基于TRIZ的渦輪部件性能試驗(yàn)件防漏油改進(jìn)設(shè)計

何春萌 陳睿元 李 嬋

（1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，株洲 412002；2.中小型航空發(fā)動機(jī)葉輪機(jī)械湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，株洲 412002）

渦輪是航空發(fā)動機(jī)中的熱端部件，需要在高溫高壓環(huán)境中工作。在航空發(fā)動機(jī)研制過程中，為了驗(yàn)證渦輪氣動設(shè)計，需進(jìn)行渦輪部件模擬氣動性能試驗(yàn)，以獲取渦輪部件實(shí)際工作的氣動參數(shù)特性[1]。渦輪部件性能試驗(yàn)件主要由工作轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器、進(jìn)排氣轉(zhuǎn)接段、軸承座、滑油系統(tǒng)和封嚴(yán)結(jié)構(gòu)等部分組成，如圖1所示。按功率輸出方式不同，渦輪部件性能試驗(yàn)件可分為功率前輸出試驗(yàn)件和功率后輸出試驗(yàn)件。

圖1 渦輪部件性能試驗(yàn)件

模擬試驗(yàn)在一定的溫度和壓強(qiáng)環(huán)境中進(jìn)行，工作氣流進(jìn)口溫度可達(dá)800 K，壓強(qiáng)可達(dá)0.9 MPa。試驗(yàn)時常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，增加了試驗(yàn)車臺滑油消耗量。部分漏油嚴(yán)重的試驗(yàn)件在試驗(yàn)過程中需要多次加注滑油，不僅增加了試驗(yàn)成本，而且會污染試驗(yàn)現(xiàn)場，如油霧干擾試驗(yàn)觀察、地面油污存在安全隱患等，甚至在某些情況下容易出現(xiàn)滑油斷供現(xiàn)象，嚴(yán)重影響試驗(yàn)安全。因此，有必要針對性地進(jìn)行試驗(yàn)件防漏油改進(jìn)設(shè)計技術(shù)研究，以期從設(shè)計層面改善試驗(yàn)件漏油現(xiàn)象。

1 問題描述

1.1 滑油系統(tǒng)簡介

渦輪部件性能試驗(yàn)時，通常轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速超過10 000 r·m-1，轉(zhuǎn)子軸承需通過循環(huán)供給滑油進(jìn)行潤滑冷卻。圖2為典型渦輪部件性能試驗(yàn)件的滑油系統(tǒng)圖。軸承位于軸承腔內(nèi)，由外部（車臺）供給滑油，然后通過滑油接口對轉(zhuǎn)子軸承進(jìn)行冷卻。軸承腔底部設(shè)計有回油孔，用于回油泵抽吸滑油。軸承腔上方設(shè)有通大氣孔，用于平衡軸承腔壓強(qiáng)。

圖2 試驗(yàn)件滑油系統(tǒng)簡介

為減少氣體泄漏和滑油泄漏，軸承腔兩側(cè)通常設(shè)有密封封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。渦輪部件性能試驗(yàn)件中最常用的軸承腔密封結(jié)構(gòu)為篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)[2]，而刷式密封和碳環(huán)密封等高效密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少。

1.2 漏油分析

總結(jié)分析多臺試驗(yàn)件漏油情況發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)件漏油情況與試驗(yàn)件的工作參數(shù)有關(guān)。如果試驗(yàn)件進(jìn)口截面氣流壓強(qiáng)高，容易出現(xiàn)試驗(yàn)件軸頭漏油和通大氣孔噴油的現(xiàn)象。

進(jìn)氣壓強(qiáng)較高的渦輪部件性能試驗(yàn)件通常是雙級或者多級渦輪部件試驗(yàn)件。為滿足氣體膨脹要求，進(jìn)口總壓較高。如果軸承腔的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，主流高壓氣體過多進(jìn)入軸承腔，會導(dǎo)致軸承腔中的滑油在高壓氣體作用下從通大氣孔處泄漏。下面針對這一泄漏過程進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 液滴泄漏示意圖

滑油液滴處于通大氣管，同時從主流道中泄漏至軸承腔的氣體也從通大氣管排至大氣環(huán)境，則通大氣管中的氣體流速的計算公式為

式中：V為氣體流速，m·s-1；Q為氣體泄漏流量，kg·s-1；ρ1為空氣密度，kg·m-3；D為通大氣管內(nèi)徑，m。

將液滴簡化為具有等效直徑d的球形顆粒，問題則轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的球形顆粒繞流問題[3]。設(shè)液滴的體積為Vd，則有

