BR700系列發(fā)動機高壓壓氣機設(shè)計及結(jié)構(gòu)特征

楊偉，徐偉

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

BR700系列發(fā)動機高壓壓氣機設(shè)計及結(jié)構(gòu)特征

楊偉，徐偉

(中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

BR700系列發(fā)動機的10級高壓壓氣機設(shè)計具有典型的民機構(gòu)型，同時具有自身的特征。轉(zhuǎn)子一分為二，前6級鈦合金盤鼓采用電子束焊接成組件，后4級盤鼓與后鼓筒軸采用高溫合金焊接成組件。前機匣為水平對開結(jié)構(gòu)，后機匣為雙層結(jié)構(gòu)。葉片設(shè)計采用了帶飛翼防泄漏結(jié)構(gòu)的周向燕尾榫頭轉(zhuǎn)子葉片，及懸臂靜葉。通過對BR700系列發(fā)動機研制及其高壓壓氣機設(shè)計歷程的介紹和高壓壓氣機結(jié)構(gòu)的解析，可加深對國外高壓壓氣機結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的了解和吸收，促進國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)發(fā)展，助推國內(nèi)大發(fā)動機研制。

BR700系列；航空發(fā)動機；高壓壓氣機；結(jié)構(gòu)特征；轉(zhuǎn)子組件；減渦器；可調(diào)靜葉

1 引言

1991年7月，德國寶馬公司與英國羅·羅公司聯(lián)合在德國成立了一家民用航空發(fā)動機公司。2000年，該公司變?yōu)榱_·羅公司下屬子公司，即羅·羅德國(RRD)公司。創(chuàng)立之初，其目標(biāo)是建立一個歐洲一流的商用飛機推進系統(tǒng)制造企業(yè)。公司成立不到一年即開始研制核心機，第二年開始研制BR710發(fā)動機，第五年開始研制BR715發(fā)動機[1]。這大大突破了發(fā)動機研制需要8～14年周期的一般規(guī)律[2]。

我國航空發(fā)動機從測繪仿制、引進消化吸收到自主創(chuàng)新設(shè)計，已艱難走過半個多世紀(jì)。進入二十一世紀(jì)的第二個十年，國家做出了研制大型飛機及其發(fā)動機這一具有重大戰(zhàn)略意義的決策。民用大型飛機要求最終配裝具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大涵道比渦扇發(fā)動機，這是必須實現(xiàn)的國家戰(zhàn)略目標(biāo)。我國民用大涵道比渦扇發(fā)動機項目起步不久，雖然對風(fēng)扇/增壓級、高壓壓氣機等關(guān)鍵技術(shù)開展了初步研究，但與國際先進水平相比差距很大，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，大量關(guān)鍵技術(shù)尚未突破和掌握，部分試驗設(shè)備還存在空白，工程設(shè)計和使用經(jīng)驗缺乏，獨立研發(fā)還有較大困難[2]。參考國外成熟高壓壓氣機設(shè)計實現(xiàn)的技術(shù)途徑、歷程，深入剖析高壓壓氣機的結(jié)構(gòu)特征，加深對其的了解和吸收，可促進國內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，縮短研發(fā)周期。

2 BR700系列發(fā)動機研制

RRD成立不久就開始研制BR700系列發(fā)動機。1994年BR710發(fā)動機首臺運轉(zhuǎn)，隨后成功取得歐洲聯(lián)合航空局(JAA)和美國聯(lián)邦航空局(FAA)的適航證，1997年開始服役。BR715項目1995年10月啟動，1996年開始部件試驗計劃，1997年4月首臺運轉(zhuǎn)，1998年1月宣布成為波音717-200型飛機唯一動力裝置。BR725是RRD的第六款民用發(fā)動機，是BR710的推力放大型，2008年首臺成功運轉(zhuǎn)，2009年獲得EASA合格證，裝機對象為灣流G650。BR700系列發(fā)動機詳細(xì)參數(shù)見表1[3]。

