R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)的研制

崔榮繁，陳克杰，郭寶亭

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110015）

0 引言

R0110燃?xì)廨啓C(jī)是在國家科技部“十五”863計劃能源領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)重大專項下研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重型燃?xì)廨啓C(jī)。其研制由總承擔(dān)單位—中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，總設(shè)計師單位—中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，參研單位—國內(nèi)相關(guān)科研院所、高等院校、大型企業(yè)等9家單位，采用“官產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合模式進(jìn)行。

R0110燃?xì)廨啓C(jī)采用繼承、借鑒和創(chuàng)新的方法研制，達(dá)到國外20世紀(jì)90年代重型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品（介于E級和F級之間）的性能指標(biāo)，提升了中國重型燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)品水平。

1 設(shè)計工作

R0110燃?xì)廨啓C(jī)是1臺單軸、雙支點（滑動軸承）、前輸出的用于單獨供電或熱電聯(lián)供的基本負(fù)荷供電及尖峰負(fù)荷調(diào)峰的重型燃?xì)廨啓C(jī)。其設(shè)計是在繼承已有的航空發(fā)動機(jī)和航改燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)與經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，并參考國內(nèi)外重型燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)資料并創(chuàng)新技術(shù)完成的。該燃?xì)廨啓C(jī)性能指標(biāo)為：在ISO條件下，輸出功率為110 MW，熱效率為35%，NOx排放量小于50 mg/m3，達(dá)到了國外20世紀(jì)90年代重型燃?xì)廨啓C(jī)（介于E級和F級之間）的水平，在壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪部件設(shè)計方面具有更先進(jìn)的水平。

1.1 總體設(shè)計

R0110燃?xì)廨啓C(jī)的總體設(shè)計是在參考樣機(jī)資料的基礎(chǔ)上，依據(jù)航改燃?xì)廨啓C(jī)總體設(shè)計體系完成。主要包括：

（1）在標(biāo)準(zhǔn)大氣額定狀態(tài)點，對熱力循環(huán)進(jìn)行計算和相互驗證；

（2）在通用發(fā)動機(jī)計算程序的基礎(chǔ)上，針對燃?xì)廨啓C(jī)的特點編制重型燃?xì)廨啓C(jī)計算模型，計算變工況性能，重點保證比功、熱效率、喘振裕度計算、變載荷能力等參數(shù)設(shè)置；

（3）確定臺架試車和外場調(diào)試的全部測試參數(shù)和測試要求；

（4）提出對控制系統(tǒng)的要求；

（5）完成方案總安裝圖設(shè)計及總裝目錄編制工作；

（6）完成總體協(xié)調(diào)圖設(shè)計；

（7）完成外部管路設(shè)計及外部管路目錄；

（8）編寫制造加工必要的技術(shù)文件與標(biāo)準(zhǔn)等。

1.2 壓氣機(jī)設(shè)計

在參考樣機(jī)的基礎(chǔ)上，按照總體設(shè)計要求，R0110燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)確定為軸流式，15級，壓比為14.82，絕熱效率為83.88%。

在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，為了保證發(fā)動機(jī)起動時壓氣機(jī)能可靠工作，在進(jìn)氣氣缸上設(shè)有根據(jù)發(fā)動機(jī)的起動規(guī)律工作的進(jìn)口可調(diào)靜子葉片。為了提高壓氣機(jī)在低狀態(tài)工作的穩(wěn)定性，在第1、2級工作葉片的葉尖處采用處理機(jī)匣技術(shù)，在壓氣機(jī)第5、10和15級后設(shè)計了放氣活門。

為了更好的驗證總體設(shè)計要求，優(yōu)化壓氣機(jī)的起動結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了大量數(shù)值模擬，主要包括：

（1）考慮變比熱，使用S2子午面2維計算程序和商用3維CFD軟件在設(shè)計點工況下對壓氣機(jī)進(jìn)行工作點的性能分析計算。計算結(jié)果顯示，總性能、級性能和各級流場參數(shù)基本一致。

