淺談民用大涵道比發(fā)動機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉尖間隙控制

白志剛，印雪梅

（中國航發(fā)沈陽航空發(fā)動機(jī)研究所，遼寧 沈陽 110015）

航空發(fā)動機(jī)間隙控制是指對轉(zhuǎn)靜子軸向間隙和徑向間隙的控制，合理的設(shè)計間隙對降低發(fā)動機(jī)排氣溫度與提高使用可靠性有著十分重要的影響。資料顯示，轉(zhuǎn)子徑向間隙增大，導(dǎo)致壓氣機(jī)流量、壓比、效率和喘振裕度下降，每增大1%轉(zhuǎn)子葉尖相對間隙，級效率下降1．5%；葉尖間隙過小會引起發(fā)動機(jī)抱軸、轉(zhuǎn)靜子碰磨等故障。因此，合理控制葉尖間隙對發(fā)動機(jī)效率和可靠性有著十分重要的影響。

1 徑向間隙的設(shè)計

葉尖間隙設(shè)計研究工作是一項系統(tǒng)而又專業(yè)的綜合設(shè)計工作，它涉及發(fā)動機(jī)的多個部件和多個專業(yè)，同時又受到多種使用因素的影響，如果考慮不全，設(shè)計的間隙可能和實際相差很大。

式中：pS—工作間隙；mS—安裝間隙，即冷態(tài)設(shè)計間隙；

cδ—機(jī)匣徑向變形；dδ—盤徑向變形；bδ—葉片徑向變形；yδ—盤、葉片軸向變形對徑向間隙的影響。

以圖1所示大涵道比發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉尖間隙設(shè)計為例，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計間隙為1．4～2．0mm，按照1式計算所得工作間隙最小為0．05mm。

表1為該大涵道比發(fā)動機(jī)裝配的間隙，從表中可以看出，間隙的平均值為1．82mm，符合設(shè)計要求1．4～2．0mm，但從測量的正上、水平右、正下、水平左四個位置上的間隙值可以看出，局部間隙大于2．0，間隙周向差異大，局部存在超差，另外，試車后風(fēng)扇機(jī)匣涂層出現(xiàn)局部磨損。

表1 裝配間隙值

圖1 風(fēng)扇部分的轉(zhuǎn)靜子連接結(jié)構(gòu)簡圖

2 問題分析

發(fā)動機(jī)的葉尖工作間隙由安裝間隙、穩(wěn)態(tài)載荷、振動載荷等因素共同決定，針對發(fā)動機(jī)葉尖間隙周向不均和機(jī)匣涂層磨損，結(jié)合大涵道比發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)特點，對重點影響葉尖間隙因素進(jìn)行分析，具體如下。

2.1 葉尖間隙周向局部超差復(fù)查

安裝間隙是影響發(fā)動機(jī)工作間隙pS重要因素之一，風(fēng)扇機(jī)匣變形，轉(zhuǎn)靜子同軸等因素會影響葉尖間隙的周向均勻性，分別予以考慮，具體如下。（1）風(fēng)扇機(jī)匣變形復(fù)查。風(fēng)扇機(jī)匣裝在中介機(jī)匣前部，風(fēng)扇機(jī)匣為大尺寸薄壁件，懸臂長，裝配狀態(tài)測量風(fēng)扇機(jī)匣涂層柱面跳動將近1mm，復(fù)測新加工機(jī)匣的跳動，發(fā)現(xiàn)跳動普遍大于0．5mm，超過圖紙要求的0．2mm。復(fù)查加工工藝發(fā)現(xiàn)，新件加工完成，直接在機(jī)床上檢查跳動。分析認(rèn)為：由于加工應(yīng)力、輔助支撐等因素存在，機(jī)匣自由狀態(tài)放置一段時間后，應(yīng)力釋放，機(jī)匣發(fā)生較大變形，導(dǎo)致跳動增大。（2）轉(zhuǎn)靜子同軸度復(fù)查。為了掌握發(fā)動機(jī)承力構(gòu)件的變形、裝配中支點同軸度的實際情況，以承力機(jī)匣后止口為基準(zhǔn)測量前、后支點軸承座跳動，測量結(jié)果見表2。從表中可以看出，前支點跳動0．03，符合設(shè)計要求，后支點跳動為0．05，超差0．01；經(jīng)計算分析，前支點位置度為0．01，后支點位置度為0．02，轉(zhuǎn)靜子同軸度在0．02內(nèi)，符合設(shè)計要求，對葉尖周向間隙的影響可忽略不計。

表2 前后支點跳動值

2.2 風(fēng)扇機(jī)匣涂層磨損復(fù)查

為查明風(fēng)扇機(jī)匣涂層磨損的原因，對設(shè)計間隙、發(fā)動機(jī)工作可靠性進(jìn)行復(fù)查，具體如下：（1）設(shè)計間隙復(fù)查。首先復(fù)查風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片冷態(tài)間隙，風(fēng)扇葉片葉尖帶一定的傾斜角，安裝間隙計算需考慮徑向和軸向影響因素，首先固定風(fēng)扇葉片與風(fēng)扇機(jī)匣的相對軸向位置，在徑向方向上考慮影響間隙的因素，然后，在軸向方向上，考慮軸向串動對徑向間隙的影響，通過尺寸鏈計算，風(fēng)扇葉片的安裝間隙在1．4～2．0mm之間，與圖紙要求相同，根據(jù)公示（1）計算的熱態(tài)間隙準(zhǔn)確無誤。（2）可靠性復(fù)查。對影響發(fā)動機(jī)工作可靠性的重要因素進(jìn)行復(fù)查，低壓渦輪帶動低壓風(fēng)扇工作，風(fēng)扇軸需將渦輪輸出的功傳遞給風(fēng)扇盤，進(jìn)而帶動低壓風(fēng)扇工作，因此，需對風(fēng)扇軸與風(fēng)扇盤工作的可靠性進(jìn)行復(fù)查。

