基于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征的升力風(fēng)扇結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計

徐 雪，黃愛華，郭 捷

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽110015；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都610100）

0 引言

總體結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計是新型航空發(fā)動機(jī)的頂層設(shè)計基礎(chǔ)工作，對于后續(xù)設(shè)計具有極其重要影響，因此必須十分慎重，既要有足夠的方案設(shè)計繼承性又要能夠充分地適應(yīng)新任務(wù)要求。目前，傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計多參考一型原準(zhǔn)機(jī)，并適應(yīng)性引入新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)。這種方式的繼承性較強(qiáng)，適用于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的應(yīng)用；但對于垂直起降動力系統(tǒng)和升力風(fēng)扇等的創(chuàng)新型應(yīng)用就難以產(chǎn)生布局新穎、充分適應(yīng)新特點的方案，這在一定程度上限制了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

本文以某一型升力風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計為對象，嘗試從新結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求出發(fā)，引出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，并基于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征的組合開展多方案設(shè)計，通過對比分析選擇出最佳方案的方法。

1 設(shè)計目標(biāo)與需求分析

升力風(fēng)扇的基本參數(shù)：流量約為200kg/s、輸入軸功率約為20MW、2級風(fēng)扇轉(zhuǎn)速約為6700r/min、傳動比為1.1、風(fēng)扇直徑不大于1.3m。其所在的垂直／短距起降飛機(jī)動力系統(tǒng)方案與F-35B的動力系統(tǒng)方案[1-2]相似，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)布局方案的設(shè)計目標(biāo)是在滿足升力風(fēng)扇設(shè)計需求的前提下，實現(xiàn)質(zhì)量最輕和設(shè)計難度較低。從以上參數(shù)和圖1中可見，升力風(fēng)扇在功能和使用條件上與常規(guī)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇存在很大區(qū)別，可從中分析歸納出其中特別的設(shè)計需求[3-5]。

圖1 F-35B垂直起降動力系統(tǒng)主要部件結(jié)構(gòu)[2]

（1）傳動系統(tǒng)需要盡可能簡單高效。

由于升力風(fēng)扇的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線與傳動軸垂直，而且傳遞的功率和轉(zhuǎn)速較高，因此傳動齒輪系統(tǒng)必須要盡可能簡單高效；否則一方面會帶來較大的機(jī)械損失，進(jìn)而影響推力；另一方面對于如此大的傳動功率而言，微小的機(jī)械功率損失就會產(chǎn)生過多的熱功率，增加了滑油系統(tǒng)或熱管理系統(tǒng)[6]的負(fù)擔(dān)。

（2）雙轉(zhuǎn)子需要反向旋轉(zhuǎn)。

由于在垂直起降狀態(tài)下，氣動舵面對飛機(jī)姿態(tài)的控制力幾乎為零，姿態(tài)控制全靠主發(fā)動機(jī)的3軸承偏轉(zhuǎn)噴管、升力風(fēng)扇可調(diào)噴管和兩側(cè)的滾轉(zhuǎn)噴管協(xié)調(diào)進(jìn)行推力矢量控制來實現(xiàn)。在這種環(huán)境下，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的陀螺力矩會使姿態(tài)控制變得更加復(fù)雜，所以發(fā)動機(jī)主機(jī)和升力風(fēng)扇都要盡可能降低陀螺力矩的影響[7-8]，這就要求采用雙轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)形式使陀螺力矩相互抵消。

（3）潤滑和封嚴(yán)結(jié)構(gòu)需要滿足垂直工作狀態(tài)。

由于升力風(fēng)扇采用豎直安裝，因此其支點軸承系統(tǒng)的供油潤滑、軸承腔的回油和封嚴(yán)結(jié)構(gòu)等的工況均與常規(guī)設(shè)計有一定的不同，例如：上方潤滑點噴出的滑油下落到油池的過程需要考慮受到下方高速旋轉(zhuǎn)的軸承、齒輪以及從下方的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)入的封嚴(yán)空氣的影響。

（4）需要特別強(qiáng)調(diào)尺寸小質(zhì)量輕。

由于升力風(fēng)扇只在發(fā)動機(jī)的垂直起降狀態(tài)下使用，在飛機(jī)常規(guī)飛行時將變成毫無用處的“死重”，因此對于升力風(fēng)扇的質(zhì)量控制要比發(fā)動機(jī)本身更加嚴(yán)格。同時由于升力風(fēng)扇位于飛機(jī)前機(jī)身進(jìn)氣道處，其外廓尺寸直接影響到前機(jī)身的空間結(jié)構(gòu)，因此對于尺寸的限制也十分重要。