表1 BR700系列發(fā)動機參數(shù)Table 1 Engine parameters of BR700 series

3 BR700系列發(fā)動機高壓壓氣機設(shè)計

RRD在技術(shù)基礎(chǔ)近乎為零的基礎(chǔ)上，能快速進入民用發(fā)動機市場，與羅·羅公司在技術(shù)上的大力支持是分不開的。其研發(fā)的BR700系列發(fā)動機高壓壓氣機，很大程度上繼承和吸取了V2500系列發(fā)動機高壓壓氣機的技術(shù)。

BR710的高壓壓氣機，是在V2500A1的基礎(chǔ)上，按線性0.91幾何縮比設(shè)計，進口換算流量減少了17%。羅·羅公司從V2500A1發(fā)展到A5的過程中，驗證了可控擴散葉型設(shè)計技術(shù)，開發(fā)了S1-S2設(shè)計軟件。RRD設(shè)計BR710高壓壓氣機時也移植了這些技術(shù)，使得效率較V2500A1提高了0.5%；同時開發(fā)了S1計算軟件，解決了小尺寸高壓壓氣機受葉片型面低雷諾數(shù)影響大的難題。結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，基于整機和空氣系統(tǒng)只是略有差異，使得BR710高壓壓氣機整個結(jié)構(gòu)能大大繼承V2500A1的結(jié)構(gòu)特征：轉(zhuǎn)子采用前6級鈦合金焊接盤鼓組件和后4級高溫合金焊接組件的結(jié)構(gòu)；機匣則采用鑄鋼機匣替代了鈦合金機匣。

BR715的高壓壓氣機設(shè)計并沒有引入新技術(shù)。研制過程中，初期氣動設(shè)計將第三級可調(diào)靜葉取消，使得性能提高明顯，但卻導(dǎo)致第三級轉(zhuǎn)子葉片斷裂。后期改進了第三級轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計，同時又重新設(shè)計了第三級可調(diào)靜葉。結(jié)構(gòu)設(shè)計上，BR715與BR710相同。

BR725在氣動設(shè)計方面，引入了在V2500 Selec?tOne?驗證了的CFD技術(shù)，特別是優(yōu)化設(shè)計了可調(diào)靜葉；另外，葉片的設(shè)計引入了橢圓前緣。性能預(yù)估顯示，效率可提高0.6%。結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，完全得益于羅·羅公司的整體葉盤技術(shù)，BR725前6級都采用了整體葉盤及焊接技術(shù)，實現(xiàn)了質(zhì)量減少30 kg的目標(biāo)[4]。

從高壓壓氣機的設(shè)計歷程可看出，RRD始終處于羅·羅公司整個發(fā)動機研發(fā)體系的一部分；除部分自己專門開發(fā)的技術(shù)外，其發(fā)動機研制技術(shù)幾乎全部采用羅·羅公司經(jīng)過驗證的技術(shù)。羅·羅公司的預(yù)研成果、技術(shù)數(shù)據(jù)庫與整個工程資源全部向RRD開放，并以供應(yīng)商的身份，承擔(dān)部分設(shè)計制造任務(wù)?？梢哉f，羅·羅公司豐富的發(fā)動機研制經(jīng)驗、預(yù)先研究的技術(shù)儲備，成為了RRD的強大技術(shù)后盾。

4 高壓壓氣機結(jié)構(gòu)特征

BR700系列發(fā)動機高壓壓氣機，除BR725前6級采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)外，其他都大同小異。下面主要介紹BR710高壓壓氣機的結(jié)構(gòu)特征，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 BR710高壓壓氣機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of BR710 HPC structure

4.1 轉(zhuǎn)子組件

10級轉(zhuǎn)子組件為盤鼓式結(jié)構(gòu)，分為前后兩個組件：前6級盤鼓采用鈦合金，電子束焊焊接為一個前焊接組件；后4級盤與后鼓筒軸采用高溫合金，電子束焊焊接成一個后焊接組件；前后組件通過34個短螺栓/自鎖螺母連結(jié)；由于引氣需要，前后組件之間(第六、第七級盤間)還裝有減渦器。

