提高發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性技術(shù)研究

■ 孫博 王東 呂春光 田靜 趙威 白素娟 韓君 耿旭 洪昊然 孫佳偉/中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是由多構(gòu)件、多界面組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性指的是在構(gòu)件之間的界面上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的匹配協(xié)調(diào)，降低產(chǎn)品對(duì)外界環(huán)境及載荷的敏感性和分散度，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)能夠承受和抵抗各種復(fù)雜的載荷變化而不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)甚至失效，使產(chǎn)品更加可靠。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)示意圖

從目前先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制總體趨勢(shì)和研制過程來看，結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性和耐久性至關(guān)重要，是保證發(fā)動(dòng)機(jī)從一個(gè)方案發(fā)展為一型產(chǎn)品的關(guān)鍵，它始終是發(fā)動(dòng)機(jī)研制方追求的目標(biāo)，是貫穿于發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期的一項(xiàng)研究課題。中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，從飛發(fā)結(jié)構(gòu)界面、部件間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)界面、部件間靜子結(jié)構(gòu)界面，以問題為導(dǎo)向，找出原有結(jié)構(gòu)中的不足開展分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)優(yōu)化改進(jìn)，通過計(jì)算分析和校核確認(rèn)改進(jìn)效果并開展了試驗(yàn)驗(yàn)證。

飛發(fā)結(jié)構(gòu)界面：針對(duì)矢量推力的安裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性優(yōu)化改進(jìn)

存在問題及原因分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)之間的連接界面之一，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力是通過安裝系統(tǒng)傳遞給飛機(jī)的。目前先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)往往帶有矢量推力功能，而矢量推力功能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)安裝系統(tǒng)的要求與常規(guī)推力有所不同。此外，不同結(jié)構(gòu)的矢量噴口所能實(shí)現(xiàn)的矢量功能不同，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)的要求也有所不同，對(duì)安裝系統(tǒng)的載荷更加復(fù)雜。

由于歷史原因，推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)在工程研制早期，整機(jī)安裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)僅以滿足臺(tái)架試車為主要目的，基本沿用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，對(duì)裝機(jī)條件下的安裝系統(tǒng)功能考慮不足。與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，僅在輔助安裝面增加了一處側(cè)拉桿，用于臺(tái)架上矢量功能的驗(yàn)證。這樣的安裝形式無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在飛機(jī)上的使用要求。

為解決發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜矢量推力載荷下安裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性問題，首先發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和載荷情況進(jìn)行了分析（如圖1所示），并建立其受力與載荷計(jì)算模型。

圖2 輔助安裝平面

改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過開展載荷分析，對(duì)輔助安裝平面安裝形式進(jìn)行了改進(jìn)，由兩個(gè)安裝點(diǎn)增加為三個(gè)，如圖2所示。

改進(jìn)效果確認(rèn)及驗(yàn)證

在此載荷下，對(duì)輔助安裝平面的結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算和校核，相應(yīng)地，對(duì)安裝節(jié)部位進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)。對(duì)輔助安裝平面安裝節(jié)分兩種工況進(jìn)行強(qiáng)度分析（分別為正常情況和載荷放大工況），評(píng)估是否滿足設(shè)計(jì)要求。從考核部位的強(qiáng)度計(jì)算情況來看，各安裝節(jié)均滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，并盡可能滿足飛機(jī)對(duì)矢量推力的使用要求，如圖3所示。

圖3 輔助安裝節(jié)相關(guān)強(qiáng)度校核

部件間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)界面：高低壓轉(zhuǎn)子間隙優(yōu)化改進(jìn)

存在問題及原因分析

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)中，低壓轉(zhuǎn)子一般為細(xì)長(zhǎng)軸，對(duì)低壓轉(zhuǎn)子的變形和高低壓轉(zhuǎn)子之間徑向間隙的控制一般都較為嚴(yán)格。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其他型號(hào)高低壓轉(zhuǎn)子之間的間隙都普遍較大。對(duì)于低壓渦輪軸較長(zhǎng)的情況，在高機(jī)動(dòng)過載下，綜合分析零組件加工公差及低壓渦輪軸的撓曲變形計(jì)算結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，高壓壓氣機(jī)盤心、高壓渦輪盤心與低壓渦輪軸間隙存在偏小的情況。

改進(jìn)設(shè)計(jì)

經(jīng)多方案的比較分析，綜合權(quán)衡改進(jìn)對(duì)各部件及系統(tǒng)的影響，在盡可能保證相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下（盡量減小改動(dòng)量），通過提高壓氣機(jī)盤心、優(yōu)化低壓渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（增加低渦軸外徑提高轉(zhuǎn)子抗變形能力）、調(diào)整支點(diǎn)位置（縮短高壓轉(zhuǎn)子軸向跨距提高支承剛性）等措施，使高、低壓轉(zhuǎn)子徑向間隙可滿足飛機(jī)機(jī)動(dòng)過載條件下的間隙要求，同時(shí)也保證了低壓轉(zhuǎn)子的動(dòng)力特性，如圖4所示。

