民用大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖間隙控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

張 清，郝 勇，霍 楓，牛 坤

(中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所航機(jī)總體設(shè)計(jì)二部，沈陽(yáng)110015)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)間隙控制是指對(duì)轉(zhuǎn)靜子軸向間隙和徑向間隙的控制［1］。合理的設(shè)計(jì)間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率與安全性有著十分重要的影響。據(jù)估算一臺(tái)先進(jìn)的雙級(jí)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其徑向間隙若增加1 mm，渦輪效率約降低2.5%，這將引起發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率增加約 2.6%［2－3］。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量考慮使發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中的葉尖間隙保持在初始設(shè)計(jì)值，避免機(jī)動(dòng)飛行、通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速以及振動(dòng)過(guò)大等狀態(tài)下發(fā)生轉(zhuǎn)、靜子之間的碰磨，進(jìn)而引起間隙喪失。就壽命周期費(fèi)用而言，在民航機(jī)上通過(guò)減小渦輪葉尖間隙所獲得的效益又是戰(zhàn)斗機(jī)的2倍［4－5］?？梢?jiàn)，針對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行葉尖間隙控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要工程意義。

首先對(duì)葉尖間隙的影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析，并指出葉尖間隙控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的載荷因素;其次總結(jié)間隙設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合部件特點(diǎn)分別給出壓氣機(jī)和渦輪葉尖間隙的設(shè)計(jì)方法;然后對(duì)葉尖間隙控制機(jī)理進(jìn)行分析，總結(jié)主動(dòng)間隙控制、被動(dòng)間隙控制和重建密封的間隙控制方法;最后對(duì)常用間隙控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，總結(jié)了大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的葉尖間隙控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1 間隙變化影響因素

葉尖間隙設(shè)計(jì)的研究工作是一項(xiàng)系統(tǒng)而又專業(yè)的綜合設(shè)計(jì)工作，它涉及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的多個(gè)部分，同時(shí)又受到多種因素影響。開(kāi)展間隙設(shè)計(jì)的前提是明確葉尖間隙變化的影響因素，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上減小或避免各因素對(duì)間隙設(shè)計(jì)值的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)的葉尖間隙受到間隙設(shè)計(jì)初始值、發(fā)動(dòng)機(jī)工作載荷和飛行載荷的影響，其由裝配狀態(tài)以及工作中的靜子變形、轉(zhuǎn)子變形共同決定［6－7］，因此需要分別對(duì)可能引起靜子、轉(zhuǎn)子變形的因素進(jìn)行全面分析。

1.1 靜子變形影響因素

引起靜子變形的載荷主要為穩(wěn)態(tài)載荷，包括溫度載荷、氣動(dòng)載荷、機(jī)動(dòng)飛行載荷和其他載荷。

(1)溫度載荷。在發(fā)動(dòng)機(jī)各種工作狀態(tài)下，溫度載荷將引起機(jī)匣零、部件的熱膨脹和變形。尤其是高壓壓氣機(jī)機(jī)匣和渦輪機(jī)匣，這種變形是影響徑向間隙十分重要的因素。

(2)氣動(dòng)載荷。某些機(jī)匣組件內(nèi)外壁氣動(dòng)載荷壓力差較大時(shí)，將使機(jī)匣存在一定的膨脹變形。

(3)機(jī)動(dòng)飛行載荷。是飛機(jī)在機(jī)動(dòng)飛行過(guò)程中，機(jī)動(dòng)載荷以及不對(duì)稱的安裝節(jié)反作用力會(huì)使機(jī)匣產(chǎn)生橢圓變形，橢圓變形程度主要取決于載荷大小和靜子結(jié)構(gòu)的周向比剛度。

(4)其他載荷。發(fā)動(dòng)機(jī)自重、陣風(fēng)載荷以及其他未知因素引起的機(jī)匣變形。

1.2 轉(zhuǎn)子變形影響因素

引起轉(zhuǎn)子變形的載荷分為穩(wěn)態(tài)載荷和振動(dòng)載荷［1］，穩(wěn)態(tài)載荷主要包括溫度載荷、離心載荷、機(jī)動(dòng)飛行載荷和重力載荷等，振動(dòng)載荷主要包括不平衡載荷、喘振載荷、沖擊載荷等。