取空氣為繞流流體，溫度T=293 K，流體密度ρ1=1.29 kg·m-3，黏度μ=1.79×10-5Pa·s?；团铺枮轱w馬2號，密度ρ2=997 kg·m-3。假設(shè)氣體泄漏量為Q0，球形顆粒在重力G和空氣阻力Fd的作用下保持平衡，則有

Cd為單顆粒標(biāo)準(zhǔn)曳力系數(shù)，表達(dá)式為

式中：Rep為顆粒雷諾數(shù)，且有Rep=dρ1V/μ。

對于渦輪性能試驗(yàn)件來說，它的主氣流進(jìn)氣流量通常不小于2 kg·s-1。按氣體泄漏率0.1%進(jìn)行估計，氣體泄漏流量通常不小于0.002 kg·s-1。若要觀察到明顯的漏油現(xiàn)象，泄漏滑油液滴直徑應(yīng)不小于0.004 m，通大氣管內(nèi)徑通常取D=0.02 m，結(jié)合式（1）和Rep=dρ1V/μ，可計算得到

因此，可取Cd=0.44。

于是，可得

可見，滑油液滴直徑越大，維持滑油液滴受力平衡的臨界泄漏量Q0越大。取d=d0=0.004 m，此時Q0=0.392 kg·s-1。當(dāng)通大氣管的氣體泄漏量大于Q0時，直徑小于d0的滑油液滴在通大氣管中的氣動曳力將大于液滴本身的重力，滑油液體在合力的作用下將向正上方運(yùn)動，表現(xiàn)為液滴從通大氣孔噴出；當(dāng)通大氣管的氣體泄漏量小于Q0時，直徑大于等于d0的滑油液滴合力作用方向向下，此時液滴將無法從通大氣管中泄漏。

2 TRIZ相關(guān)內(nèi)容

研究采用發(fā)明問題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）[4]來解決防漏油改進(jìn)設(shè)計的技術(shù)問題。TRIZ是一種指導(dǎo)人們進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)新、解決工程問題的系統(tǒng)化的方法學(xué)體系，由ALTSHULLER及其研究團(tuán)隊通過對250萬件高水平發(fā)明專利進(jìn)行分析和提煉之后總結(jié)出來的。

相對于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，TRIZ成功揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，將實(shí)際中的具體問題轉(zhuǎn)換表達(dá)為TRIZ中的問題模型，然后通過TRIZ和工具方法獲得解決方案模型-發(fā)明原理[5]，最后根據(jù)發(fā)明原理得到最終實(shí)施方案，如圖4所示。

圖4 使用TRIZ解決問題的邏輯圖

2.1 待解決的問題

根據(jù)前述的分析，防漏油改進(jìn)設(shè)計的關(guān)鍵在于降低通大氣孔的氣體泄漏量。

2.2 問題模型

根據(jù)TRIZ將待解決的問題轉(zhuǎn)化為通用問題模型，即提取出實(shí)際問題中的技術(shù)矛盾（改善某一參數(shù)卻導(dǎo)致另一參數(shù)惡化），或提取出實(shí)際問題中的物理矛盾（對某一參數(shù)的兩種相反的要求）。為了方便定義技術(shù)矛盾，TRIZ總結(jié)了39個通用技術(shù)參數(shù)。利用39個通用技術(shù)參數(shù)，足以描述工程領(lǐng)域中出現(xiàn)的絕大部分技術(shù)矛盾。

研究采用技術(shù)矛盾來描述問題模型，選擇通大氣孔的氣體泄漏量作為欲改善的參數(shù)。此外，改善泄漏需采用更復(fù)雜的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的復(fù)雜性有所增加。因此，選擇通用技術(shù)參數(shù)物質(zhì)損失（No.23）和系統(tǒng)的復(fù)雜性（No.36）作為系統(tǒng)的一對技術(shù)矛盾。

2.3 求通用解-發(fā)明原理

在確定通用技術(shù)參數(shù)后，從矛盾矩陣表表1中可以得到推薦的發(fā)明原理。

表1 TRIZ矛盾矩陣表

從表1可以得到推薦的發(fā)明原理編號，對應(yīng)的發(fā)明原理如下：35為物理或化學(xué)參數(shù)改變原理；10為預(yù)先作用原理；28為機(jī)械系統(tǒng)替代原理；24為借助中介物原理。