圖4 壓氣機(jī)盤心直徑增大

改進(jìn)效果確認(rèn)及驗(yàn)證

從強(qiáng)度和變形分析計(jì)算結(jié)果看，上述改進(jìn)滿足設(shè)計(jì)要求。

部件間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)界面：高低壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剛性及臨界轉(zhuǎn)速的優(yōu)化改進(jìn)

存在問題及臨界轉(zhuǎn)速

通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研究的逐漸深入，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，為了提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性，需要避開彎曲型臨界轉(zhuǎn)速。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在一階彎曲型臨界轉(zhuǎn)速且與低壓限制轉(zhuǎn)速的裕度偏小，經(jīng)分析主要是因?yàn)楦邏恨D(zhuǎn)子剛性偏弱。為此，需要對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述原因，對(duì)高壓轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括：針對(duì)壓氣機(jī)前軸頸錐臂段薄弱部位進(jìn)行局部增厚優(yōu)化改進(jìn)；針對(duì)壓氣機(jī)后軸頸長(zhǎng)度和錐臂段薄弱部位進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；增大壓氣機(jī)與高渦軸之間連接部位的直徑。

圖5 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算模型

圖6 M6螺栓連接的機(jī)匣安裝邊分離趨勢(shì)模擬

改進(jìn)效果確認(rèn)及驗(yàn)證

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，提高了臨界轉(zhuǎn)速，臨界轉(zhuǎn)速的裕度提高約5%，高壓轉(zhuǎn)子抗彎能力增強(qiáng)。從試車情況來看，整機(jī)振動(dòng)情況表現(xiàn)良好，未出現(xiàn)因臨界轉(zhuǎn)速而導(dǎo)致的振動(dòng)超限，如圖5所示。

部件間靜子結(jié)構(gòu)界面：靜子機(jī)匣連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性優(yōu)化改進(jìn)

存在問題及原因分析

以往其他型號(hào)各部件機(jī)匣間采用了較多的傳統(tǒng)的M6規(guī)格螺栓。由于發(fā)動(dòng)機(jī)壓力和溫度載荷較大，早期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用這種傳統(tǒng)的連接方式會(huì)存在問題。

一是機(jī)匣間連接穩(wěn)定性不足。整機(jī)振動(dòng)表現(xiàn)不穩(wěn)定，但分解后往往轉(zhuǎn)子不平衡量或碰摩未見異常，說明因轉(zhuǎn)子不平衡而導(dǎo)致振動(dòng)不穩(wěn)定的可能性不大，因此懷疑很有可能與工作狀態(tài)下靜子機(jī)匣之間的連接穩(wěn)定性不足有關(guān)。

二是機(jī)匣間密封性不足。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣連接面間存在漏氣現(xiàn)象，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能產(chǎn)生不利影響。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增加，流路壓力也會(huì)逐步較高，如果不加以改善，漏氣問題將會(huì)更加明顯（如圖6所示）。

改進(jìn)設(shè)計(jì)

為提高靜子機(jī)匣安裝邊連接處密封性和連接可靠性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比研究。

經(jīng)過研究，將單元體靜子機(jī)匣間連接螺栓規(guī)格由M6調(diào)整為MJ8，提高了連接可靠性和密封性，同時(shí)統(tǒng)一了各機(jī)匣安裝邊螺栓和螺母規(guī)格，形成了型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。此外，針對(duì)不同部件溫度和壓力不同，對(duì)螺栓的布局進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

改進(jìn)效果確認(rèn)及驗(yàn)證

螺栓規(guī)格改進(jìn)后在整機(jī)開展了試車驗(yàn)證，從整機(jī)試車效果看，對(duì)整機(jī)振動(dòng)的穩(wěn)定表現(xiàn)起到了促進(jìn)作用。改進(jìn)后的整機(jī)振動(dòng)情況明顯優(yōu)于改進(jìn)前，振動(dòng)超限現(xiàn)象大幅減少，振動(dòng)幅值降低。

結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性也是一個(gè)復(fù)雜龐大的研究課題。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)從發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的角度，提煉出若干項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)和方法，使總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)有了突破。首先，是首次開展適應(yīng)該種類型矢量推力的整機(jī)安裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了設(shè)計(jì)方法；其次，是首次在同等級(jí)別發(fā)動(dòng)機(jī)上開展高低壓轉(zhuǎn)子間隙和轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)，積累了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；第三，是首次在同等級(jí)別發(fā)動(dòng)機(jī)靜子機(jī)匣上全面開展螺栓規(guī)格選型及布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，積累了螺栓連接設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程中，很多新問題、新挑戰(zhàn)都缺少可供參考和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)研究不斷在摸索中推進(jìn)，在認(rèn)真總結(jié)和分析以往暴露的問題的基礎(chǔ)上，通過消化和吸收先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)理念，對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，取得了良好效果。未來，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)深入鉆研結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法，深入挖掘發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)潛力，不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性和可靠性。