1.2.1 穩(wěn)態(tài)載荷

(1)溫度載荷。在發(fā)動(dòng)機(jī)各種工作狀態(tài)下，溫度載荷將引起葉片和輪盤(pán)的熱變形，這種變形是影響徑向間隙的重要因素。

(2)離心載荷。在發(fā)動(dòng)機(jī)各種工作狀態(tài)下，隨工作轉(zhuǎn)速的不同，葉片和輪盤(pán)在離心力作用下沿徑向伸長(zhǎng)，在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中變形很大，這種變形也是影響徑向間隙的重要因素。

(3)機(jī)動(dòng)飛行載荷。是飛機(jī)在機(jī)動(dòng)飛行過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子的慣性和陀螺效應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的載荷。陀螺效應(yīng)使轉(zhuǎn)子在支承位置承受力偶作用，進(jìn)而產(chǎn)生彎曲變形。

(4)其他載荷。發(fā)動(dòng)機(jī)自重引起的轉(zhuǎn)子彎曲變形、氣動(dòng)載荷引起軸向變形帶來(lái)的徑向位移分量、非軸對(duì)稱熱膨脹帶來(lái)的轉(zhuǎn)子彎曲等。

1.2.2 振動(dòng)載荷

(1)不平衡載荷。轉(zhuǎn)子不平衡量是指轉(zhuǎn)子經(jīng)動(dòng)平衡后殘余的最大不平衡量，加上由于轉(zhuǎn)子磨損、運(yùn)行過(guò)程中裝配緊度變化造成的允許惡化量。這些不平衡量應(yīng)該由統(tǒng)計(jì)分析得到，并且認(rèn)為不平衡量主要分布在各葉片級(jí)上，通過(guò)穩(wěn)態(tài)諧響應(yīng)分析得到轉(zhuǎn)子的振動(dòng)變形。

(2)喘振載荷。壓氣機(jī)喘振不僅產(chǎn)生很大的軸向力，同時(shí)由于喘振流場(chǎng)的非軸對(duì)稱而對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生橫向載荷。柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對(duì)這些喘振載荷是特別敏感的，將產(chǎn)生振動(dòng)變形。

(3)沖擊載荷。飛機(jī)在實(shí)際飛行中不可避免的會(huì)遇到一些突發(fā)情況，如葉片掉角、外物打傷等，將對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊載荷。在沖擊載荷作用下，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)瞬態(tài)振動(dòng)突然增大，可引發(fā)轉(zhuǎn)靜子部件嚴(yán)重碰摩［8－9］、刮蹭起火、“抱軸”、發(fā)動(dòng)機(jī)意外停車(chē)等損毀事故，嚴(yán)重影響飛機(jī)的飛行安全。葉尖間隙的精確設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)考慮沖擊載荷的影響。

1.3 其他因素

轉(zhuǎn)靜子裝配公差因素對(duì)葉尖間隙影響很難通過(guò)數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確獲得，通常需要結(jié)合實(shí)際工藝水平通過(guò)測(cè)試由統(tǒng)計(jì)分析得到，主要包括轉(zhuǎn)子初始彎曲、轉(zhuǎn)子熱彎曲和軸承游隙等。

(1)轉(zhuǎn)子初始彎曲。轉(zhuǎn)子由于加工誤差、裝配不良、對(duì)中不好或工作中變形等原因常導(dǎo)致轉(zhuǎn)子有原始彎曲變形;

(2)轉(zhuǎn)子熱彎曲。發(fā)動(dòng)機(jī)在停車(chē)后，由于熱交換不均會(huì)使轉(zhuǎn)子呈彎曲狀態(tài)，這時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子以初始熱彎曲狀態(tài)工作，會(huì)產(chǎn)生較大的激振力，引起轉(zhuǎn)子變形。