轉(zhuǎn)子組件前端通過第一級盤(圖2)前的圓弧端齒(羅·羅公司專利)與前軸頸傳扭及定心，并且圓弧端齒中間有20個螺栓用于連接，提供預(yù)緊力。轉(zhuǎn)子后端通過后鼓筒軸上的圓弧端齒與高壓渦輪相連。圓弧端齒采用單元體設(shè)計，以便于拆換轉(zhuǎn)子組件。滾珠軸承裝在帶圓弧端齒的短聯(lián)軸器上；裝卸轉(zhuǎn)子組件時，只須將轉(zhuǎn)子與短聯(lián)軸器上的自鎖螺母擰上或卸下即可。

圖2 第一級盤模型Fig.2 Model of the first stage disc

各級盤和葉片均采用了傳統(tǒng)的盤片分離結(jié)構(gòu)：前3級采用軸向燕尾榫，后7級采用周向燕尾榫連接方式。

前3級葉片軸向插入盤的榫槽(如圖2所示的盤模型中，軸向榫槽帶有傾角)中，第一級采用9個彈性塊和9個扇形擋環(huán)塊軸向定位，第二、第三級采用3個彈性塊和9個扇形擋環(huán)塊軸向定位。榫槽中均加有絕緣材料的彈性橡膠密封墊塊以防止級間漏氣，同時起減震作用。

第一級轉(zhuǎn)子葉片采用帶凸肩結(jié)構(gòu)，凸肩相結(jié)處涂有耐磨涂層。采用凸肩結(jié)構(gòu)一方面起到減震作用，另一方面可提高葉片抗外物損傷能力。不過這種結(jié)構(gòu)會堵塞流道，影響氣動性能。另外，第一級轉(zhuǎn)子葉片榫頭上，每一片都設(shè)計有安裝平衡銷釘?shù)目住?/p>

后7級葉片采用周向燕尾榫結(jié)構(gòu)，通過盤上的安裝槽裝入周向燕尾榫槽內(nèi)。葉片榫頭周向兩個端面，沿槽向設(shè)計有加寬的延伸邊，亦稱飛翼，如圖3所示。每級所有葉片飛翼連成一周，防止氣流泄漏。在第四～第六級榫槽底部加裝阻尼環(huán)，既起密封作用，又可防止微動磨損。利用鎖緊塊防止葉片周向移動，各級鎖緊塊數(shù)目見表2。

為冷卻承受高溫負(fù)荷的低壓渦輪盤，在第七級盤前鼓筒處開有94個小孔，從第六級轉(zhuǎn)子葉片后引氣；同時，這股氣流可阻止來自渦輪主流路的熱空氣進入到渦輪盤與軸承間的腔內(nèi)。但這股氣流從第六級出來時帶有強烈的旋渦，進入第六、第七級轉(zhuǎn)子盤腔后，易造成盤腔溫度急劇上升，及氣流壓力損失增加。為避免這種惡劣影響，設(shè)計有減渦器。減渦器由34根減渦管插入安裝在第六、第七級間的支撐環(huán)所開的對應(yīng)孔中組成，如圖4所示。氣流經(jīng)過減渦管，可實現(xiàn)控制氣流方向、減小渦流影響的目的，且該結(jié)構(gòu)可大大降低壓力損失[5]。此外，為避免氣流直接垂直吹到低壓軸上，設(shè)計了一個氣流方向偏轉(zhuǎn)裝置，使得氣流能順利沿低壓軸流動。

圖3 周向燕尾榫葉片F(xiàn)ig.3 Blade with circumferential dovetail

表2 鎖緊塊數(shù)量Table 2 Locking assembly number of each stage

圖4 減渦器示意圖Fig.4 Sketch of vortex reducer

前3級鼓筒處均設(shè)計有封嚴(yán)篦齒，與內(nèi)環(huán)涂層相對，用于級間封嚴(yán)。后6級鼓筒與懸臂靜葉對應(yīng)處設(shè)計有白色高硬度磨削涂層；涂層表面采用車加工，表面比較粗糙，硬度比葉片大；與靜葉接觸上時將靜葉磨削，以便保持葉尖間隙，保證封嚴(yán)及發(fā)動機安全工作。