（2）采用多級軸流壓氣機(jī)1維特性計算程序，對15級壓氣機(jī)的不可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)流葉片角度基本特性、進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)流葉片由+5°～-25°時高轉(zhuǎn)速調(diào)角度特性、關(guān)進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)流葉片角度工況的低轉(zhuǎn)速放氣特性計算。

壓氣機(jī)的具體結(jié)構(gòu)最終包括進(jìn)氣氣缸、轉(zhuǎn)子前支撐、進(jìn)口可調(diào)靜子葉片、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、第1～15級氣缸、擴(kuò)壓器、放氣活門等。

1.3 燃燒室設(shè)計

由于原型樣機(jī)中燃燒室部分的資料比較少，所以R0110燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室基本屬于自主研發(fā)設(shè)計，工作難度很大。根據(jù)設(shè)計要求，確定R0110燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室為干式低污染（DLE）逆流環(huán)管型燃燒室。其主體結(jié)構(gòu)主要由錐形外殼、燃燒室外殼、20個火焰筒、噴油組件、燃油總管等組成，燃燒室布置于壓氣機(jī)外側(cè)。這樣的結(jié)構(gòu)布局可以縮短轉(zhuǎn)子的軸向長度，增大轉(zhuǎn)子剛性。R0110燃?xì)廨啓C(jī)的燃料系統(tǒng)向火焰筒提供天然氣和柴油2種燃料，其中天然氣為主燃料，柴油作為應(yīng)急燃料，從1種燃料向另1種燃料的過渡無需發(fā)動機(jī)停車就可以完成。

1.3.1 開孔位置設(shè)計

為了設(shè)計DLE燃燒室的開孔位置，搜集并分析了國內(nèi)外有關(guān)資料，開發(fā)了DLE燃燒室火焰筒開孔規(guī)律設(shè)計方法，采用該方法得到的火焰筒流量分配和開孔規(guī)律與設(shè)計打樣圖上尺寸基本一致。由此基本掌握了DLE燃燒室火焰筒開孔規(guī)律的設(shè)計方法。

1.3.2 性能估算方法

已有的環(huán)管式燃燒室性能估算方法，是由常規(guī)燃燒室的性能試驗結(jié)果和定型發(fā)動機(jī)燃燒室的性能數(shù)據(jù)總結(jié)而來。為了適應(yīng)R0110燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的預(yù)混、貧油特性，對已有程序進(jìn)行了修改，并以此方法對該燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的性能進(jìn)行了計算。燃燒室流體損失、效率、出口溫度場品質(zhì)等燃燒室性能數(shù)據(jù)計算值與設(shè)計值基本相同。由此基本掌握了DLE燃燒室性能的估算方法。

1.3.3 燃料流量分配估算方法

由于R0110燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室火焰筒為分級燃燒，為保持燃燒室出口溫度場具有確定的不均勻度，保持燃燒室中具有一定的空氣壓力脈動值和脈動頻率，必須保持燃料在各燃燒區(qū)之間進(jìn)行確定的分配，開發(fā)了DLE燃燒室燃料流量分配設(shè)計方法，采用該方法對DLE燃燒室燃料流量分配進(jìn)行了計算，計算結(jié)果與設(shè)計要求基本一致。由此基本掌握了DLE燃燒室燃料流量分配的估算方法。

1.3.4 火焰筒設(shè)計

為了降低燃燒產(chǎn)物中污染物的含量，R0110燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室火焰筒的設(shè)計與常規(guī)火焰筒的有顯著區(qū)別：

（1）火焰筒結(jié)構(gòu)不同。R0110燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的單個火焰筒由環(huán)形火焰筒和主火焰筒組合而成，在低功率狀態(tài)時，環(huán)形火焰筒保證燃燒完全，污染物排放減少；在高功率狀態(tài)時，環(huán)形火焰筒可作為均勻預(yù)混區(qū)使用。