2.4 發(fā)明原理分析

編號35代表物理或化學(xué)參數(shù)改變原理，具體描述包括改變聚集態(tài)（物態(tài)）、改變濃度或密度、改變?nèi)岫纫约案淖儨囟取?/p>

編號10代表預(yù)先作用原理，具體描述包括兩部分：一是預(yù)先對物體（全部或部分）施加必要的改變；二是預(yù)先安置物體，使其在最方便的位置發(fā)揮作用而不浪費(fèi)運(yùn)送時間。

編號28代表機(jī)械系統(tǒng)替代原理，具體描述包括4部分：用光學(xué)系統(tǒng)、聲學(xué)系統(tǒng)、電磁學(xué)系統(tǒng)或影響人類感覺的系統(tǒng)替代機(jī)械系統(tǒng)；使用與物體相互作用的電場、磁場和電磁場；用運(yùn)動場替代靜止場、時變場替代恒定場、結(jié)構(gòu)化場替代非結(jié)構(gòu)化場；把場與場作用和鐵磁粒子組合使用。

編號24代表借助中介物原理，具體描述包括使用中介物實(shí)現(xiàn)所需的動作和把一個物體與另一個容易去除的物體暫時結(jié)合。

3 解決方案

結(jié)合推薦的發(fā)明原理，進(jìn)行以下分析。

方案1：發(fā)明原理35可以啟發(fā)人們改變主氣流的物態(tài)參數(shù)，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)布局降低主氣流的溫度和壓強(qiáng)。

方案2：發(fā)明原理28可以啟發(fā)人們替換現(xiàn)有篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，采用高效的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，如航空發(fā)動機(jī)近年來應(yīng)用較多的碳環(huán)密封和刷絲密封。

方案3：發(fā)明原理10可以啟發(fā)人們對主氣流進(jìn)入軸承腔之間進(jìn)行旁通排氣。

方案4：發(fā)明原理24可以啟發(fā)人們借助車臺的封嚴(yán)氣進(jìn)行封嚴(yán)。

方案4雖然可以減少主氣流的泄漏量，但通入的封嚴(yán)氣仍從通大氣管排出，故無法達(dá)到減少通大氣管的氣體泄漏量的作用，故不予實(shí)施。下面將就對方案1、方案2和方案3進(jìn)行分析。

3.1 方案1

改變結(jié)構(gòu)布局可以降低封嚴(yán)入口處氣流的溫度和壓強(qiáng)參數(shù)。主氣流經(jīng)過渦輪級做功后，氣流的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為渦輪的機(jī)械能，故做功后的氣流溫度和壓強(qiáng)參數(shù)較做功前會明顯降低。表2統(tǒng)計了4個渦輪試驗(yàn)件渦輪工作級前后的溫度和壓強(qiáng)參數(shù)，可以看出渦輪工作級后的溫度和壓強(qiáng)參數(shù)降低較多。

表2 渦輪工作級前后工作參數(shù)

若試驗(yàn)件采用轉(zhuǎn)子懸臂、功率后輸出支承布局，則所有支點(diǎn)的軸承座和軸承腔可布置在渦輪工作級之后，如圖5所示。相比其他結(jié)構(gòu)布局形式（至少一處支點(diǎn)位于渦輪工作級之前），該結(jié)構(gòu)布局下的軸承腔均位于渦輪工作級之后。軸承腔封嚴(yán)結(jié)構(gòu)采用三級臺階篦齒，篦齒間隙均為0.15 mm，如圖6所示。分別將渦輪工作級前工作參數(shù)和渦輪工作級后參數(shù)作為封嚴(yán)輸入?yún)?shù)，基于液壓仿真軟件AMESim對氣體泄漏量進(jìn)行一維計算，得到的氣體泄漏量參數(shù)如表3所示。計算結(jié)果表明，采用轉(zhuǎn)子懸臂、功率后輸出支承布局可使氣體泄漏量至少減少50%。

圖5 轉(zhuǎn)子懸臂、功率后輸出布局

圖6 封嚴(yán)結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

表3 渦輪工作級前后氣體泄漏量計算

在滿足車臺要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子懸臂、功率后輸出布局方案。目前，新設(shè)計的某型號單級渦輪和動力渦輪性能試驗(yàn)件均采用了該結(jié)構(gòu)布局，試驗(yàn)過程沒有出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。

