機(jī)鼓的軸向位移，氣候變化，高度變化，及其它未知因素。非軸對(duì)稱影響因素包括：自重及其引起的變形、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在穩(wěn)態(tài)推力下的彎曲、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部載荷(由引氣引起的壓力載荷)、陣風(fēng)載荷、機(jī)動(dòng)載荷(因飛機(jī)特技飛行、在進(jìn)氣畸變中飛行及飛機(jī)著陸引起)、由哥氏加速度引起的載荷、非軸對(duì)稱熱膨脹、轉(zhuǎn)子不平衡(包括轉(zhuǎn)子彎曲和支撐結(jié)構(gòu)偏斜)及其它未知因素。

(3)零、組件制造及裝配公差因素。主要包括：構(gòu)件間隙、軸承徑向游隙、轉(zhuǎn)子徑向跳動(dòng)、機(jī)匣橢圓度及葉身高度的尺寸公差等。

需要注意的是：這些載荷和變形不是簡(jiǎn)單的代數(shù)疊加，而是應(yīng)該加以協(xié)調(diào)，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制不同階段有不同考慮。

2.2 間隙設(shè)計(jì)方法

式中：Sp為工作間隙，Sm為裝配間隙，δc為機(jī)匣內(nèi)表面在工作溫度和壓力等條件下發(fā)生的徑向位移，δd為盤緣(榫槽和葉片榫頭基準(zhǔn)處)在工作溫度和載荷等條件下的徑向位移，δb為葉身相對(duì)于葉根部分在工作條件下的徑向伸長(zhǎng)量，δy為轉(zhuǎn)、靜子相對(duì)軸向位置變化對(duì)徑向間隙的影響，δa為葉片裝配徑向活動(dòng)量，δz為支點(diǎn)徑向位置變化對(duì)徑向間隙的影響，δt為加工制造對(duì)徑向間隙的影響，K為系數(shù)。

公式(1)是在文獻(xiàn)[4]中間隙計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合本單位多年的間隙設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了完善。以下是公式(1)各項(xiàng)因素的具體計(jì)算說(shuō)明。

2.2.1 機(jī)匣、轉(zhuǎn)子、葉片的變形

機(jī)匣、轉(zhuǎn)子輪盤和葉片的變形，是壓氣機(jī)在工作狀態(tài)下熱膨脹、熱變形、氣動(dòng)負(fù)荷、離心載荷以及機(jī)動(dòng)載荷等因素引起。其變形量均可通過(guò)ANSYS軟件對(duì)機(jī)匣、轉(zhuǎn)子組件及各級(jí)葉片的三維模型進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算獲得。

2.2.2 轉(zhuǎn)、靜子相對(duì)軸向位置變化對(duì)徑向間隙的影響

由于熱膨脹、熱變形、氣動(dòng)負(fù)荷、離心載荷、機(jī)動(dòng)載荷等因素帶來(lái)的軸向位置變化和壓氣機(jī)喘振產(chǎn)生的巨大軸向變形，使得轉(zhuǎn)、靜子發(fā)生軸向位置變化。

各特征點(diǎn)總的軸向位移按公式(2)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)公式(2)右端任一項(xiàng)的符號(hào)作如下考慮：假設(shè)其它各項(xiàng)均不變，該項(xiàng)沿正方向變化，使徑向間隙增加，則該項(xiàng)前的符號(hào)取正；反之，則該項(xiàng)前的符號(hào)取負(fù)。

式中：Pm為總的軸向相對(duì)位移；Pj為機(jī)匣的軸向位移；Py為葉片的軸向位移；Pz為轉(zhuǎn)子的軸向位移；Ps為軸承的軸向活動(dòng)量，取軸承軸向間隙的最大值。

機(jī)匣、轉(zhuǎn)子、葉片的軸向位移，綜合考慮了壓氣機(jī)在工作狀態(tài)下熱膨脹、熱變形及離心載荷帶來(lái)的軸向變形量。最終，軸向位移引起的特征點(diǎn)的徑向變化量按公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

式中：ΔK為該特征點(diǎn)處的流道變化率。

2.2.3 支點(diǎn)徑向位置變化對(duì)徑向間隙的影響

由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡響應(yīng)和轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)等因素，使得前、后支點(diǎn)的位置發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致徑向間隙產(chǎn)生變化。

確定前、后支點(diǎn)的最大徑向活動(dòng)量，需判斷是否有彈性支撐及其最大限幅。根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)為彈性支撐、后支點(diǎn)為剛性支撐的特點(diǎn)，最大徑向活動(dòng)量按公式(4)折算到各特征點(diǎn)。

式中：Lq為前支點(diǎn)徑向游隙，Lf為彈性元件的限幅，Lh為后支點(diǎn)徑向游隙，Lz為特征點(diǎn)到前支點(diǎn)的距離，L為前、后支點(diǎn)的總間距。