（2）燃燒方式不同。R0110燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室采用均勻預(yù)混燃燒，以降低NOx排放；而常規(guī)火焰筒采用擴(kuò)散燃燒，燃料和空氣沒有經(jīng)過預(yù)先混合。

（3）火焰溫度不同。R0110燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的均勻預(yù)混燃燒將火焰溫度控制在1500～1800 K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于擴(kuò)散燃燒的火焰溫度。

（4）長度不同。R0110燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室火焰筒的長度約為常規(guī)燃燒室的2倍，因而火焰筒的容熱強度比常規(guī)燃燒室的低得多，可滿足火焰筒長壽命的需要，同時延長燃?xì)庠诨鹧嫱矁?nèi)的駐留時間，有利于降低燃燒產(chǎn)物中CO的含量。

1.3.5 試驗驗證

在工程設(shè)計基礎(chǔ)上，還對R0110燃?xì)廨啓C(jī)的單管燃燒室進(jìn)行了模擬試驗，包括冷態(tài)流體損失試驗、起動點火試驗等，在整個試驗過程中，保持燃燒室進(jìn)口溫度、進(jìn)口馬赫數(shù)、余氣系數(shù)與設(shè)計值相等。試驗表明：各項性能指標(biāo)都滿足了設(shè)計要求，并根據(jù)試驗結(jié)果對燃燒室的火焰筒開孔位置、燃料分配等做了適當(dāng)調(diào)整。

為了驗證R0110燃?xì)廨啓C(jī)DLE燃燒室在實際運行工況下的性能特征，采用3維CFD計算軟件，對燃燒室在設(shè)計點工況下進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，將計算結(jié)果與單管試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，計算得到的燃燒室出口溫度場分布和溫度場品質(zhì)與試驗結(jié)果比較接近。

通過化學(xué)動力學(xué)計算軟件對R0110燃?xì)廨啓C(jī)DLE燃燒室的NOx排放進(jìn)行了評估，經(jīng)對比，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合得很好。

綜上所述，為了滿足R0110燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的設(shè)計要求，發(fā)展了適合重型燃?xì)廨啓C(jī)特點的DLE燃燒室的預(yù)混方式、組織燃燒模式、燃料調(diào)節(jié)模式、火焰筒開孔規(guī)律、保證低污染物排放等設(shè)計方法，采用單管燃燒室試驗和數(shù)值模擬方法對燃燒室的性能和特征參數(shù)進(jìn)行了對比驗證，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了局部設(shè)計。

1.4 透平設(shè)計

R0110燃?xì)廨啓C(jī)透平的設(shè)計是在參考樣機(jī)部分圖紙資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)航改燃?xì)廨啓C(jī)渦輪設(shè)計體系完成的。透平采用4級軸流式結(jié)構(gòu)，包括4級透平隔板、透平轉(zhuǎn)子、內(nèi)殼體和透平支承環(huán)裝配組件。

透平的第1～3級靜子葉片為氣冷葉片，第1級靜子葉片表面噴涂陶瓷隔熱涂層，第2級靜子葉片表面覆蓋JT-G隔熱涂層。透平第1～3級氣冷葉片主要采用不同結(jié)構(gòu)和形式的肋，形成矩陣式結(jié)構(gòu)，葉盆和葉背的肋板是相互交錯的，有的還相互垂直，使葉片內(nèi)部形成密布的迷宮式結(jié)構(gòu)，冷卻空氣進(jìn)入葉片內(nèi)腔后，沿肋板形成的通道迂回流動，強迫冷卻氣體進(jìn)入葉片內(nèi)的各部位，使冷卻氣體形成局部渦流，加強冷卻效果。透平的第1～2級轉(zhuǎn)子葉片也為氣冷葉片，將葉片分為前、后2個腔室，冷卻空氣采用環(huán)繞和對流的冷卻方式，第1級轉(zhuǎn)子葉片表面噴涂陶瓷隔熱涂層，第2級轉(zhuǎn)子葉片表面覆蓋JT-G隔熱涂層。

