某型航改燃氣輪機空氣系統設計及試驗驗證

劉國庫，魏秀鵬，劉國朝，李 毅

（1.海軍駐沈陽地區發動機專業軍事代表室，沈陽 110015；2.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

1 引言

隨著對功率和熱效率要求的不斷提高，艦船燃氣輪機越來越普遍地采用先進且成熟的航空發動機改型研制燃氣輪機的途徑，并且國外已有很多成功應用的實例。目前，航改燃氣輪機的主要設計方案是保持核心機等主要部件不變，只是對低壓級進行改型，以保持發動機部件的延續性和可靠性，大幅縮短研制周期和顯著降低研制費用。

作為至關重要的1個系統，燃氣輪機空氣系統設計的目的是在各種狀態下，保證燃氣輪機內部具有合適的工作環境。其合理設計與正常工作對燃氣輪機主要零部件的工作壽命、可靠性和整機性能起著非常重要的作用，是燃氣輪機設計研制的主要環節之一。

2 空氣系統設計功能及要求

2.1 設計功能

（1）為氣冷葉片提供冷卻空氣，保證冷氣進口具有要求的壓力和溫度；

（2）建立渦輪盤腔壓力，阻止渦輪燃氣流入主通道內側腔中；

（3）冷卻渦輪轉子,保持適當的渦輪零部件溫度；

（4）控制渦輪機匣溫度,減少機匣向外散熱,保持渦輪葉片頂部的徑向間隙；

（5）控制風扇與壓氣機盤和軸的溫度；

（6）控制壓氣機機匣溫度,保持壓氣機葉片頂部的徑向間隙；

（7）對軸承與潤滑系統進行封嚴和隔熱；

（8）調整發動機轉子的推力平衡,保持軸承合適的軸向載荷。

2.2 設計要求

（1）遵循盡量不改動、少改動核心機結構的設計原則；

（2）滿足總體性能對低壓空氣系統總引氣量的限制要求，應不大于其原準機總引氣量；

（3）滿足軸承密封、隔熱的設計要求，按照對使用環境的要求進行軸承封嚴設計；

（4）滿足軸承軸向載荷的設計要求；

（5）空氣系統各節流單元的幾何尺寸應滿足相關結構件的強度設計要求。

3 空氣系統設計方法

某型燃氣輪機是在航空渦扇發動機基礎上修改低壓方案設計研制的，去掉了低壓壓氣機，將低壓渦輪改為動力渦輪。由于燃氣輪機工作點的變化以及低壓部件的修改設計，燃氣輪機各截面的溫度和壓力與航機的相比有所減小，這就需要對空氣系統的引氣量和引氣位置進行調整，修改空氣系統結構設計，以與燃氣輪機內部工作環境匹配。

3.1 設計分析方法

航空發動機空氣系統是由各種節流單元串聯和并聯組成的復雜流動系統,根據1元等熵不可壓流,對每個節流單元建立動量方程、能量方程以及連續方程。對不同元件,考慮旋轉、可壓縮性、局部摩阻、預旋、溫增,最終建立整個流動系統的非線性方程組,采用離散延拓法求解的空氣系統計算程序，得到各節流單元的流量,以及各腔室的壓力和溫度。

任意1個空氣系統均可抽象成由節流單元與腔室組成的流路網絡。任意由若干節流單元和腔室組成的空氣系統，其溫度、壓力、流量通過多維由動量方程、連續方程、能量方程組成非線性方程組來描述。換句話說，空氣系統的數學模型為非線性方程組。

在動量方程中，節流單元中的流動按1維不等熵、不可壓流處理，在公式推導過程中考慮了由氣流沿程流通面積變化引起的壓力變化。

在連續方程中，發動機空氣系統流路可分成一定數量串、并聯并具有1個或多個進、出口的單元流路，在整個流路網絡中，每個單元的進、出口被認為是腔室，每個單元流路的流量非線性地取決于其上、下游腔室的壓力。對任何內部腔室，冷氣流量平衡并滿足連續條件，即對邊界腔室由壓力邊界條件恒等式取代流量連續方程。

在能量方程中，不同溫度的氣流在各腔混合后的溫度按理想混合計算。而流體沿程溫增的計算主要分2種情況：由盤、軸風阻引起的溫增；由壁面與氣流之間對流換熱引起的溫增及離心泵效應對冷氣的加功溫增。