除了上述的4點特殊設(shè)計需求外，結(jié)構(gòu)方案還必須滿足常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，例如：裝配性、可維護(hù)性、結(jié)構(gòu)緊湊、零件少以及機(jī)匣應(yīng)具備包容性等。

2 布局方案中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)上述4項特別的設(shè)計需求，在結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計中，首先要考慮能夠滿足這些特別需求的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，并開展初步的分析與取舍。這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征相互交織，需要系統(tǒng)地考慮，并無設(shè)計工作上的先后順序之分。

2.1 傳動結(jié)構(gòu)

盡管同軸反轉(zhuǎn)機(jī)械傳動已經(jīng)在渦槳（或槳扇）發(fā)動機(jī)和直升機(jī)主減速器上取得了成熟的應(yīng)用，但是由于升力風(fēng)扇為垂直傳動且傳動比小、傳遞功率大，因此這些傳動系統(tǒng)并不適用，具體參數(shù)對比見表1[8-9]。

表1 幾種傳動系統(tǒng)的參數(shù)對比

對于傳動軸從垂直方向驅(qū)動同軸反轉(zhuǎn)的2個轉(zhuǎn)子而言，最簡單的布局就是1個主動錐齒輪帶動兩側(cè)的從動錐齒輪形成2個嚙合副，實現(xiàn)等速反向旋轉(zhuǎn)（如圖2所示）。由于傳動功率大轉(zhuǎn)速高，因此需要在結(jié)構(gòu)布局的過程中著重考慮3方面的細(xì)節(jié)。

（1）將止推軸承（球軸承）設(shè)計在接近錐齒輪的位置，以保證嚙合間隙穩(wěn)定[10]。

（2）根據(jù)詳細(xì)設(shè)計的需要，可以在2個從動錐齒輪之間增加“齒輪間支點”（具體結(jié)構(gòu)見方案2），將從動錐齒輪的支撐形式由懸臂改為簡支，以限制轉(zhuǎn)子工作過程中的轉(zhuǎn)子撓曲變形造成齒輪旋轉(zhuǎn)軸線傾斜.

（3）在其他條件允許的情況下，盡可能為齒輪傳動的設(shè)計留出更大的設(shè)計空間。

圖2 同軸反向齒輪傳動

2.2 承力機(jī)匣

對于同軸反向旋轉(zhuǎn)的雙級風(fēng)扇，其承力機(jī)匣可以有單機(jī)匣、雙機(jī)匣和3機(jī)匣3種不同的結(jié)構(gòu)布局，如圖3所示，在具體的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計中需要著重考慮以下因素。

（1）如果承力機(jī)匣下方有轉(zhuǎn)子，就需要考慮支板尾跡對下游轉(zhuǎn)子葉片的氣動激振。

圖3 3種承力機(jī)匣布局

（2）出于質(zhì)量、成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等方面考慮，應(yīng)該在可能的情況下盡可能減少承力機(jī)匣的數(shù)目（由此直接排除3承力機(jī)匣設(shè)計）。

（3）需要考慮承力機(jī)匣對于氣動方面的作用，如：進(jìn)口的承力機(jī)匣結(jié)構(gòu)可以方便在進(jìn)口設(shè)計可調(diào)導(dǎo)葉[11]。

2.3 轉(zhuǎn)子支承

轉(zhuǎn)子支承方案相對靈活，同樣的承力機(jī)匣設(shè)計也可以通過不同的細(xì)節(jié)以實現(xiàn)多樣的轉(zhuǎn)子支承布局。在升力風(fēng)扇的設(shè)計需求和其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征的限制下，轉(zhuǎn)子支承方案需要特別注意以下幾方面因素：

（1）采用轉(zhuǎn)子懸臂支撐的方案著重考慮盡可能增加支點軸承的跨距，以提升對于轉(zhuǎn)子的軸線擺動限制能力。

（2）針對傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要，還必須考慮支點的布置對于錐齒輪嚙合間隙的限制。

盡管支承方案對于整機(jī)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性具有重要的影響[12-13]，但是在方案布局設(shè)計中，尤其是創(chuàng)新型應(yīng)用的布局設(shè)計中很難給出支撐剛性、轉(zhuǎn)子剛性和轉(zhuǎn)子質(zhì)量特性等參數(shù)，使得在這個階段很難開展準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性評估[14]。所以本階段暫不考慮轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的因素。

