某燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研究

孫遠(yuǎn)偉

(中國航發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)有限公司，沈陽 110179)

壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是燃?xì)廨啓C(jī)部件核心設(shè)計(jì)之一，如何設(shè)計(jì)高效壓氣機(jī)，滿足整機(jī)可靠性及性能匹配需求一直是燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品走向成熟的關(guān)鍵課題之一。航機(jī)性能要求高，為適應(yīng)飛機(jī)的空中工作狀態(tài)，性能要求及喘振裕度高。航改型燃?xì)廨啓C(jī)相對于航機(jī)，除性能要求及喘振裕度外，還要保證壽命長(壓氣機(jī)部件壽命近似等于燃?xì)廨啓C(jī)總壽命)。在不改變壓氣機(jī)葉片材料的前提下，須要降低發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)，降低透平前初溫及轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速。雙涵道渦扇航機(jī)改制成地面燃?xì)廨啓C(jī)的過程比較復(fù)雜，須要新制低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子部件，進(jìn)而減小低壓壓氣機(jī)流道以降低外涵道空氣量，提高地面燃?xì)廨啓C(jī)有效做功能力及效率。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，航改型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)研制成本達(dá)到總成本的50%～60%。如何在保證性能及結(jié)構(gòu)可靠的前提下提高設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性，將成為壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的標(biāo)志之一[1]。

為降低航改型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)研制成本，使航改型燃?xì)廨啓C(jī)能夠進(jìn)入市場并參與競爭，須找到一種有效的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)方案，在符合氣動(dòng)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的前提下，使壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)能夠滿足燃?xì)廨啓C(jī)使用要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)商品化。

1 某航機(jī)低壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

原航機(jī)低壓壓氣機(jī)由進(jìn)氣機(jī)匣組件1、低壓壓氣機(jī)機(jī)匣組件2及低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子3組成(見圖1)。其中進(jìn)氣機(jī)匣組件是發(fā)動(dòng)機(jī)的承力構(gòu)件，主要由帶輪轂及內(nèi)外環(huán)的進(jìn)氣機(jī)匣101及進(jìn)口可調(diào)葉片102組成。進(jìn)口可調(diào)葉片前半部分固定，后半部分可調(diào)，發(fā)動(dòng)機(jī)前支點(diǎn)軸承裝在進(jìn)氣機(jī)匣內(nèi)，個(gè)別進(jìn)氣整流葉片加厚，通入滑油及空氣管路。

1—進(jìn)氣機(jī)匣組件；101—進(jìn)氣機(jī)匣；102—進(jìn)口可調(diào)葉片；2—低壓壓氣機(jī)機(jī)匣組件；201—第一級低壓壓氣機(jī)機(jī)匣；202—第一級靜子葉片組件；203—第二級低壓壓氣機(jī)機(jī)匣；204—第二級靜子葉片組件；205—第三級低壓壓氣機(jī)機(jī)匣；206—第三級靜子葉片組件；207—第四級低壓壓氣機(jī)機(jī)匣前部分；208—第四級低壓壓氣機(jī)機(jī)匣后部分；209—第四級靜子葉片組件及出口整流葉片組件；3—低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子；301—第Ⅰ級動(dòng)葉片；302—第Ⅱ級動(dòng)葉片；303—第Ⅲ級動(dòng)葉片；304—第Ⅳ級動(dòng)葉片；305—盤；4—中介機(jī)匣。圖1 原航機(jī)低壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)

低壓壓氣機(jī)機(jī)匣組件2為整環(huán)結(jié)構(gòu)，由第一至第四級低壓壓氣機(jī)機(jī)匣、第一至第四級靜子葉片組件及出口整流葉片組成。第一、二、三、四級機(jī)匣借助精密螺栓相互定心。在機(jī)匣內(nèi)表面與動(dòng)葉片對應(yīng)部位涂有耐磨涂層。為了便于檢查和修理動(dòng)葉片，在第二、三、四級機(jī)匣上設(shè)有觀察孔。低壓壓氣機(jī)機(jī)匣的前后分別與進(jìn)氣機(jī)匣及中介機(jī)匣通過精密螺栓相連。

低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子3為鼓盤式結(jié)構(gòu)，由第Ⅰ至第Ⅳ級動(dòng)葉片、盤及軸頸組成。

2 某燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)原則

為滿足航改型燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)的可靠性及有效降低制造成本，擬采取如下措施對某航機(jī)低壓壓氣機(jī)進(jìn)行改型設(shè)計(jì)：