(3)軸承間隙。機(jī)加和裝配造成的軸承徑向游隙和偏心等。

2 葉尖間隙設(shè)計(jì)方法

間隙控制設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工作狀態(tài)下將轉(zhuǎn)子和機(jī)匣之間的徑向間隙保持最小，且在正常飛行條件下不發(fā)生摩擦。在整機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段，在風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪、低壓渦輪每一部件臨界轉(zhuǎn)速條件下，綜合考慮上述因素對(duì)間隙的影響，確定所需的最小徑向間隙。需要注意的是這些影響因素和引起的變形不是簡(jiǎn)單的代數(shù)疊加，而是應(yīng)該加以協(xié)調(diào)，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)研制的不同階段、針對(duì)不同的部件，應(yīng)考慮的重點(diǎn)也有所不同。

在發(fā)動(dòng)機(jī)冷裝配狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子和機(jī)匣之間的徑向間隙可以通過(guò)將機(jī)匣和轉(zhuǎn)子的膨脹響應(yīng)曲線疊加在一起而求得。機(jī)匣響應(yīng)曲線的位置是通過(guò)使兩曲線之差(徑向間隙)最小，且保證在發(fā)動(dòng)機(jī)所有工作狀態(tài)下具有所需的間隙來(lái)確定。徑向間隙與所需徑向間隙相等的時(shí)間點(diǎn)稱之為最小間隙點(diǎn)。圖1［10］給出一典型高壓渦輪葉片的最終熱力膨脹響應(yīng)曲線，并示出在冷態(tài)裝配狀態(tài)、慢車(chē)狀態(tài)、最小間隙點(diǎn)、海平面標(biāo)準(zhǔn)條件下的起飛狀態(tài)和巡航狀態(tài)徑向間隙。

高壓渦輪和低壓渦輪的間隙主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)加速和減速等瞬態(tài)條件下的渦輪轉(zhuǎn)子和機(jī)匣變形響應(yīng)，確定是否滿足目標(biāo)間隙值。風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)的間隙主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)條件下的轉(zhuǎn)子和機(jī)匣膨脹響應(yīng)，確定是否滿足目標(biāo)間隙值，因?yàn)檫@些部件的設(shè)計(jì)僅在穩(wěn)態(tài)起飛時(shí)需保證最小間隙點(diǎn)［10］。

圖1 典型的最終熱響應(yīng)曲線

3 間隙控制方法

為了滿足間隙控制的目標(biāo)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)間隙控制按照控制機(jī)理可以分為避免摩擦和修補(bǔ)或重建葉尖密封兩種方式［3］。

3.1 避免摩擦

按照間隙控制的形式避免摩擦的方式又分為主動(dòng)間隙控制和被動(dòng)間隙控制。

(1)主動(dòng)間隙控制

主動(dòng)間隙控制是指允許在一個(gè)以上的工作點(diǎn)獨(dú)立的設(shè)置要得到的間隙，主要是使整個(gè)飛行軌跡中間隙保持最小。包括使用壓氣機(jī)或風(fēng)扇空氣分別加熱或冷卻外環(huán)塊以改變?nèi)~尖間隙的主動(dòng)熱控制，使用專用傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)裝置以改變?nèi)~尖間隙的主動(dòng)機(jī)械控制，使用發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)、外部產(chǎn)生的壓力控制引氣閥門(mén)直接的或通過(guò)一些膜盒布置改變?nèi)~尖徑向間隙的主動(dòng)氣動(dòng)控制。

(2)被動(dòng)間隙控制

被動(dòng)間隙控制是指在某一個(gè)瞬態(tài)(如起飛狀態(tài)、反推力狀態(tài)、機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài)等)工作點(diǎn)設(shè)置要得到的間隙，主要是使整個(gè)飛行軌跡中轉(zhuǎn)子和靜子更好的協(xié)調(diào)增長(zhǎng)，使用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少變形，使用耐磨層減少葉尖磨損，使用硬度高的材料和加工技術(shù)限制或促進(jìn)靜子部件彎曲以維持和改善極限條件下的機(jī)匣圓度等。

