某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)降低阻力矩技術(shù)研究

趙洪豐 曹艷 張?jiān)撇?/p>

摘 ?要：針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)靜子葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)卡滯故障，從調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理入手，分析故障原因，試驗(yàn)各因素的影響程度，進(jìn)而提出有效降低壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)阻力矩的工藝措施。研究得出，通過提高葉片加工精度，裝配時(shí)進(jìn)行機(jī)件選配，增大靜子葉片外端襯套與搖臂之間的間隙，降低聯(lián)動(dòng)環(huán)剛度能夠有效降低調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)阻力矩。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);壓氣機(jī);調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);阻力矩

Research on the technology to reduce the resistance moment for the adjustable mechanisms of Aero-engine’s high-pressure compressor

Zhao Hongfeng，Cao Yan

（AECC Shenyang Aeroengine Research Institute，Shenyang 110015，China）

Abstract：The （缺翻譯）

Keywords：aeroengine（缺翻譯）

引言

為了保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下安全高效地工作，達(dá)到較高的性能水平，可調(diào)靜子葉片結(jié)構(gòu)因其能夠提高非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速性能而被廣泛應(yīng)用。通過調(diào)節(jié)靜子葉片角度，使得轉(zhuǎn)子葉片處于滿意的攻角下工作，從而避免了喘振，改善了壓氣機(jī)的工作特性 [1-4]。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)控制壓氣機(jī)多級(jí)可調(diào)靜子葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[5]，使靜子葉片角度產(chǎn)生改變。一旦靜子葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)發(fā)生失效，例如葉片轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)阻滯力大等，將會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)喘振并造成安全隱患[6-7]。

本文基于某型發(fā)動(dòng)機(jī)因高壓壓氣機(jī)靜子葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)機(jī)械阻滯力偏大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡滯的故障，研究調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理，制定行之有效的阻力矩控制工藝措施，達(dá)到降低調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)阻力矩的目的。

1調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理

某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)采用0～3級(jí)可調(diào)靜子葉片結(jié)構(gòu)，其中靜子葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖1所示，由左、右作動(dòng)筒，左、右傳動(dòng)搖臂，左、右操縱支架、0～3級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)、葉片搖臂等組成。

0～3級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)（見圖2）由上半環(huán)1、下半環(huán)3、搭接段2用螺栓連接成整環(huán)。搭接段上有凸耳，與操縱支架上的各級(jí)球頭連桿相聯(lián)。

操縱支架（見圖3）由上支架12，下支架11，0～3級(jí)曲柄5、6、7、9，0～3級(jí)球形連桿1、2、3、4，驅(qū)動(dòng)連桿8等組成。驅(qū)動(dòng)連桿8與0～3級(jí)曲柄一端相連，組成四連桿機(jī)構(gòu);曲柄另一端通過球形連桿與聯(lián)動(dòng)環(huán)上的凸耳相連。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)由主泵調(diào)節(jié)器控制左、右作動(dòng)筒使其同步往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)左、右傳動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)搖臂將活塞桿的位移變化轉(zhuǎn)變成角度變化;

（2）傳動(dòng)搖臂帶動(dòng)操縱支架的套齒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)連桿帶動(dòng)0～3級(jí)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，將傳動(dòng)搖臂的角度變化轉(zhuǎn)變成操縱支架上0～3級(jí)曲柄的擺動(dòng);

（3）0～3級(jí)曲柄通過球形連桿連接0～3級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)，曲柄的擺動(dòng)直接帶動(dòng)球形連桿的位移變化，進(jìn)而使0～3級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)產(chǎn)生周向轉(zhuǎn)動(dòng);

（4）葉片與聯(lián)動(dòng)環(huán)通過葉片搖臂連接，葉片的外端頸部與葉片搖臂連成一體，搖臂另一端與聯(lián)動(dòng)環(huán)連接，當(dāng)聯(lián)動(dòng)環(huán)周向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，搖臂和葉片就隨著聯(lián)動(dòng)環(huán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)0～3級(jí)靜子葉片的無級(jí)調(diào)節(jié)。

2故障原因分析

依據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作原理，初步判定靜子葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可能存在機(jī)械阻滯力的部位主要包括：操縱支架、聯(lián)動(dòng)環(huán)、葉片內(nèi)外轉(zhuǎn)軸等有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和限位的部位。但是這些部位涉及上千個(gè)零件和運(yùn)動(dòng)副，若要逐個(gè)進(jìn)行影響分析是不易實(shí)現(xiàn)的。為此，我們將這些可能影響因子歸類處理，分為葉片、聯(lián)動(dòng)環(huán)、操縱支架三部分，列出故障樹（見圖3），分析產(chǎn)生機(jī)械阻滯力的因素，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，最終獲取有效降低阻力矩的工藝措施。

3試驗(yàn)分析

3.1葉片產(chǎn)生阻力矩的試驗(yàn)

針對(duì)葉片產(chǎn)生的阻力矩，試驗(yàn)對(duì)比分析單級(jí)葉片阻力矩與總阻力矩，分析單級(jí)葉片的影響程度：

3.1.1單級(jí)葉片阻力矩試驗(yàn)

分別連接0～3級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)與操作支架，試驗(yàn)分析哪個(gè)單級(jí)力矩對(duì)總力矩影響較大。

通過試驗(yàn)檢測(cè)0～3級(jí)靜子葉片在角度區(qū)間（從開角open至閉角close和從閉角close至開角open）內(nèi)的單級(jí)阻力矩和總阻力矩，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，各級(jí)葉片在開角最大狀態(tài)（OpenMax）時(shí)，總阻力矩受第1、2級(jí)葉片的阻力矩影響明顯。