對于R0110燃?xì)廨啓C(jī)透平，首先對4級透平中徑處進(jìn)行1維流場計算程序分析其特性，計算考慮了變工況、冷氣摻混以及流道冷熱態(tài)的影響，并考慮了速度系數(shù)和葉片攻角之間的關(guān)系。計算結(jié)果顯示:該轉(zhuǎn)子在3000 r/min的轉(zhuǎn)速下能夠保證發(fā)動機(jī)在額定點工作所必須的參數(shù)要求。

2維正問題透平流場計算是摸底工作中的最重要過程，通過計算可以摸清該設(shè)計的原始參數(shù)，為進(jìn)一步自主設(shè)計打下堅實基礎(chǔ)。在參考樣機(jī)圖紙的基礎(chǔ)上，通過對葉根、葉中、葉尖3個截面的S22維正問題進(jìn)行計算分析，對透平葉片進(jìn)行了摸底計算，并與外方專家的計算結(jié)果進(jìn)行對比。S22維正問題計算詳細(xì)分析了透平中9項損失，詳細(xì)考慮了透平中9種冷卻結(jié)構(gòu)的影響，甚至考慮了葉片力的影響。此計算過程實際上相當(dāng)于1個準(zhǔn)3維過程。與外方專家的計算相比，本計算更加復(fù)雜深入，計算量龐大，可信度更高。通過對比計算過程，使得對大尺寸透平結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該重點考慮的問題有了更深入完整的認(rèn)識。

1.5 強度設(shè)計

R0110燃?xì)廨啓C(jī)的透平設(shè)計重點為長壽命和高可靠性。在參考樣機(jī)的基礎(chǔ)上，對其強度設(shè)計進(jìn)行了深入分析和計算仿真，并通過與外方專家溝通，結(jié)合國內(nèi)的實際情況，進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，最終保證了設(shè)計的可行性。

R0110燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的強度設(shè)計包括對壓氣機(jī)、透平的強度分析。分別采用傳統(tǒng)計算方法和現(xiàn)代有限元計算仿真分析方法對各級轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行了強度計算和振動分析，包括葉身和榫頭的強度計算和校核。計算結(jié)果表明各級轉(zhuǎn)子葉片滿足強度標(biāo)準(zhǔn)的要求。根據(jù)參考樣機(jī)資料，通過轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析，提出了4種改變臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計方案，并對各種方案進(jìn)行了對比分析和可行性論證，最后根據(jù)試驗數(shù)據(jù)選擇了最終方案。

1.6 材料與工藝

重型燃?xì)廨啓C(jī)的使用特點決定了它對材料的要求，即長壽命、高強度、工藝性和經(jīng)濟(jì)性好。在選材后，提出了一些當(dāng)時國內(nèi)尚沒有的合金材料，以及一些大型鍛件與鑄件。為了解決沒有合金問題，由北京鋼鐵研究總院和上鋼五廠共同研制了用于壓氣機(jī)盤的OCr11Ni2MoVNb、用于透平盤的GH2674以及用于壓氣機(jī)葉片的1Cr16Ni2MoN；由中科院沈陽金屬研究所研制了用作透平轉(zhuǎn)子葉片和導(dǎo)向葉片的K4104、K488、K4091母合金等。針對既大又重且加工精度要求很高的大型鍛件與鑄件，在首臺份研制生產(chǎn)中，解決了以下主要難點：

（1）大型盤（透平盤和壓氣機(jī)盤）鍛件毛料的制造，并保證盤上各點處材質(zhì)、性能參數(shù)均符合設(shè)計要求。

（2）大型薄壁盤類件的加工，特別是銑、拉槽（燕尾槽或縱樹型榫槽）加工。上海汽輪機(jī)廠為銑加工高溫合金鋼的透平盤上的縱樹型榫槽并鉆槽底深孔，專門設(shè)計制造了專用機(jī)床來保證加工精度。