(1) 低壓壓氣機(jī)靜子組件結(jié)構(gòu)不變，在流道內(nèi)各級靜子葉片周向及軸向之間增加隔環(huán)和擋片并連接固定，從而減小壓氣機(jī)內(nèi)部流道尺寸。

(2) 為減小設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，低壓壓氣機(jī)盤、軸及動(dòng)葉片榫頭結(jié)構(gòu)不變，根據(jù)減小流通面積后的流道尺寸，新設(shè)計(jì)動(dòng)葉片葉型，滿足氣動(dòng)及強(qiáng)度要求。

(3) 新設(shè)計(jì)低壓壓氣機(jī)總壓比≮2.8,效率≮87%。

2.2 性能評估

某航機(jī)經(jīng)過改型并匹配某動(dòng)力渦輪形成地面航改型燃?xì)廨啓C(jī)。經(jīng)過總體性能匹配計(jì)算，進(jìn)口空氣流量由原航機(jī)的112 kg/s降至51.97 kg/s，低壓壓氣機(jī)按壓比2.87、效率88%設(shè)定，整機(jī)效率32%，具體性能參數(shù)差異見表1。完成低壓壓氣機(jī)氣動(dòng)及強(qiáng)度計(jì)算后對整機(jī)性能參數(shù)再進(jìn)行修正。

表1 某燃?xì)廨啓C(jī)與原航機(jī)性能差異

2.3 靜子部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對改型后的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣流量偏小問題，除降低發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速外，對低壓壓氣機(jī)采取減小流道設(shè)計(jì)。根據(jù)相似準(zhǔn)則，按公式(1)計(jì)算改型后低壓壓氣機(jī)流道外環(huán)內(nèi)徑。

(1)

式中：D1為原低壓壓氣機(jī)進(jìn)口流道外環(huán)內(nèi)徑，mm；D2為原低壓壓氣機(jī)出口流道外環(huán)內(nèi)徑，mm；D11為改型后低壓壓氣機(jī)進(jìn)口流道外環(huán)內(nèi)徑，mm；D21為改型后低壓壓氣機(jī)出口流道外環(huán)內(nèi)徑，mm；d1為進(jìn)口流道內(nèi)環(huán)外徑，mm；d2為出口流道內(nèi)環(huán)外徑，mm；Gg為同等換算轉(zhuǎn)速下改后低壓壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量(在低壓壓氣機(jī)特性線上可以查到)；Gy為同等換算轉(zhuǎn)速下原低壓壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，改后的低壓壓氣機(jī)出口流道外環(huán)內(nèi)徑要比計(jì)算大1%左右，補(bǔ)償因氣流損失導(dǎo)致實(shí)際葉片做功能力下降。中間各級動(dòng)葉片對應(yīng)流道表面尺寸根據(jù)進(jìn)、出口尺寸線性插值得到。低壓壓氣機(jī)流道內(nèi)環(huán)外徑與原航機(jī)相同。

為降低制造成本，在原發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)機(jī)匣及靜子葉片不變的前提下，增加隔環(huán)及擋片，減小流道尺寸[2]。改型后的低壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—進(jìn)氣機(jī)匣前隔環(huán)；2—進(jìn)氣機(jī)匣后隔環(huán)；3—Ⅰ級動(dòng)葉隔環(huán)；4—硅橡膠；5—第一級靜葉擋片；6—Ⅱ級動(dòng)葉隔環(huán)；7—硅橡膠；8—第二級靜葉擋片；9—Ⅲ級動(dòng)葉隔環(huán)；10—硅橡膠；11—第三級靜葉擋片；12—Ⅳ級動(dòng)葉隔環(huán)；13—硅橡膠；14—第四級靜葉擋片；15—出口隔環(huán)；16—第Ⅰ級動(dòng)葉片；17—第一級靜子葉片；18—第Ⅱ級動(dòng)葉片；19—第二級靜子葉片；20—第Ⅲ級動(dòng)葉片；21—第三級靜子葉片；22—第Ⅳ級動(dòng)葉片；23—第四級靜子葉片；24—出口整流葉片。圖2 某航改型燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)

改型后的低壓壓氣機(jī)靜子結(jié)構(gòu)簡要說明如下：

(1) 原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣、低壓壓氣機(jī)機(jī)匣、進(jìn)口可調(diào)葉片前半部及靜子葉片不變，進(jìn)口可調(diào)葉片后半部切頂。