3.2 方案2

碳環(huán)密封和刷式密封是近年來在航空發(fā)動機(jī)中得到廣泛應(yīng)用的新型密封結(jié)構(gòu)，其封嚴(yán)效率較篦齒密封有較大提升。其中，氣浮式碳環(huán)密封屬于非接觸式密封，由碳密封環(huán)和環(huán)形跑道組成。石墨密封環(huán)的內(nèi)孔與環(huán)形跑道的外圓之間有0.01～0.04 mm的徑向間隙，跑道外表面涂有耐磨層[4]。根據(jù)文獻(xiàn)研究，碳環(huán)密封的泄漏量僅為篦齒密封的7%[6-7]。刷式密封是一種具有優(yōu)良密封性能的接觸式密封。設(shè)計狀態(tài)下，刷絲與轉(zhuǎn)子之間有一定的過盈量。工作狀態(tài)下，刷絲自由端和轉(zhuǎn)子表面發(fā)生接觸摩擦，泄漏量為篦齒密封的1/10～1/2[8-9]。典型碳環(huán)密封和刷式密封結(jié)構(gòu)圖，分別如圖7和圖8所示。

圖7 典型碳環(huán)密封結(jié)構(gòu)圖

圖8 典型刷式密封結(jié)構(gòu)圖

考慮碳環(huán)密封通用性和可靠性更好，對軸承腔封嚴(yán)入口氣體壓強(qiáng)較高的試驗(yàn)件可引入高效的氣浮式碳環(huán)密封封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，與多級篦齒組成組合式篦齒-碳環(huán)密封方案來提高封嚴(yán)效率，減小由主氣流泄漏至軸承腔的質(zhì)量流量。

3.3 方案3

房通排氣是指在流體流動過程中通過旁通通道將一部分流體直接排出至大氣環(huán)境中。旁通排氣在壓強(qiáng)管道設(shè)計中比較常見，同時在航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)防喘調(diào)節(jié)中有所應(yīng)用[9]。為進(jìn)一步降低氣體泄漏量，可在碳密封結(jié)構(gòu)后設(shè)置卸壓腔連通大氣環(huán)境，則氣流經(jīng)過組合式篦齒-碳環(huán)密封后一部分經(jīng)卸壓腔旁通流出，剩余部分經(jīng)一級篦齒進(jìn)入軸承腔，如圖9所示。

圖9 組合式碳密封+旁通設(shè)計

3.4 改進(jìn)設(shè)計總結(jié)

在滿足測功器轉(zhuǎn)速功率包線要求的情況下，通常試驗(yàn)件采用方案1即可滿足試驗(yàn)件防漏油設(shè)計要求。但是，實(shí)際過程中由于轉(zhuǎn)速和功率的限制，部分試驗(yàn)件無法采用方案1的結(jié)構(gòu)。此時，封嚴(yán)輸入?yún)?shù)較高，需綜合考慮方案2和方案3。

在進(jìn)口壓強(qiáng)為0.8 MPa、進(jìn)口溫度為120 K、旁通通道直徑為2 mm的工況下，基于AMEsim軟件對多級篦齒封嚴(yán)、組合式篦齒-碳環(huán)密封方案和帶旁通設(shè)計的碳環(huán)方案進(jìn)行空氣系統(tǒng)一維計算。計算網(wǎng)格如圖10所示，泄漏氣體質(zhì)量流量的計算結(jié)果如表4所示，可以得到以下結(jié)論：

表4 氣體流量計算結(jié)果

圖10 空氣系統(tǒng)計算一維網(wǎng)格

（1）3種改進(jìn)設(shè)計方案均可滿足泄漏量明顯小于臨界氣體泄漏量Q0；

（2）相較于多級篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，引入碳密封封嚴(yán)結(jié)構(gòu)可使氣體泄漏量至少降低80%；

（3）引入旁通設(shè)計可在碳環(huán)封嚴(yán)的基礎(chǔ)上使得氣體泄漏量再次降低約60%。

4 結(jié)論

針對渦輪部件性能試驗(yàn)件漏油問題，采用TRIZ進(jìn)行相關(guān)分析，運(yùn)用TRIZ工具得到改進(jìn)設(shè)計方案，并對改進(jìn)設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)論如下：

（1）防漏油設(shè)計的關(guān)鍵在于控制試驗(yàn)件通大氣孔的氣體泄漏量；

（2）采用TRIZ矛盾矩陣得出了推薦的發(fā)明原理和3種可行的改進(jìn)方案；

（3）通過綜合分析，改進(jìn)試驗(yàn)件布局、引入高效封嚴(yán)結(jié)構(gòu)和采用旁通設(shè)計等措施的綜合應(yīng)用，可有效滿足試驗(yàn)件防漏油改進(jìn)設(shè)計需求。