本文設(shè)計的風(fēng)扇軸與風(fēng)扇盤選擇止口定心，螺栓壓緊的連接形式。過盈聯(lián)接的可靠性取決于實際過盈量、傳遞載荷所需的最小過盈量和聯(lián)接件不發(fā)生塑性變形或斷裂所允許的最大過盈量之間的關(guān)系，過盈配合的失效包括工作時配合面上產(chǎn)生相對滑動、風(fēng)扇盤塑性變形、風(fēng)扇軸產(chǎn)生塑性變形三種形式。如果分別用T1(X)、T2(X)和T3(X)來表示這三個事件不發(fā)生的概率(可靠性)，則整個配合系統(tǒng)的可靠性可表示為：T(X)=T1(X)·T2(X)·T3(X)。假設(shè)它服從正態(tài)分布，通過分析計算，將止口配合設(shè)計為過盈量為0．106～0．19mm的基孔制配合。風(fēng)扇盤和風(fēng)扇軸壓緊力的設(shè)計，需考慮扭矩，氣動力，機(jī)動飛行引起的慣性力和陀螺力力矩等各種載荷引起的軸向松弛力和壓緊力，保證裝配擰緊力矩全狀態(tài)滿足摩擦傳扭的要求，經(jīng)過計算，周向分布30個螺栓，預(yù)緊力不小于100N·M時，可滿足發(fā)動機(jī)摩擦傳扭的需求。

查閱國外成熟民用大涵道比發(fā)動機(jī)，如CMF56系列發(fā)動機(jī)，風(fēng)扇盤和風(fēng)扇軸的配合方式及螺栓數(shù)量與本文方案相同，預(yù)緊力不小于80N·M，止口過盈量多在0．06～0．19之間。另外，本方案發(fā)動機(jī)試車過程，發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定，振動符合設(shè)計要求，因此認(rèn)為，本文風(fēng)扇軸和風(fēng)扇盤的連接方案可靠。

2.3 小結(jié)

風(fēng)扇機(jī)匣的跳動值與葉尖間隙周向差異接近，轉(zhuǎn)靜子的同心度較好，對周向間隙的影響可忽略不計，因此認(rèn)為，葉尖間隙周向不均勻主要由風(fēng)扇機(jī)匣變形引起。通過風(fēng)扇機(jī)匣涂層磨損原因的復(fù)查可知，間隙設(shè)計正確，發(fā)動機(jī)工作可靠，涂層磨損的原因應(yīng)為熱態(tài)間隙計算時，影響葉尖的間隙因素考慮的不全，熱彎曲、振動等因素，對葉尖間隙的影響目前還難以量化，后續(xù)應(yīng)根據(jù)試車情況進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

3 問題解決

增加風(fēng)扇機(jī)匣放置時間和自由狀態(tài)測量跳動的要求，控制機(jī)匣跳動，將風(fēng)扇機(jī)匣裝配狀態(tài)的跳動控制在0．5mm以內(nèi)。因涂層磨損的程度輕，試車發(fā)動機(jī)臺份少，葉尖間隙暫不優(yōu)化。表3為采用控制葉尖間隙措施后，測量得到的3臺發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片葉尖間隙，從表中可以看出，風(fēng)扇葉片葉尖裝配間隙周向相差均在0．5mm內(nèi)，葉尖間隙周向不均的現(xiàn)象得到很大程度的控制，因此認(rèn)為，控制葉尖間隙周向不均的措施有效。

表3 采用控制措施后的風(fēng)扇葉片葉尖間隙

4 結(jié)語

通過對影響葉尖間隙因素的復(fù)查，得出對間隙設(shè)計有工程指導(dǎo)價值的經(jīng)驗，具體如下：（1）安裝間隙是影響發(fā)動機(jī)工作間隙pS重要因素之一，通過控制葉尖間隙相關(guān)的軸向、徑向尺寸及公差，保證各臺發(fā)動機(jī)葉尖間隙好的一致性，性能更穩(wěn)定。（2）葉尖間隙周向不均同樣對發(fā)動機(jī)的性能和可靠性有重要影響，需注意控制機(jī)匣變形、控制轉(zhuǎn)靜子同軸度，保證間隙周向均勻。（3）風(fēng)扇軸和風(fēng)扇盤的連接方案是影響發(fā)動機(jī)工作可靠性的重要因素之一，需保證風(fēng)扇軸和風(fēng)扇盤工作可靠。（4）發(fā)動機(jī)工作存在熱彎曲、振動等難以定量計算的因素，理論計算所得的間隙與實際情況會有差別，可根據(jù)后續(xù)試車進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳炳貽． 航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖間隙測量[J]，測控技術(shù) ．2001．23(1):5-7．

[2]Scott B, Lattime, Burce M, et al ．Turbine engine clearance control systems: current practices and future directions．NASA/TM-211794,2002．