2.4 潤滑和封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

針對縱向工作的需要，潤滑和封嚴(yán)結(jié)構(gòu)方面需要特別考慮以下因素：

（1）對于承力機(jī)匣中置的方案，一方面需要特別考慮下方轉(zhuǎn)子的甩油結(jié)構(gòu)，以防止積油帶來額外的不平衡量[15]，另一方面需要特別考慮下方的轉(zhuǎn)子密封和油池的設(shè)計。

（2）對于雙承力機(jī)匣方案，需要特別考慮機(jī)匣的轉(zhuǎn)子密封和油池的設(shè)計。

（3）采用中介支點的方案，需要特別考慮軸承的供油結(jié)構(gòu)。

3 多方案結(jié)構(gòu)布局設(shè)計與對比分析

3.1 結(jié)構(gòu)布局方案

在氣動流路和主要轉(zhuǎn)子部件強(qiáng)度基本符合現(xiàn)有設(shè)計準(zhǔn)則的情況下，通過對上述幾方面的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行組合，并采用成熟的軸承、密封和聯(lián)軸器等部件結(jié)構(gòu)，開展了多方案結(jié)構(gòu)布局設(shè)計。本文從設(shè)計結(jié)果中選出比較典型的3種類型共7個方案進(jìn)行具體分析。

（1）單承力機(jī)匣中置布局

這一類布局包括方案1和方案2，分別如圖4、5所示。二者的區(qū)別在于是否采用錐齒輪間支撐結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子間密封和第2級轉(zhuǎn)子上方的甩油結(jié)構(gòu)。

圖4 “單軸承機(jī)匣中置”方案1

圖5 “單軸承機(jī)匣中置”改進(jìn)方案2

（2）單承力機(jī)匣下置布局

布局方案3如圖6所示。與前2個方案相比，方案3通過采用軸套軸結(jié)構(gòu)和中介軸承，實現(xiàn)了單承力機(jī)匣下置的方案。由于第1級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子較細(xì)長，為了防止轉(zhuǎn)子撓曲變形對錐齒輪的嚙合間隙產(chǎn)生影響，也采用方案2中的“齒輪間支撐結(jié)構(gòu)”。中介軸承需要通過第1級轉(zhuǎn)子內(nèi)部的軸心供油管自下而上地供油至軸承環(huán)下。

圖6 “單承力機(jī)匣下置”方案3

（3）雙承力機(jī)匣布局

雙承力機(jī)匣布局更加靈活，本文選擇了系列化的4個方案，分別為方案4～7（如圖7～10所示）。其中方案4是初始方案，在其基礎(chǔ)上增加“齒輪間支撐結(jié)構(gòu)”成為方案5，在方案5基礎(chǔ)上去掉第1級靜子成為方案6，在方案6基礎(chǔ)上采用中介軸承成為方案7。

圖7 “雙軸承機(jī)匣”方案4

圖8 “雙軸承機(jī)匣”改進(jìn)方案5

圖9 方案5的基礎(chǔ)上改無靜葉對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)6

圖10 方案5的基礎(chǔ)上采用中介軸承的方案7

3.2 多方案對比分析

由于在布局方案設(shè)計階段尚無法確定具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，因此很難定量地表征質(zhì)量和設(shè)計難度2個設(shè)計目標(biāo)。為了能夠更客觀全面地對上述不同的方案作出評判，本文采用定量對比和定性分析2種方法對上述方案進(jìn)行對比；以期通過對長度、單元體數(shù)目和承力機(jī)匣的數(shù)目等項目的定量對比，間接地評估方案的質(zhì)量因素；并通過對于方案優(yōu)缺點的定性分析，間接地評估設(shè)計難度。

3.2.1 定量分析

不同方案的相對長度、轉(zhuǎn)子支點數(shù)目和單元體數(shù)目等在方案布局中涉及的定量結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，以方案5為例的各單元體結(jié)構(gòu)組成和其裝配爆炸展開如圖9所示。

表1 不同方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

圖11 方案5的爆炸展開

從上述定量對比可以得到如下結(jié)論：

（1）采用第1級無靜葉設(shè)計可以顯著降低升力風(fēng)扇的長度，有利于降低質(zhì)量。

（2）采用單軸承機(jī)匣設(shè)計可以降低單元體數(shù)目和主承力機(jī)匣單元體中大組件數(shù)目有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高裝配性。