3.2 重建葉尖密封

重建或修復(fù)葉尖密封的方法是運(yùn)用特殊材料，使其在經(jīng)歷熱、化學(xué)和電作用時(shí)能增加零件尺寸，用以修復(fù)因摩擦和侵蝕破壞的葉尖密封。這種控制形式可以應(yīng)用在高壓渦輪中，利用高壓渦輪的外界的溫度、空氣等環(huán)境條件進(jìn)行被動(dòng)控制，同時(shí)也可以利用電勢(shì)、添加劑、溫度等環(huán)境條件加快和降低化學(xué)反應(yīng)的速度用來(lái)進(jìn)行主動(dòng)控制。重建葉尖密封的間隙控制方式受到間隙均勻變化(如圓周周?chē)牟牧显鲩L(zhǎng)如何一致)、間隙變化的方向(如系統(tǒng)將沿徑向增正而不沿軸向增長(zhǎng))、強(qiáng)度、增長(zhǎng)限度等問(wèn)題的影響。任何一種修復(fù)方式都需要控制增長(zhǎng)幅值，防止葉尖過(guò)渡磨損。

4 間隙控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及分析

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中即考慮葉尖間隙的控制，保持工作過(guò)程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免轉(zhuǎn)靜子摩擦，是被動(dòng)間隙控制的方式之一。本節(jié)以結(jié)構(gòu)形式為基礎(chǔ)，從控制轉(zhuǎn)子變形、控制靜子變形、保持葉尖間隙均勻和改善轉(zhuǎn)靜子變形協(xié)調(diào)性等方面著手，進(jìn)行間隙控制設(shè)計(jì)分析。

4.1 控制轉(zhuǎn)子變形

針對(duì)大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，控制轉(zhuǎn)子變形的結(jié)構(gòu)形式主要包括短跨距簡(jiǎn)支的剛性高壓轉(zhuǎn)子、具有最佳軸承位置的三支點(diǎn)低壓轉(zhuǎn)子。

(1)高壓轉(zhuǎn)子。短跨距簡(jiǎn)支的剛性高壓轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)圖如圖2所示［2］。兩主軸承分別處于高壓壓氣機(jī)第二級(jí)的下面和緊接在高壓渦輪轉(zhuǎn)子之后，支點(diǎn)跨距不超過(guò)1 000 mm。高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪由一大直徑圓柱面定心、短螺栓連接的剛性聯(lián)軸器聯(lián)接。壓氣機(jī)后軸與封嚴(yán)盤(pán)之間為φ335H7/r6的過(guò)盈配合，封嚴(yán)盤(pán)與渦輪軸之間是φ334H7/r6的過(guò)盈配合。這種結(jié)構(gòu)通過(guò)提高轉(zhuǎn)子的剛性，降低機(jī)動(dòng)飛行時(shí)高壓轉(zhuǎn)子對(duì)機(jī)匣的變形。同時(shí)，在支撐結(jié)構(gòu)附近放上較大的轉(zhuǎn)子重量，避免出現(xiàn)引起轉(zhuǎn)子大徑向撓度的懸臂轉(zhuǎn)子級(jí)，使轉(zhuǎn)子和靜子的結(jié)構(gòu)撓度特性大致相同，降低高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪連接軸的彎曲撓度。