在轉(zhuǎn)子各零組件連接處，盤體與連接件間均設(shè)計有防磨損的薄金屬墊片，可有效防止擰緊時對盤的磨損。墊片磨損后即可更換，能大大提高轉(zhuǎn)子的使用壽命。在第一級盤圓弧端齒的連接處，設(shè)計了4件墊片，每件上安裝5個螺栓/自鎖螺母；在第六級盤與自鎖螺母、第七級盤與方形螺栓之間，均加裝17件墊片，每件上安裝2個螺栓/自鎖螺母。

轉(zhuǎn)子組件葉尖加工時提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(～6 000 r/min)以消除榫頭榫槽結(jié)合面間隙，在模擬工作狀態(tài)下磨削葉尖直徑且自動進行平衡(可在平衡環(huán)上去除材料)。

4.2 靜子組件

靜子組件包括機匣、靜葉及內(nèi)環(huán)、調(diào)節(jié)機構(gòu)等。機匣分成前后兩段，前段為便于裝配與分解，采用水平對開機匣結(jié)構(gòu)，由合金鋼離心澆鑄而成，安裝前5排靜葉。前面級轉(zhuǎn)子葉片較容易斷裂，對應(yīng)的機匣需采用包容設(shè)計；可通過設(shè)計足夠的機匣厚度，以避免斷裂的轉(zhuǎn)子葉片打穿機匣，危及發(fā)動機及飛機安全。BR710與BR715在前4級轉(zhuǎn)子葉片對應(yīng)的涂層位置處的機匣厚度有所不同，具體值見表3。

表3 涂層位置機匣厚度Table 3 Casing thickness on the coating

后段為雙層機匣，內(nèi)外都為整環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)層機匣安裝后5排靜葉。高壓壓氣機后幾級機匣是內(nèi)涵機匣直徑最小處，俗稱縮腰。發(fā)動機出現(xiàn)縮腰后使得縱向剛性變?nèi)?，在機動飛行時，機匣變形會造成后幾級葉尖間隙沿圓周方向不均勻，甚至出現(xiàn)葉尖碰磨機匣現(xiàn)象。為此，絕大多數(shù)發(fā)動機在縮腰處做成雙層機匣，內(nèi)層機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、溫度負(fù)荷；外層機匣則作為承力結(jié)構(gòu)，一般均將直徑加大很多以增加發(fā)動機的縱向剛性。

外層機匣為整環(huán)結(jié)構(gòu)，整個為一段，前端與前機匣相連，后端與燃燒室機匣相連。內(nèi)層機匣分為六段，都為整環(huán)結(jié)構(gòu)。內(nèi)層機匣在第五、第九級處與外機匣相連。第七、第八級內(nèi)機匣相連處，外緣加裝一環(huán)形密封圈，外機匣中間的L型搭接邊與之相接觸，組合在一起構(gòu)成軸向封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，將第五、第八級的引氣腔隔開。在第六、第七、第九級內(nèi)機匣外均設(shè)計有薄壁隔熱罩，與引氣腔隔開，利于控制葉尖間隙。在各級內(nèi)層機匣螺栓連接處，加裝整環(huán)的薄金屬環(huán)，減少連接件受到的熱影響。機匣在與轉(zhuǎn)子葉尖對應(yīng)處噴涂易磨涂層，用于轉(zhuǎn)子葉尖間隙控制。

在第一、第二、第五和九級機匣處，各設(shè)有兩個孔探儀觀察孔，在不分解機匣的情況下可通過孔探儀檢查壓氣機內(nèi)部情況，還可通過特殊工具修復(fù)損傷葉型。

前4級靜葉為可調(diào)葉片，通過上、下軸頸與機匣、內(nèi)環(huán)相連。內(nèi)環(huán)帶有易磨涂層，與轉(zhuǎn)子上的篦齒相對，用于級間封嚴(yán)。調(diào)節(jié)葉片時，葉片繞上、下軸頸轉(zhuǎn)動。軸頸處都裝有自潤滑襯套，能減小葉片與機匣、內(nèi)環(huán)的摩擦。內(nèi)環(huán)分為上下兩段，每段又分為前后兩半并通過螺栓聯(lián)接組成半環(huán)。另外，內(nèi)環(huán)下端有一凹槽，與葉片下軸頸凸臺(圖5)相對。這種設(shè)計在靜葉葉片斷裂的情況下，凸臺可保持?jǐn)嗔训撵o葉不脫落，大大提高了發(fā)動機的安全系數(shù)。