2.2.4 裝配和加工對(duì)徑向間隙的影響

轉(zhuǎn)子葉尖和懸臂靜子葉尖在葉片零件加工中留有余量，葉尖余量需在組件中組合加工去除。而目前的加工工藝還不能實(shí)現(xiàn)讓葉片處于工作狀態(tài)進(jìn)行加工，因此無(wú)法完全消除葉片榫頭與榫槽之間的徑向裝配活動(dòng)量，故在徑向間隙設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)葉片徑向裝配活動(dòng)量予以考慮。

此外，工程實(shí)際中，由加工引起的機(jī)匣的橢圓度、轉(zhuǎn)子的偏心等也會(huì)對(duì)徑向間隙產(chǎn)生直接影響。機(jī)匣的橢圓度、轉(zhuǎn)子的偏心等以徑向跳動(dòng)來(lái)表示。

式中：ty為轉(zhuǎn)、靜子葉尖的徑向跳動(dòng)，tj為轉(zhuǎn)、靜子葉片對(duì)應(yīng)機(jī)匣或轉(zhuǎn)子鼓筒的徑向跳動(dòng)。

3 工程算例及分析

本算例是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段壓氣機(jī)徑向間隙進(jìn)行計(jì)算。在這一階段，雖然初步的飛行包線可以確定機(jī)動(dòng)載荷，但還沒(méi)有作飛行考核的具體要求，故沒(méi)有考慮機(jī)動(dòng)載荷引起的變形。因此本算例只考慮起動(dòng)-慢車-最大狀態(tài)的間隙設(shè)計(jì)。

根據(jù)某發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的試驗(yàn)要求，按時(shí)間歷程結(jié)合空氣系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場(chǎng)評(píng)估和強(qiáng)度專業(yè)對(duì)不同加溫及轉(zhuǎn)速評(píng)估的各零件的變形量，以第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖某特征點(diǎn)(R1)間隙為例進(jìn)行計(jì)算。

3.1 初始裝配的安裝間隙

初始裝配時(shí)轉(zhuǎn)子葉尖的冷態(tài)間隙值、軸向變化引起的徑向變化量、安裝間隙、支點(diǎn)活動(dòng)引起的特征點(diǎn)變化量和加工制造對(duì)徑向間隙的影響的具體值見表1。

表1 實(shí)測(cè)間隙mmTable 1 Real radial clearance

3.2 零件的變形量

時(shí)間歷程中各零件的變形量見表2。轉(zhuǎn)子和機(jī)匣變形量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)分別見圖1、圖2。

表2 各時(shí)間歷程中特征點(diǎn)的變形Table 2 Time history of components transformation

3.3 間隙計(jì)算結(jié)果

各時(shí)間歷程的間隙預(yù)估結(jié)果見表3。根據(jù)公式(1)計(jì)算出的表3中各種狀態(tài)下徑向間隙隨時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖3。

表3 徑向間隙計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of radial clearance

3.4 壓氣機(jī)徑向間隙分析

根據(jù)圖3所示的轉(zhuǎn)子葉尖徑向間隙隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可知：發(fā)動(dòng)機(jī)從起動(dòng)、慢車、加速到最大狀態(tài)，再由最大狀態(tài)過(guò)渡到慢車狀態(tài)的過(guò)程中，其最小間隙發(fā)生在加速過(guò)程中。這一變化趨勢(shì)符合渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)間隙變化規(guī)律，同時(shí)也與國(guó)外相關(guān)報(bào)道相符[5]。

此外，采用該間隙設(shè)計(jì)值的壓氣機(jī)通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)考核，試驗(yàn)性能滿足設(shè)計(jì)要求，且試驗(yàn)后的分解檢查未發(fā)現(xiàn)葉片與機(jī)匣有碰磨痕跡。

4 結(jié)論

(1)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)徑向間隙的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，提出了更完善的徑向間隙設(shè)計(jì)方法。

(2)采用該間隙設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的間隙，能滿足壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子間工作間隙的設(shè)計(jì)要求。

(3)如何優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子間的徑向間隙，還需對(duì)間隙測(cè)量、試驗(yàn)驗(yàn)證等作進(jìn)一步深入研究，不斷完善徑向間隙設(shè)計(jì)方法。

[1]賴煥新，吳克啟.軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)流數(shù)值模擬及葉頂間隙泄露分析[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，1998，19(5)：577—580.

[2]陳炳貽.葉尖間隙對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響和測(cè)量技術(shù)[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1996，9(2)：40—43.

[3]熊宇飛.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙測(cè)量[J].測(cè)控技術(shù)，2004，23(1)：5—7.

[4]航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第8冊(cè)——壓氣機(jī)[K].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[5]中國(guó)航空工業(yè)總公司發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工程局.渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：第6分冊(cè)——轉(zhuǎn)子系統(tǒng)[K].1997.