民用航空發(fā)動機轉子熱彎曲問題分析

■ 曾濤/中國航發(fā)商發(fā)

航空發(fā)動機地面關車后，內(nèi)部的熱不平衡會導致轉子出現(xiàn)熱彎曲現(xiàn)象。轉子熱彎曲可能導致發(fā)動機振動超限和機械損傷，為解決轉子熱彎曲問題，須在發(fā)動機設計、試驗和運行三方面采取相應措施。

卡塔爾航空公司是配裝PW1000G發(fā)動機A320neo飛機原定的啟動用戶，但A320neo在交付前暴露的發(fā)動機問題，導致其拒絕接收配裝了PW1000G發(fā)動機的A320neo飛機。2016年2月15日，由漢莎航空公司作為啟動用戶接收了首架A320neo飛機（見圖1）。PW1000G初始運行中出現(xiàn)了兩個主要問題，一是產(chǎn)生了大量的全權限數(shù)字式控制（FADEC）系統(tǒng)虛警信息，二是本文要重點討論的轉子熱彎曲問題。由于嚴重的轉子熱彎曲問題，PW1000G發(fā)動機在地面重新起動發(fā)動機時要預先執(zhí)行4～5min的冷運轉[1]，直接影響了航班的周轉。同時，由于熱彎曲導致的機械剮蹭改變了發(fā)動機高壓部件的間隙，使得發(fā)動機效率下降，導致航空公司運營成本增加。面對航空公司的壓力，普惠公司不得不暫停交付發(fā)動機并對發(fā)動機進行設計改進。為了解決PW1000G發(fā)動機的熱彎曲問題，普惠公司對PW1000G發(fā)動機碳封嚴設計進行了改進，在壓氣機葉尖增加高強度的立方氮化硼（CBN）涂層，并在壓氣機軸承增加了阻尼裝置。相關問題解決后，PW1000G發(fā)動機才得以恢復交付。無獨有偶，CFM國際公司的LEAP發(fā)動機也出現(xiàn)了發(fā)動機轉子熱彎曲的問題。為了解決轉子熱彎曲的問題，CFM國際公司在發(fā)動機起動過程中增加了30s左右的冷運轉。

圖1 漢莎航空成為配裝PW1000G的A320neo啟動用戶

現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動機對于輕質量、高效率的要求越來越高。更輕的質量要求導致了更薄的機匣和葉盤設計。更高的熱效率要求導致了更高的發(fā)動機運行溫度。同時，大涵道比設計帶來不同的發(fā)動機整體振動特性。這幾種因素使得新型大涵道比發(fā)動機的轉子熱彎曲問題遠比傳統(tǒng)中低涵道比發(fā)動機更為嚴重。本文綜合參考國內(nèi)外研究成果和國產(chǎn)民機型號設計經(jīng)驗，針對航空發(fā)動機轉子熱彎曲的現(xiàn)象特征、運行影響和設計解決措施進行討論。

轉子熱彎曲現(xiàn)象

對于完全冷卻或者正常運行的發(fā)動機而言，發(fā)動機轉子的重心位置與發(fā)動機軸線保持一致。發(fā)動機地面關車后，內(nèi)部存在余熱，高溫部件會從工作溫度逐漸冷卻下來。由于冷卻過程受到發(fā)動機結構設計、傳熱設計等因素影響，發(fā)動機各截面的溫度出現(xiàn)不均勻分布。

圖2 關車90min后高壓壓氣機溫度分布

圖3 發(fā)動機核心機轉子偏心量隨關車時間的變化示意圖

發(fā)動機關車后，存在兩個溫度梯度：發(fā)動機垂直方向的溫度梯度和發(fā)動機軸向的溫度梯度。發(fā)動機內(nèi)部自然對流換熱，熱空氣上升，形成了垂直方向的溫度梯度。同時，發(fā)動機高溫部件熱量沿流路的傳遞，導致了發(fā)動機軸向的溫度梯度。

MTU公司對關車90min后的高壓壓氣機溫度分布進行了測量，如圖2所示[2]，可見溫度在垂直方向和軸向均存在梯度，并呈現(xiàn)出越靠近燃燒室，垂直高度越高，溫度越高的特點。