（3）透平工作葉片與導(dǎo)向葉片特別是中空冷卻葉片的無余量精鑄工藝、脫芯工藝等高難度工藝。由聯(lián)合體的4家單位共同分擔(dān)透平8組葉片的攻關(guān)制造。

（4）大型薄壁環(huán)類零件的燕尾槽銑削或數(shù)控線切割加工，對于研制階段單件試制時采用線切割加工燕尾槽有其優(yōu)勢可取。

（5）轉(zhuǎn)子盤組件的盤間加工采用真空電子束焊工藝。

（6）進(jìn)氣機(jī)匣的整體鑄造與加工。

（7）DLE燃燒室中火焰筒、噴嘴的生產(chǎn)。

（8）壓氣機(jī)、透平的單盤立式平衡，轉(zhuǎn)子臥式動平衡以及壓氣機(jī)-透平轉(zhuǎn)子的整個動平衡工藝。

（9）整機(jī)總裝配特別是需要由垂直裝配轉(zhuǎn)到水平裝配的翻轉(zhuǎn)工藝。為此專門設(shè)計制造了豎直裝配平臺與翻轉(zhuǎn)工裝。

1.7 其它重大設(shè)計改進(jìn)

在完成R0110燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計評審后，根據(jù)研制過程中制造的實際需要，進(jìn)行了若干項必要的設(shè)計改進(jìn)，主要包括：

（1）進(jìn)口可調(diào)葉片伺服調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改為液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，提高了工作可靠性；

（2）優(yōu)化透平第3、4級鋸齒形葉冠，使工作葉片壽命延長和可靠性提高；

（3）增強前支點剛度，使轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速提高；

（4）進(jìn)氣氣缸由原來的焊接結(jié)構(gòu)改為鑄造結(jié)構(gòu)，改善了加工工藝性；

（5）壓氣機(jī)第4級軸徑盤由焊接結(jié)構(gòu)改為可分解的螺栓聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，改善了加工工藝性；

（6）壓氣機(jī)出口擴(kuò)壓器由整環(huán)焊接結(jié)構(gòu)改為豎直對分結(jié)構(gòu)，簡化了轉(zhuǎn)子的動平衡調(diào)試；

（7）修改透平第2級動葉片的葉根結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低葉身根部截面的應(yīng)力水平，延長了葉片的使用壽命；

（8）修改透平第2級氣缸的水平對開整體結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后安裝邊與氣缸壁采用焊接方式，改善了加工工藝性；

（9）改進(jìn)了壓氣機(jī)第5級后放氣活門機(jī)構(gòu)。

2 結(jié)束語

通過聯(lián)合體各成員單位的通力合作和共同努力，R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)于2008年6月24日1次點火成功，7月19日成功實現(xiàn)了臺架空負(fù)荷全轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，9月16日通過了第3方驗證，并于同年12月28日正式通過了國家科技部組織的階段性驗收。

通過R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)的研制，積累了大量的設(shè)計、試驗和調(diào)試經(jīng)驗，培養(yǎng)和鍛煉了1支業(yè)務(wù)精煉的重型燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)隊伍。R0110重型燃?xì)廨啓C(jī)的研制成功，填補了中國在自主設(shè)計工業(yè)用大功率重型燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的空白，同時提升了中國整個重型燃?xì)廨啓C(jī)工業(yè)的技術(shù)水平，對于帶動相關(guān)設(shè)計、加工制造、試驗、材料、機(jī)電控制等技術(shù)的全面發(fā)展具有重要意義。

[1]李孝堂.發(fā)展中的中國一航燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)[J].航空發(fā)動機(jī)，2006，32（2）：14-16.

[2]楊養(yǎng)花,李守秋,李鑫.某重型燃?xì)廨啓C(jī)渦輪部件結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].航空發(fā)動機(jī),2010,36（2）：13-15.