圖2 轉(zhuǎn)子支承簡(jiǎn)圖

(2)低壓轉(zhuǎn)子。具有最佳軸承位置的三軸承支點(diǎn)的低壓轉(zhuǎn)子簡(jiǎn)圖如圖3所示［2］。一支點(diǎn)軸承在風(fēng)扇之后，二支點(diǎn)軸承在一支點(diǎn)軸承后380 mm處，三支點(diǎn)軸承在前兩級(jí)低壓渦輪下方，在二支點(diǎn)軸承后1 100 mm。對(duì)具有較寬軸向距離的前兩個(gè)支點(diǎn)來(lái)說(shuō)，風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)是懸臂的。因此，前兩個(gè)支點(diǎn)軸向距離的設(shè)計(jì)要滿足轉(zhuǎn)子在重力和陀螺載荷下的撓度最小的要求。低壓渦輪前幾級(jí)徑向間隙對(duì)整機(jī)效率的影響比后幾級(jí)較大，因此后支點(diǎn)軸向位置的設(shè)計(jì)要滿足低壓渦輪前幾級(jí)撓度最小的要求。此外，風(fēng)扇軸與低壓渦輪軸通過(guò)兩個(gè)圓柱面連接定心、套齒傳扭的剛性聯(lián)軸器連接。風(fēng)扇軸與渦輪軸前、后柱面A、B均采用H7/h6的緊度配合。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高低壓轉(zhuǎn)子的剛性，使渦輪轉(zhuǎn)子與機(jī)匣間能始終保持較均勻的徑向間隙，獲得較高的效率。

圖3 轉(zhuǎn)子支承簡(jiǎn)圖

4.2 控制靜子變形

控制靜子變形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括載荷分擔(dān)的結(jié)構(gòu)一體化短艙、優(yōu)化承力方式的雙層機(jī)匣、保證機(jī)匣彎曲最小的安裝系統(tǒng)布局。

(1)整體結(jié)構(gòu)短艙［10］。整體結(jié)構(gòu)短艙確保外部氣動(dòng)載荷引起的間隙變小量最小。進(jìn)氣罩由發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇支承，外部載荷通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)主安裝節(jié)傳給飛機(jī)掛架。載荷的分擔(dān)通過(guò)風(fēng)扇涵道的內(nèi)外承力結(jié)構(gòu)來(lái)完成，靠不同的傳力路線將外罩和核心機(jī)載荷傳至安裝節(jié)，由此降低核心機(jī)機(jī)匣承力件上的彎曲力矩和撓度。

(2)雙層機(jī)匣。雙層壓氣機(jī)機(jī)匣結(jié)構(gòu)如圖4所示。沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線看，高壓壓氣機(jī)后幾級(jí)機(jī)匣是內(nèi)涵機(jī)匣中直徑最小處，使機(jī)匣縱向剛性變?nèi)?。在機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，機(jī)匣變形造成后幾級(jí)處葉尖間隙沿圓周不均勻，甚至出現(xiàn)葉尖碰磨機(jī)匣。同時(shí)，高壓壓氣機(jī)后幾級(jí)的葉尖間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響更大。因此，在高壓壓氣機(jī)后幾級(jí)處做成雙層機(jī)匣，內(nèi)機(jī)匣僅作為氣流的包容環(huán)及固定靜子葉片的環(huán)形件，承受氣動(dòng)負(fù)荷;外機(jī)匣作為承力結(jié)構(gòu)，并將直徑加大以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的縱向剛性。由于內(nèi)機(jī)匣不參與承力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作中在受到各種負(fù)荷的作用后，外機(jī)匣可能發(fā)生變形，但內(nèi)機(jī)匣不會(huì)受到影響，始終保持圓度，因而能保持高壓壓氣機(jī)后幾級(jí)的葉尖間隙不變。RB211系列發(fā)動(dòng)機(jī)還將整個(gè)核心機(jī)機(jī)匣做成雙層結(jié)構(gòu)，很好的保持了核心機(jī)的性能。此外，將高壓壓氣機(jī)機(jī)匣設(shè)計(jì)成整環(huán)結(jié)構(gòu)也有助于機(jī)匣圓度的保持，保證間隙沿圓周均勻［11，12］。