試驗(yàn)檢測(cè)0～3級(jí)靜子葉片各單級(jí)的缺失力矩，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，葉片角度在到達(dá)開角最大狀態(tài)（OpenMax）時(shí)，各級(jí)葉片缺失力矩都增大，但其中1級(jí)靜子葉片、2級(jí)靜子葉片缺失力矩相對(duì)偏小，反向說明第1、2級(jí)靜子葉片阻力矩較大。

通過對(duì)比0～3級(jí)靜子葉片阻力矩與總阻力矩，如圖7所示，0級(jí)靜子葉片阻力矩占總阻力矩的29%;1級(jí)靜子葉片阻力矩占總阻力矩的38%;2級(jí)靜子葉片阻力矩占總阻力矩的34%;3級(jí)靜子葉片阻力矩占總阻力矩的15%。

而操縱支架產(chǎn)生的阻力矩只占總阻力矩的5%左右，相對(duì)于單級(jí)葉片阻力矩，對(duì)總阻力矩的影響非常小。

3.1.2 ?降低葉片產(chǎn)生的阻力矩措施

上述0～3級(jí)靜子葉片的阻力矩試驗(yàn)結(jié)果，包含了葉片和0～3級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)的影響，單純降低葉片產(chǎn)生的阻力矩，可以采取以下措施：

（1）針對(duì)葉片內(nèi)外軸頸不同心，可在葉片生產(chǎn)制造時(shí)提高加工精度進(jìn)行控制;

（2）針對(duì)葉片內(nèi)外軸頸接觸部位不光滑，可在葉片裝配時(shí)，通過修磨，剔除毛刺進(jìn)行控制;

（3）針對(duì)葉片與葉片搖臂不同心，可在葉片裝配時(shí)，選配葉片與葉片搖臂進(jìn)行控制。

3.2 ?聯(lián)動(dòng)環(huán)產(chǎn)生阻力矩的試驗(yàn)

3.2.1 ?聯(lián)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力矩試驗(yàn)

聯(lián)動(dòng)環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為防止聯(lián)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與機(jī)匣干涉，周向均布調(diào)整螺釘，限制聯(lián)動(dòng)環(huán)與機(jī)匣之間的間隙。

以1、2級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)為主要試驗(yàn)對(duì)象，去除可能造成調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中聯(lián)動(dòng)環(huán)與機(jī)匣間隙偏小的調(diào)整螺釘，進(jìn)行正常狀態(tài)與去除1、2級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)調(diào)整螺釘狀態(tài)的阻力矩對(duì)比分析試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，在去除1、2級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)調(diào)整螺釘?shù)那闆r下，總阻力矩有明顯下降，同時(shí)1、2級(jí)靜子葉片單級(jí)阻力矩在閉角處有明顯的下降。由此說明，聯(lián)動(dòng)環(huán)上的調(diào)整螺釘與機(jī)匣在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生了干涉，增大了阻力矩。

3.2.2 ?聯(lián)動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)阻力矩的影響試驗(yàn)

采用空心結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)環(huán)、二段式實(shí)心聯(lián)動(dòng)環(huán)、四段式實(shí)心聯(lián)動(dòng)環(huán)三種不同結(jié)構(gòu)，通過試驗(yàn)分析不同剛性聯(lián)動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)總阻力矩的影響。

試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，空心結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)環(huán)，比二段式實(shí)心聯(lián)動(dòng)環(huán)、四段式實(shí)心聯(lián)動(dòng)環(huán)在閉角過程中，總阻力矩有明顯下降。

3.2.3 ?降低聯(lián)動(dòng)環(huán)產(chǎn)生的阻力矩措施

（1）采用空心結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)環(huán)，降低聯(lián)動(dòng)環(huán)剛度，可以降低阻力矩。

（2）因聯(lián)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的偏心、結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致葉片不在同一半徑轉(zhuǎn)動(dòng)，可通過增加葉片軸外端襯套與搖臂間的間隙，進(jìn)而增大葉片的徑向活動(dòng)間隙，降低聯(lián)動(dòng)環(huán)產(chǎn)生的影響。

通過試驗(yàn)對(duì)比分析增大葉片軸外端襯套與搖臂間的間隙0.1mm的前后阻力矩情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，總阻力矩，1、2級(jí)靜子葉片單級(jí)阻力矩均有所降低。

4 結(jié)語

綜上所述，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)卡滯故障，可以通過提高葉片加工精度，裝配時(shí)進(jìn)行機(jī)件選配，增大靜子葉片外端襯套與搖臂之間的間隙，降低聯(lián)動(dòng)環(huán)剛度等措施，有效降低調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)阻力矩。

參考文獻(xiàn)

[1]馮牧紫.可調(diào)靜子間隙對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響[J].中國科技博覽，2015，（4）：221—222.

[2]張健，任銘林.靜葉角度調(diào)節(jié)對(duì)壓氣機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2000，15（1）：27—30.

[3]夏聯(lián)，崔健，顧揚(yáng).可調(diào)靜葉對(duì)壓氣機(jī)低速性能影響的試驗(yàn)研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2005，18（1）：31—34.

[4]黃愛華.渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)靜子葉片控制規(guī)律研究[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2017，30（1）：48—51.

[5]趙四洋，張健新，路超.高壓壓氣機(jī)可調(diào)葉片角度控制系統(tǒng)及應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2013，（27）：55—56.

[6]沈光輝.某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉角度不歸位的故障分析[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2016，（22）：59—60.

[7]唐秀娟，尚瑜娟，孫青素.某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)向器葉片轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯故障分析與排除[J].航空維修與工程，2018，（12）：91—92.

作者簡介：

趙洪豐，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)。