3.2 減少冷氣量

由航空發動機改型的地面或艦船燃氣輪機的工作點比原航機的有所下降，特別是主通道截面的燃氣壓力和溫度都有一定下降，使得熱端部件的工作環境有所緩解，因此可以減少冷氣量，既保證了零部件的可靠性，又能夠提高燃氣輪機性能。通過分析，在高壓渦輪導向葉片和低壓渦輪第1級導向葉片減少冷氣量。

減少高壓渦輪導向器的冷卻空氣量。將燃氣輪機高壓渦輪導向葉片在原航機的基礎上作了一些改動：取消上、下緣板的氣膜孔；在其前、后腔的入口處增加蓋板，在蓋板上開孔降低流量；取消導向葉片后腔葉盆的氣膜孔。采用上述措施使得燃氣發生器渦輪導向葉片空氣系統冷氣量比原航機的降低近20%。進行詳細的溫度和強度分析可知，采取上述措施保證了葉片的可靠運行。

減少低壓渦輪第1級導向葉片冷氣量。在燃氣發生器通往低壓渦輪第1級導向葉片的引氣管前加裝節流孔板，減少引氣量。

3.3 改進支點增壓系統

在支點增壓系統中，取消了原航機的低壓壓氣機，原有的引氣壓力較低，不能滿足支點封嚴要求，因此將引氣位置改為壓氣機后幾級。同時為了保證低狀態的封嚴和提高效率，對引氣方式進行了改進，引入了控制活門：在高狀態時關閉，引高壓空氣進行支點封嚴；在低狀態時打開,引更高壓的空氣進行支點封嚴。

取消低壓壓氣機后，需要增加平衡腔來調整軸向力，而平衡腔對壓力要求較高，因此采取密封性更好的刷式封嚴形式，維持平衡腔較高的壓力，以保證燃氣輪機軸向力的平衡。

3.4 空氣系統的組成

燃氣輪機由原航機的核心機和低壓渦輪組成，其空氣系統流路基本保持不變。

高壓空氣系統流路導葉系統從燃燒室內、外環通道引來2股氣流為導向葉片提供冷卻空氣。渦輪工作葉片流路系統從燃燒室內環通道引來2股氣流作為冷卻空氣：大部分氣流用于冷卻工作葉片，小部分氣流冷卻渦輪轉子沿程表面，后排入主通道，完成對燃氣的封嚴。

盤腔冷卻和支點增壓系統流路基本可分為4路：

（1）第1路氣流主要對1號軸承進行篦齒封嚴和調整軸向力。從壓氣機第5級靜子出口葉片尖部引氣，通過引氣管、進氣機匣支板進入平衡腔和封嚴腔。

（2）第2路氣流用于封嚴3號軸承和冷卻壓氣機盤及隔熱渦輪盤等。從壓氣機第3級盤后引氣：一部分氣流用于封嚴3支點軸承；另一部分氣流經過壓氣機盤腔和渦輪盤腔,對盤腔進行均溫冷卻。

（3）第3路氣流主要對4、5號軸承進行封嚴與隔熱。在高狀態時，壓氣機第3級氣流經過空氣導管流入動力渦輪盤腔；一部分氣流通到4號軸承腔外進行非接觸篦齒封嚴；另一部分氣流通到5號軸承腔外部對其進行石墨密封,然后經過篦齒3流到動力渦輪第2級盤后腔后排入主通道；還有一部分氣流通過2個長孔72(直徑為8 mm)到軸心后經軸心通風管76從發動機尾錐排入大氣。在低狀態時，打開往后機匣支板的引氣閥門，從高壓壓氣機第5級靜子出口葉片尖部引氣，經引氣管通過低壓渦輪后支板后直接流入5號軸承腔外部對其進行封嚴，再流到4號軸承腔外部對其進行封嚴。

（4）第4路氣流主要用于冷卻高、低壓渦輪轉子和調整軸向力，阻止主流道的燃氣進入機體內部，同時對動力渦輪機匣、渦輪后支板進行冷卻等。從壓氣機第5級靜子葉片出口尖部引氣，通過引氣管流入動力渦輪第1級外機匣內腔，氣流經過動力渦輪第1級導向葉片后，對渦輪盤腔進行冷卻隔熱。