(2) 進(jìn)氣機(jī)匣前隔環(huán)1、進(jìn)氣機(jī)匣后隔環(huán)2、Ⅰ級動(dòng)葉隔環(huán)3、Ⅱ級動(dòng)葉隔環(huán)6、Ⅲ級動(dòng)葉隔環(huán)9、Ⅳ級動(dòng)葉隔環(huán)12及出口隔環(huán)15為整環(huán)鑄鋁結(jié)構(gòu)，動(dòng)葉片對應(yīng)表面不用涂耐磨涂層。

(3) 不銹鋼擋片搭接在相鄰兩級動(dòng)葉隔環(huán)上，工作時(shí)考慮材料熱脹系數(shù)對貼合表面的影響。

(4) 增加隔環(huán)結(jié)構(gòu)不影響低壓壓氣機(jī)的裝配路線。

2.4 轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

僅減小低壓壓氣機(jī)流道會(huì)導(dǎo)致低工況下總壓比和效率下降幅度較大，因此須對低壓壓氣機(jī)動(dòng)葉片重新設(shè)計(jì)。在流道尺寸減小、動(dòng)葉片高度降低的基礎(chǔ)上，降低航改型燃?xì)廨啓C(jī)工作轉(zhuǎn)速會(huì)改變同等高度下動(dòng)葉片出口速度，導(dǎo)致空氣進(jìn)入靜子葉片后產(chǎn)生氣流分離。同理進(jìn)入第Ⅱ級及以后的動(dòng)葉片前氣流也會(huì)產(chǎn)生氣流分離，降低低壓壓氣機(jī)效率和壓比。

新設(shè)計(jì)動(dòng)葉片葉型，在工作轉(zhuǎn)速降低狀態(tài)下，使空氣通過進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉軸向進(jìn)入低壓壓氣機(jī)第Ⅰ級動(dòng)葉片后，空氣的絕對速度C2的方向發(fā)生改變，改為C1，速度C1的方向在對應(yīng)第一級靜子葉片中部與進(jìn)口安裝角α1基本一致，保持沿葉身徑向方向的大部分區(qū)域未發(fā)生氣流分離。

空氣通過低壓壓氣機(jī)第一級靜子葉片組件后，進(jìn)入低壓壓氣機(jī)第Ⅱ級動(dòng)葉片。同理，通過改變低壓壓氣機(jī)第Ⅱ級動(dòng)葉片弦長與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的夾角α，使葉片進(jìn)口氣流更加順暢進(jìn)入第Ⅱ級動(dòng)葉片，避免大量氣流分離，提高壓氣機(jī)工作效率。

空氣經(jīng)過低壓壓氣機(jī)第Ⅳ級動(dòng)葉片流入低壓壓氣機(jī)第四級靜子葉片及出口整流葉片后軸向排出。

另外，由于低壓壓氣機(jī)第Ⅰ～Ⅳ級動(dòng)葉片弦長與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的夾角α較原結(jié)構(gòu)增加且從葉根至葉尖方向差值增加，使葉片扭轉(zhuǎn)角度較原結(jié)構(gòu)增加，使空氣經(jīng)過動(dòng)葉片后絕對速度周向分量變化量增加，提高了單級壓氣機(jī)壓比，進(jìn)而增加了低壓壓氣機(jī)總壓比。

具體動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)須通過后面敘述的氣動(dòng)及強(qiáng)度計(jì)算后確定葉片型面坐標(biāo)。在保證葉片根部安裝角及榫頭尺寸不變的前提下完成動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

新葉型葉片與僅改變流道降低高度葉片結(jié)構(gòu)對比見圖3。

圖3 新葉型葉片與僅改變流道降低高度葉片結(jié)構(gòu)對比

圖中C1為空氣經(jīng)過新葉型動(dòng)葉片出口絕對速度，C2為空氣經(jīng)過原始葉型動(dòng)葉片出口絕對速度，α為動(dòng)葉片弦長與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的夾角，α1為靜子葉片進(jìn)口安裝角。

3 某燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)氣動(dòng)計(jì)算及動(dòng)葉片強(qiáng)度計(jì)算分析

3.1 氣動(dòng)計(jì)算分析

以表1數(shù)據(jù)作為低壓壓氣機(jī)部件氣動(dòng)設(shè)計(jì)要求，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到低壓壓氣機(jī)流道外形尺寸，分別對改后低壓壓氣機(jī)一維、 S2(徑向截面)、三維氣動(dòng)計(jì)算，通過部件性能計(jì)算結(jié)果再驗(yàn)證表1數(shù)據(jù)。