（3）前2個方案雖然只采用了1個機(jī)匣，在長度上并沒有帶來優(yōu)勢。

3.2.2 定性分析

（1）單承力機(jī)匣中置的方案特點

單承力機(jī)匣中置的方案與其他2類方案相比優(yōu)勢在于：結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，轉(zhuǎn)子之間沒有交叉。但這種布局方案存在以下3個問題：

a.根據(jù)升力風(fēng)扇的設(shè)計參數(shù)，初步設(shè)計傳動軸直徑約為85mm，顯著高于一般航空發(fā)動機(jī)中央傳動桿的直徑，這使得傳動軸所通過的承力機(jī)匣支板厚度較大，對下游的第2級轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生較大的氣動激振，這增加了第2級轉(zhuǎn)子的設(shè)計難度。

b.由于承力機(jī)匣位于2轉(zhuǎn)子中間，此處氣流尚未經(jīng)過充分壓縮，流路寬度較大，這就造成：一方面，在外徑一定的情況下給軸承腔設(shè)計的空間就更??；另一方面，在葉型厚度一定的情況下機(jī)匣的軸向更長（第1類方案長度較大的原因）。

c.由于主承力機(jī)匣下方的油池位于第2級轉(zhuǎn)子盤心，設(shè)計空間狹小限制了油池容量，而且此處還需要布置轉(zhuǎn)靜子間的密封結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計更加困難。

（2）單承力機(jī)匣下置的方案特點

單承力機(jī)匣下置方案與中置方案相比的優(yōu)勢：

a.將承力機(jī)匣置于葉片排的下方排除了厚支板的氣動影響問題。

b.油池布置在機(jī)匣底部空間更充裕。

c.由于機(jī)匣布置在第2級風(fēng)扇之后，氣流的壓力較高，流路較窄，為機(jī)匣內(nèi)的齒輪傳動結(jié)構(gòu)提供了更大的空間。

這種方案的問題主要體現(xiàn)在中介軸承上：

a.不僅中介軸承的DN值較高，而且由于2個轉(zhuǎn)子等速旋轉(zhuǎn)造成其滾子公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和保持架轉(zhuǎn)速為零，這使軸承的設(shè)計更加困難。

b.中介軸承使得2個轉(zhuǎn)子的振動相互影響，轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性更加復(fù)雜[12]。

c.中介軸承需要通過中央供油管克服重力向上供油，存在著滑油在中央供油管內(nèi)積累帶來額外的不平衡量的風(fēng)險，從而造成整機(jī)振動問題[13]。

（3）雙承力機(jī)匣的方案特點

雙承力機(jī)匣布局的4個方案大體思路相同，區(qū)別體現(xiàn)在具體結(jié)構(gòu)的取舍上。其繼承了單承力機(jī)匣下置的主要優(yōu)點，并且通過引入上承力機(jī)匣，使布置進(jìn)口可調(diào)葉片成為可能，有利于風(fēng)扇承受由升力風(fēng)扇進(jìn)氣口及其活門帶來的氣流畸變。

上軸承機(jī)匣也存在滑油池與密封結(jié)構(gòu)設(shè)計空間小的問題；不過考慮到此處軸承直徑和載荷較小，相應(yīng)的潤滑需求也小，因此解決該問題應(yīng)比方案1容易。

在4個方案中是否采用無靜葉方案取決與氣動設(shè)計的難度，但是從結(jié)構(gòu)角度看無靜葉設(shè)計無疑在長度、轉(zhuǎn)子剛性和質(zhì)量方面更具優(yōu)勢。

3.3 方案選擇

綜合定量和定性分析，方案6在尺寸、單元體數(shù)目等方面具有一定的優(yōu)勢，且其問題相對較少，在所有的方案中實現(xiàn)了質(zhì)量、尺寸和設(shè)計難度等更好的平衡，因此作為首選方案。如果在后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計中，無靜葉對轉(zhuǎn)風(fēng)扇的氣動設(shè)計難度無法克服，也可以在結(jié)構(gòu)改動不大的情況下退回到方案5。

4 結(jié)論

（1）以關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征作為設(shè)計需求和方案橋梁，以不同結(jié)構(gòu)特征的組合為基礎(chǔ)形成一系列布局方案，并通過定量和定性2方面的對比分析優(yōu)選出最終方案。

（2）與傳統(tǒng)方法相比，本文方法更加有利于拓展結(jié)構(gòu)創(chuàng)新思路，而且有利于在方案設(shè)計之初就針對日后可能出現(xiàn)的技術(shù)難關(guān)儲備多種“備份方案”，因此更加適合設(shè)計難度和風(fēng)險較大的創(chuàng)新型項目。

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