圖4 雙層機(jī)匣結(jié)構(gòu)示意圖

(3)安裝系統(tǒng)布置。拉桿式安裝系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。采用拉桿式安裝系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)載荷傳給飛機(jī)掛架結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣內(nèi)壁具有最小的橢圓度或承力構(gòu)架具有最小的彎曲撓度，避免“啞鈴”效應(yīng)的產(chǎn)生。主安裝節(jié)中的兩個(gè)推力桿穿過(guò)核心機(jī)固定在中介機(jī)匣內(nèi)環(huán)后端面上，增加了機(jī)匣內(nèi)壁剛性，并使安裝推力通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的重心，消除推力引起的機(jī)體彎曲力矩，受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖5 安裝系統(tǒng)

圖6 受力簡(jiǎn)圖

4.3 保持間隙均勻

保持轉(zhuǎn)靜子間隙均勻，有利于間隙設(shè)計(jì)初始值的保持，減少碰磨，限制轉(zhuǎn)、靜子間的偏心和維持機(jī)匣圓度，從而達(dá)到葉尖間隙控制的目的。采用中介軸承的支撐系統(tǒng)，高壓轉(zhuǎn)子通過(guò)中介軸承支承于低壓轉(zhuǎn)子上，高壓轉(zhuǎn)子葉尖間隙對(duì)低壓轉(zhuǎn)子的偏心度或偏轉(zhuǎn)度比較敏感［13］。保持葉尖間隙均勻的結(jié)構(gòu)形式主要包括改善重力造成撓度的低壓轉(zhuǎn)子偏心襯套、偏心的高壓渦輪外環(huán)結(jié)構(gòu)和滾珠/滾棒并用的高壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)等。

(1)低壓轉(zhuǎn)子偏心襯套。低壓轉(zhuǎn)子支點(diǎn)偏心襯套結(jié)構(gòu)如圖7所示，CFM56－7發(fā)動(dòng)機(jī)采用了此種結(jié)構(gòu)形式。大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)直徑增大，帶來(lái)重量增大，低壓轉(zhuǎn)子相對(duì)于小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)更易產(chǎn)生重力造成的撓曲變形。在低壓轉(zhuǎn)子后支點(diǎn)設(shè)置偏心襯套結(jié)構(gòu)，使低壓轉(zhuǎn)子存在一定量的向上偏心，以改善重量載荷造成的轉(zhuǎn)子撓曲變形和支點(diǎn)下沉，避免低壓轉(zhuǎn)子不同心對(duì)高壓轉(zhuǎn)子葉尖間隙的影響。

圖7 偏心襯套結(jié)構(gòu)

(2)偏心高壓渦輪外環(huán)。低壓轉(zhuǎn)子在重力作用下產(chǎn)生彎曲變形，同時(shí)帶來(lái)轉(zhuǎn)子下沉，易導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子葉尖間隙“上大下小”。此外，在空氣動(dòng)力載荷、推力載荷和熱載荷共同作用下高壓渦輪葉尖間隙沿高壓渦輪下部減小、頂部增加，產(chǎn)生“脊骨彎曲”現(xiàn)象［13］。因此，為了保持高壓轉(zhuǎn)子葉尖間隙的均勻性，避免發(fā)生碰磨，尤其是高壓渦輪葉尖間隙，CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)了采用了多種形式的高壓渦輪外環(huán)塊，包括向下偏心加工、雙向偏心加工和波瓣形加工的結(jié)構(gòu)形式，用以補(bǔ)償?shù)蛪恨D(zhuǎn)子下沉和“脊骨彎曲”帶來(lái)的間隙不均勻。

(3)高壓前支點(diǎn)。滾珠/滾棒并用的高壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)簡(jiǎn)圖如圖8所示［14］。采用滾珠、滾棒兩軸承并列設(shè)計(jì)時(shí)，滾珠軸承支承于彈性支座中，不承受徑向負(fù)荷，僅承受軸向負(fù)荷;滾棒軸承支承于剛性支座中，承受全部徑向負(fù)荷。由于滾棒軸承游隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滾珠軸承，因此能夠限制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸線的位置，提高轉(zhuǎn)子同心度，進(jìn)而可以保持工作葉片葉尖與機(jī)匣間間隙均勻［15］。