圖5 可調(diào)靜葉模型Fig.5 Model of VSV

后6級靜葉為不帶內(nèi)環(huán)的懸臂結(jié)構(gòu)，葉片單個安裝，采用T型安裝板固定在機匣槽內(nèi)。每級整圈有4個帶擋邊葉片，通過固定在機匣外的止動銷插入擋邊中間，防止葉片周向串動。機匣T型槽裝有薄襯套環(huán)，起防止微動摩損作用。靜葉懸臂端與鼓筒對應(yīng)處的硬質(zhì)涂層自適應(yīng)匹配，保持合適的間隙。

液壓作動筒安裝在對開機匣后段的安裝座上，從后往前推動連動桿，使可調(diào)機構(gòu)實現(xiàn)4級聯(lián)調(diào)。

5 結(jié)束語

羅·羅德國公司的快速發(fā)展，極大程度上依賴于羅·羅公司的預(yù)研成果和技術(shù)積累。其BR700系列發(fā)動機的成功研發(fā)，正是源于共用民機核心機技術(shù)的研究與應(yīng)用，通過驗證的新方法、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)逐步應(yīng)用到高壓壓氣機上，促成了系列發(fā)動機的發(fā)展。目前，我國民機大發(fā)動機項目已開始啟動，可參照羅·羅德國公司的思路，重視核心機的研發(fā)，立足于國內(nèi)近二十年的預(yù)研成果和工程經(jīng)驗，開創(chuàng)出一條自主研發(fā)民用核心機的道路。

BR700系列發(fā)動機高壓壓氣機結(jié)構(gòu)設(shè)計上較有特色，通過對結(jié)構(gòu)解析，加深對國外設(shè)計技術(shù)、工程經(jīng)驗的了解，并對相關(guān)技術(shù)加以消化與吸收，厘清思路，加強國內(nèi)先進民用大涵道比渦扇發(fā)動機壓氣機部件的技術(shù)預(yù)研，以促進高壓壓氣機的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)發(fā)展，助推國內(nèi)民機高壓壓氣機的研發(fā)。

[1]江和甫，焦天佑，盧傳義.1997年巴黎航展期間訪問記實[J].燃?xì)鉁u輪試驗與研究，1997，10(3)：56—62.

[2]劉大響，金捷，彭友梅，等.大型飛機發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)分析[C]//.中國航空學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會論文集.2007.

[3]Rolls-Royce BR700[EB/OL].[2013-09-01].http://en.wiki?pedia/wiki.

[4]Wenger U，Wehle P.Development of the Rolls-Royce 10 StageHighPressureCompressorFamily[R].ISABE 2009-1300，2009.

[5]Peitsch D，Stein M，Hein S，et al.Numerical Investigation of Vortex Reducer Flows in the High Pressure Compressor of Modern Aeroengines[R].ASME 2002-GT-36074，2002.

HPC Design and Structure Features of BR700 Series Engine

YANG Wei，XU Wei
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The 10-stage high pressure compressor of BR700 series aero-engine has a typical structure to civil purpose,as well with several characters in the construction design.Rotor has two assemblies,the front 6-stage discs and drums are welded together using Titanium alloy,meanwhile the rear 4-stage discs and drums are welded with the rear shaft which are made of Nickel alloy.The front casing is cast steel split parts and the rear is two layers ring casing.The blades with the circumferential dovetail which has two“wing”on the two sides and the cantilevered vanes are introduced into the design.Analyzing the structure features of the mature HPC can promote the understanding of Rolls-Royce’s design techniques.At the same time,it al?so can accelerate the structural design development of aero-engine in China.

BR700 series；aero-engine；HPC；structure features；rotor assembly；vortex reducer；VSV

V235.13+3

：A

：1672-2620(2014)03-0030-04

2013-10-10；

：2014-03-05

楊偉(1976-)，男，四川江油人，高級工程師，碩士，主要從事壓氣機結(jié)構(gòu)設(shè)計。