3.5 空氣系統計算分析

空氣系統流體動力計算的目的是在給定系統流路結構尺寸參數及其它有關原始參數情況下,確定各流路的流量分配,以及氣流沿程各腔室或部位的壓力和溫度。據燃氣輪機的流動形式和流動結構，建立了空氣系統流動網絡(如圖1所示)，完成燃氣輪機空氣系統的計算分析。

計算結果初步表明：在設計點狀態，高壓渦輪冷卻空氣量為12.05%，而原航機高壓渦輪冷卻空氣量為15.09%；前者相對后者減少20.1%。同時根據壁溫初步分析可知，渦輪葉片壁面平均溫度比原航機的下降100℃以上，因此，減少冷氣量的措施是可行且可靠的。

通過對燃氣輪機盤腔冷卻和支點增壓系統的計算結果分析可知，在封嚴方面基本上滿足軸承的封嚴壓差要求，但在慢車狀態，還有待在試車試驗中作進一步測量和調整；在設計點狀態，高壓壓氣機第5級引氣量為2.68%（比原航機的減少22%），高壓壓氣機第3級引氣量為0.72%，引氣總量為4.18%，滿足總體對空氣系統引氣量的要求；在高壓壓氣機第5級引氣通向平衡腔的管路及1支點排氣管上都加裝節流孔板，以保證平衡腔壓力和1支點封嚴的要求；通過計算可知，燃氣輪機空氣系統設計能夠滿足其運行要求。

4 空氣系統試驗及設計完善

空氣系統設計方案確立后，還需開展試驗調試來修改、完善設計。這是因為流動計算用流阻模型,與實際結構的差異和上游邊界數據的差異，使計算存在一定誤差。

在燃氣輪機試車中，對空氣系統主要腔室的壓力溫度和軸向力進行測試，并獲得了軸向力測試曲線和空氣系統腔室測試曲線，分別如圖2、3所示。

從圖2中可見，在燃氣輪機大狀態運行時，軸向力已接近30kN,超過軸承承載20kN力的要求.其原因主要是由于引氣壓力達不到設計要求，需要增加引氣流量來提高平衡腔壓力，從而降低軸向力。為此，加大了平衡腔引氣管直徑，進行了設計結構改進，從而保證了軸向力的合理性。通過試車試驗進行測試，統計獲得了滿足軸向力要求的平衡腔壓力工作曲線(如圖4所示)，以此作為燃氣輪機運行中平衡腔壓力監測的依據。

根據現有測試數據對空氣系統平衡腔流路進行驗算，對刷式密封的封嚴特性和篦齒間隙進行調整驗算，獲得了新的泄漏特性，從而得到了更準確的流路壓力分布，驗算數據見表1。通過試驗測試提高了空氣系統的分析準確性，為完善設計提供了依據。

表1 測試情況驗算

6 結束語

（1）完成了某型航改燃氣輪機空氣系統設計，降低了冷卻空氣量，提高了性能；匹配設計了平衡腔流路，可滿足軸向力要求；為加強軸承封嚴，實現了高、低狀態下不同封嚴引氣的運行；在試車中對重點腔室的腔壓進行了測試，根據測試結果提出了結構改進方案,較完整地完成了航改燃氣輪機空氣系統的設計分析工作，保證了燃氣輪機試車的正常運行。

（2）根據燃氣輪機空氣系統在試車過程中出現的平衡腔壓力較小的問題，采用了對比分析與統計分析相結合的方法分類整理了測試數據，給出了相應的數據曲線，進行了原因分析。

（3）根據現有測試數據對空氣系統平衡腔流路進行了驗算，發現了空氣系統設計目標狀態與實際工作狀態存在較大差異；得到了燃氣輪機實際工作狀態主要封嚴位置及流動單元的流動特性情況，獲得了相對準確的燃氣輪機空氣系統的實際工作狀況；根據驗算結果，采取了提高平衡腔壓力的措施后，在后續試車中平衡腔壓力有了明顯改善。

本研究對提高燃氣輪機空氣系統的專業技術水平和掌握該系統的真實情況的作用顯著，是燃氣輪機設計研制中不可缺少的環節；通過方案設計、測試和驗算，提高了空氣系統設計的準確性，保證了燃氣輪機運行可靠、高效。

[1]曹玉璋.航空發動機傳熱學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[2]林宏鎮.高性能航空發動機傳熱技術[M].北京:國防工業出版社,2005.