圖8 高壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)簡(jiǎn)圖

4.4 轉(zhuǎn)靜子變形協(xié)調(diào)

提高轉(zhuǎn)靜子變形協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)具有徑向補(bǔ)償能力的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)、采用變形協(xié)調(diào)的承力框架和主、被動(dòng)間隙控制系統(tǒng)。

(1)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。具有徑向變形補(bǔ)償能力的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)如圖9所示。在高壓壓氣機(jī)對(duì)應(yīng)工作葉片葉尖處的機(jī)匣內(nèi)壁上車(chē)出斜槽，葉尖外徑與未加工斜槽時(shí)的機(jī)匣內(nèi)徑基本一致，葉尖與主氣流通道間無(wú)間隙，流動(dòng)損失少，可提高效率［16，17］，并能避免工作時(shí)葉尖與機(jī)匣碰磨［15］，維持間隙。

圖9 封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

(2)承力框架。采用對(duì)溫度場(chǎng)響應(yīng)不敏感的切向支板的渦輪后機(jī)匣結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)匣外殼溫度場(chǎng)不均時(shí)，徑向支板的變化使軸承座發(fā)生徑向移動(dòng)，切向支板則只引起軸承座的轉(zhuǎn)動(dòng)［13］，變形更加協(xié)調(diào)，如圖10所示。

(3)主、被動(dòng)間隙熱控制系統(tǒng)。主、被動(dòng)間隙熱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示［18］。低壓渦輪的被動(dòng)間隙熱控制系統(tǒng)采用外部系統(tǒng)，利用風(fēng)扇引氣從外面通過(guò)沖擊管冷卻外機(jī)匣［19］。高壓渦輪主動(dòng)間隙熱控制系統(tǒng)采用內(nèi)部系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)起飛/爬升和巡航狀態(tài)下用高壓壓氣機(jī)中間級(jí)或后一級(jí)引氣作為冷卻氣源。在巡航狀態(tài)下，在中間級(jí)和后一級(jí)冷卻氣源變換的同時(shí)降低冷卻空氣溫度，使機(jī)匣/空氣密封裝置冷卻收縮，間隙進(jìn)一步減?。?0］。

圖10 后機(jī)匣變形示意圖

圖11 主、被動(dòng)間隙熱控制系統(tǒng)

5 結(jié)論

本文針對(duì)某大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的葉尖間隙控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析，如下工作具有較好的工程參考價(jià)值。

(1)對(duì)葉尖間隙的影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。指出在初步方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)于葉尖間隙的分析和設(shè)計(jì)，靜子變形應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮溫度載荷和氣動(dòng)載荷的影響，轉(zhuǎn)子變形應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮溫度載荷、離心載荷和不平衡載荷的影響。

(2)給出方案設(shè)計(jì)階段間隙設(shè)計(jì)方法，指出高、低渦輪間隙主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)加速和減速等瞬態(tài)條件下的渦輪轉(zhuǎn)子和機(jī)匣膨脹響應(yīng)，風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)的間隙主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)條件下的轉(zhuǎn)子和機(jī)匣膨脹響應(yīng)。

(3)給出了葉尖間隙的控制機(jī)理，并指出采用主動(dòng)熱控制、主動(dòng)氣動(dòng)控制和主動(dòng)機(jī)械控制進(jìn)行主動(dòng)間隙控制;使用合理結(jié)構(gòu)、材料控制轉(zhuǎn)靜子變形協(xié)調(diào)、使用耐磨材料及高硬度材料減少磨損進(jìn)行被動(dòng)間隙控制;采用能夠自動(dòng)增加零件尺寸的特殊材料，用以修復(fù)因摩擦和侵蝕破壞的葉尖密封，保持葉尖間隙。

(4)對(duì)間隙控制的常用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員從控制轉(zhuǎn)子變形、控制靜子變形、保持間隙均勻和改善轉(zhuǎn)、靜子變形協(xié)調(diào)性等方面開(kāi)展間隙控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

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