發(fā)動機關車后，其溫度是一個逐漸下降的過程。關車后較短時間內(nèi)，發(fā)動機各部件仍處于較高溫度水平，發(fā)動機轉子偏心水平也較低。隨著關車時間增加，由于發(fā)動機內(nèi)部結構和自然對流換熱的影響，轉子上部溫度偏高，下部溫度相對較低，形成垂直方向的溫度梯度，導致轉子重心上移。同時，發(fā)動機軸向的余熱又導致了各級轉子在軸向的溫度梯度。在垂直方向和軸向雙重溫度梯度，以及因結構形成的復雜換熱路徑的影響下，發(fā)動機內(nèi)溫度不均勻性隨關車時間逐漸增大，發(fā)動機轉子偏心量也隨之增加。在發(fā)動機轉子到達最大不平衡狀態(tài)后，發(fā)動機各部件趨于冷卻狀態(tài)，各級轉子的偏心量也逐漸減小，直至發(fā)動機冷卻到冷機狀態(tài)，發(fā)動機內(nèi)部恢復均勻溫度場，發(fā)動機轉子熱彎曲消失。因此，發(fā)動機轉子熱彎曲呈現(xiàn)出先增加后減小的時間特性?；谶\行經(jīng)驗得到的轉子彎曲隨時間變化示意圖如圖3所示。

需注意的是，空中停車時發(fā)動機轉子在風車效應下持續(xù)轉動，不會出現(xiàn)內(nèi)部熱不平衡，也就不會出現(xiàn)轉子熱彎曲現(xiàn)象。因此，轉子熱彎曲問題通常發(fā)生在發(fā)動機地面關車之后。

綜上所述，航空發(fā)動機轉子熱彎曲是一種由熱不平衡導致的可恢復的轉子軸彎曲現(xiàn)象，可視作發(fā)動機地面關車后由熱態(tài)到冷態(tài)轉換過程的中間產(chǎn)物。

轉子熱彎曲影響

轉子熱彎曲通常會帶來振動和間隙兩方面的問題。

彎曲模態(tài)帶來的發(fā)動機振動問題

圖4 轉子熱彎曲形態(tài)受支撐結構影響示意圖

發(fā)動機轉子熱彎曲形態(tài)會受發(fā)動機支撐形式等因素影響，不同的支撐方案將帶來不同的彎曲形態(tài)，如圖4所示。轉子熱彎曲振動特性為一階振型[4]，若在轉子熱彎曲的狀態(tài)下執(zhí)行發(fā)動機重新起動，發(fā)動機運行的振動值會明顯上升。當發(fā)動機轉速運行到共振轉速時，有可能導致發(fā)動機振動嚴重超限甚至機械損傷。若共振轉速高于發(fā)動機慢車轉速，發(fā)動機可以通過起動后熱機運行消除轉子熱彎曲。但若共振轉速低于發(fā)動機慢車轉速，則將導致發(fā)動機起動過程中出現(xiàn)振動超限甚至機械損傷，發(fā)動機無法起動。

轉子葉尖間隙改變導致的機械損傷

轉子熱彎曲狀態(tài)下的發(fā)動機運行可以視為一個彎曲的轉軸以固定支點為圓心進行周向運行。由于轉子熱彎曲導致的偏心，發(fā)動機轉子葉片葉尖間隙分布發(fā)生變化，轉子葉片旋轉過程可能與機匣發(fā)生剮蹭，從而導致葉尖間隙增大，發(fā)動機性能衰退，嚴重情況下甚至可能導致葉片和機匣的機械損傷進而影響發(fā)動機安全運行。

轉子熱彎曲的數(shù)值建模分析

為了在設計中對發(fā)動機的轉子熱彎曲特性進行評估和檢查，有必要對發(fā)動機轉子熱彎曲現(xiàn)象進行數(shù)值建模?；趯釓澢^程的分析，轉子熱彎曲的數(shù)值建模應考慮轉子幾何特征、初始溫度場、轉子溫度場的垂直方向和軸向梯度、轉子內(nèi)的溫降曲線等因素。通過數(shù)值建模，應能確定彎曲轉子狀態(tài)下的發(fā)動機軸彎曲形態(tài)和彎曲轉子狀態(tài)下的振動特性，包括共振轉速、振動幅值。

萊昂納多和米歇爾在文獻[3]中給出了一種轉子熱彎曲的數(shù)值模擬方法。結合數(shù)學模型、有限元分析和試驗數(shù)據(jù)，萊昂納多和米歇爾給出了發(fā)動機轉子熱彎曲敏感性公式，并認為發(fā)動機轉子熱彎曲受到支撐結構、溫度梯度和對流換熱特性等關鍵因素的影響。

轉子熱彎曲的解決方法

轉子熱彎曲是葉輪機械中的普遍現(xiàn)象?，F(xiàn)代渦扇發(fā)動機對于輕質量、高效率的要求，使得現(xiàn)代高涵道比渦扇發(fā)動機的轉子熱彎曲問題變得愈加突出。如同PW1000G發(fā)動機運行體現(xiàn)出的，轉子熱彎曲已經(jīng)成為現(xiàn)代航空發(fā)動機設計必須重視的一個問題?；谇笆鰧D子熱彎曲產(chǎn)生過程和影響機理的分析，并結合已有型號經(jīng)驗，分別就發(fā)動機設計、試驗和運行使用給出建議解決措施如下。