計(jì)算方法為采用俄羅斯一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)與分析程序[3]進(jìn)行低壓壓氣機(jī)一維設(shè)計(jì)計(jì)算；采用S2通流設(shè)計(jì)程序進(jìn)行S2通流設(shè)計(jì)計(jì)算，優(yōu)化流道[4]；采用NUMECA軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，使用Fine Turbo模塊[5]。

一維氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果見表2，S2氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果見表3，三維氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果見表4。

經(jīng)過一維、S2及三維氣動(dòng)計(jì)算可以得出，在給定設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速8 920 r/min下，低壓壓氣機(jī)氣動(dòng)性能能夠滿足整機(jī)性能計(jì)算對低壓壓氣機(jī)要求。

由于三維計(jì)算考慮到葉片葉型對氣動(dòng)性能的影響，低壓壓氣機(jī)性能以三維氣動(dòng)計(jì)算為準(zhǔn)，在給定出口背壓268 kPa(近設(shè)計(jì)點(diǎn))下，得出低壓壓氣機(jī)壓比2.863，絕熱效率88%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 某燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)S2計(jì)算結(jié)果

表4 某燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速三維模擬結(jié)果

這里計(jì)算流量大于要求流量(要求51.97 kg/s，計(jì)算56.65 kg/s，實(shí)際大了8.9%)，主要原因是設(shè)計(jì)匹配問題。由于在 S2通流與葉片造型設(shè)計(jì)完成后，因改型結(jié)構(gòu)限制，須修改轉(zhuǎn)子根部安裝角，導(dǎo)致計(jì)算流量難以精確達(dá)到要求值。但從數(shù)值分析來看，流量稍大可以通過實(shí)際運(yùn)行時(shí)調(diào)整進(jìn)口可調(diào)葉片角度。

3.2 強(qiáng)度計(jì)算分析

根據(jù)低壓壓氣機(jī)動(dòng)葉片氣動(dòng)計(jì)算后得到葉型數(shù)據(jù)，加上原航機(jī)動(dòng)葉片榫頭結(jié)構(gòu)，形成新設(shè)計(jì)動(dòng)葉的三維模型。使用ANSYS強(qiáng)度分析軟件對低壓壓氣機(jī)葉片進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算驗(yàn)證，如不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，須對葉片葉型進(jìn)行修正，直至符合設(shè)計(jì)要求。

以低壓壓氣機(jī)第Ⅰ級動(dòng)葉片強(qiáng)度計(jì)算為例(強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見圖4)，分析強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對燃?xì)廨啓C(jī)低壓壓氣機(jī)工作的影響。其他各級動(dòng)葉片強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與第Ⅰ級類似。

從圖4中可以看出，低壓壓氣機(jī)第Ⅰ級動(dòng)葉片根部截面的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在進(jìn)氣邊與榫頭交叉位置處，3.53×109Pa，根據(jù)材料數(shù)據(jù)可以得出全壽命10萬h的強(qiáng)度安全系數(shù)為2.1，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

(a) 葉盆側(cè)

(b) 葉背側(cè)圖4 低壓壓氣機(jī)第Ⅰ級動(dòng)葉片的等效應(yīng)力 (轉(zhuǎn)速8 920 r/min)

4 結(jié)論

采取流道內(nèi)增加隔環(huán)及擋片可以有效降低新制低壓壓氣機(jī)研制成本；減小流道及新設(shè)計(jì)低壓壓氣機(jī)動(dòng)葉片型面方案經(jīng)過氣動(dòng)計(jì)算分析，改型后低壓壓氣機(jī)總壓比及效率符合設(shè)計(jì)要求，進(jìn)口空氣流量略大于設(shè)計(jì)要求，可以通過調(diào)整可調(diào)葉片角度來調(diào)節(jié)空氣流量；經(jīng)過強(qiáng)度計(jì)算分析最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在進(jìn)氣邊與榫頭交叉位置處，按全壽命計(jì)算強(qiáng)度安全系數(shù)2.1，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，動(dòng)葉片能夠投入正常使用。改型后的低壓壓氣機(jī)性能及工作穩(wěn)定性還須整機(jī)試驗(yàn)進(jìn)一步調(diào)整及驗(yàn)證。