發(fā)動機設計中的轉子熱彎曲考慮

發(fā)動機設計中應綜合考慮發(fā)動機傳熱、強度和葉尖間隙設計三方面因素對發(fā)動機彎曲轉子特性進行設計優(yōu)化。

一是優(yōu)化關車后傳熱設計。發(fā)動機設計中應開展關車后熱特性分析，對封嚴方案進行優(yōu)化設計，降低發(fā)動機關車后的垂直溫度梯度。以PW1000G為例，為解決彎曲轉子問題對第3級高壓壓氣機軸承的空氣碳封嚴進行了改進[1]，以改善發(fā)動機關車后的熱不平衡狀態(tài)。

二是優(yōu)化轉子支撐結構設計。轉子支撐結構設計中應考慮兩方面因素：一是在發(fā)動機支撐結構設計中考慮轉子熱彎曲的影響，對彎曲模態(tài)和共振轉速進行控制；二是在支撐系統(tǒng)上增加阻尼裝置，降低轉子熱彎曲運行的振動值。以PW1000G項目為例，普惠公司在第3級壓氣機和第4級壓氣機軸承上增加了阻尼裝置[1]。

三是優(yōu)化葉尖間隙設計。葉尖間隙設計中預先考慮轉子熱彎曲問題，改進葉尖涂層，保證碰磨后的效率。以PW1000G項目為例, 普惠公司在高壓壓氣機葉尖增加了高強度的立方氮化硼（CBN）涂層，使葉尖碰磨機匣耐磨層后仍可保持封嚴[1]。

發(fā)動機試驗中的轉子熱彎曲考慮

發(fā)動機試驗中建議開展彎曲轉子特性摸底，并在試驗操縱程序中考慮防護措施。

首先，開展核心機和整機轉子熱彎曲特性檢查，對不同關車時間后發(fā)動機重新起動過程中的振動、葉尖間隙特性進行試驗測量；其次，發(fā)動機試驗操作程序中應增加充分的冷運轉或者熱車程序以降低發(fā)動機的轉子彎曲水平。

發(fā)動機運行使用中的轉子熱彎曲解決措施

發(fā)動機的裝機運行使用中，也可采用進一步措施處理轉子熱彎曲問題。

一是起動中冷運轉。若在起動過程中遭遇轉子熱彎曲問題，可通過在起動過程中增加一定時間的冷運轉（干運轉）來消除轉子熱彎曲，然后執(zhí)行正常起動程序。以雙軸發(fā)動機為例，正常起動過程的N2變化示意如圖5所示，增加冷運轉起動過程的N2變化示意如圖6所示。圖中起動時間為標準天條件下的參考值；N2進行了無量綱化，為發(fā)動機核心機轉速N與慢車狀態(tài)核心機轉速Nidle的比值。以LEAP發(fā)動機為例，在起動過程中增加了30s左右的冷運轉時間以消除轉子熱彎曲保證正常起動。此方案會增加發(fā)動機起動時間，但就總體而言對發(fā)動機航線使用影響較小，建議在設計中按需使用。

圖5 無轉子熱彎曲起動過程N2變化示意圖

圖6 轉子熱彎曲狀態(tài)下起動過程N2變化示意圖

二是關車前低功率熱機。在條件允許的情況下，可以在關車前執(zhí)行一定時間慢車熱機，降低發(fā)動機內(nèi)溫度水平，進而改善轉子熱彎曲問題。PW1500G發(fā)動機的試車指南中，要求停車前在低于70%N2的狀態(tài)至少運轉10min，其主要目的是為了減輕轉子熱彎曲問題。該措施對航線運行會產(chǎn)生影響，需與飛機方及航空公司充分溝通后采用。

三是關車后冷運轉。在條件允許的情況下，可以在發(fā)動機關車后補充執(zhí)行冷運轉，通過強制通風手段降低發(fā)動機內(nèi)余溫，改善轉子熱彎曲問題。與關車前熱機相似，該措施也需與飛機方及航空公司充分溝通后采用。

結束語

對于航空發(fā)動機，轉子熱彎曲是指由發(fā)動機關車后熱不平衡導致的可恢復的轉子軸彎曲現(xiàn)象。該現(xiàn)象主要發(fā)生在地面關車后，受到關車后溫度梯度和發(fā)動機轉子支撐結構等因素的影響。轉子熱彎曲可能導致發(fā)動機振動超限和機械損傷。因此須在航空發(fā)動機設計和運行中充分考慮熱彎曲的影響。本文綜合已有研究成果和型號經(jīng)驗，在發(fā)動機設計、試驗和運行三方面給出了處理轉子熱彎曲問題的建議措施，希望為相關設計人員提供參考。