大涵道比增壓壓氣機試驗件設計

鄭 浩，楊建煒

(中國燃氣渦輪研究院，四川 成都610500)

1 引言

增壓壓氣機是民用雙轉子發動機的主要部件之一，其作用是將風扇出口進入內涵流路的空氣進一步增壓，以滿足發動機總增壓比的要求。結構布局上，增壓壓氣機和風扇共軸并由低壓渦輪驅動，進口承接風扇內涵出氣，出口向外涵和高壓壓氣機供氣，由此帶來氣動設計匹配上的困難；此外，增壓壓氣機轉子葉尖切線速度低，流路設計不同于風扇和高壓壓氣機，均帶來設計上的考驗。

世界各主要航空發動機公司在增壓壓氣機研制方面均具有較高的設計水平和豐富的使用經驗，其增壓壓氣機設計加工完成后可直接裝機使用而不再單獨進行增壓壓氣機部件試驗驗證。我國在民用航空發動機設計領域基本上是空白，在本增壓壓氣機設計完成之前，從未自主開展并完成增壓壓氣機研制，設計技術比較落后。

為此，中國燃氣渦輪研究院(GTE)尋求并與美國P&W公司開展了基于PW6000發動機增壓壓氣機設計指標的增壓壓氣機合作研制。開展增壓壓氣機部件研制，可作為我國參與民用發動機國際合作研究的一個突破口。基于此，根據P&W公司提出的增壓壓氣機流道尺寸和氣動參數，GTE完成了增壓壓氣機氣動設計。P&W公司對設計進行了評審，認為：PW6000發動機增壓壓氣機設計工作做得很好，能夠達到P&W公司的設計需求，并有獨到之處；但在發動機部件設計細節上還需要多做工作，盡量做到重量輕、成本低、安全、可靠。在此氣動設計的基礎上，立足于GTE的試驗臺架，開展了滿足氣動設計和試驗要求的試驗件結構設計，強度、振動和壽命分析工作，并完成了相關試驗驗證。

2 增壓壓氣機技術指標

該增壓壓氣機采用3級，達到現役發動機中該部件增壓比1.6～1.8的水平；其它部件性能指標按照PW6000發動機設計要求提出。

3 試驗件結構設計

3.1 試驗件結構布局和傳力路徑

增壓壓氣機部件試驗件由轉子組件、靜子組件、前后轉接承力機匣等構成，其結構如圖1所示。試驗件在設備上采用懸臂結構安裝，即整個試驗件由排氣機匣后安裝邊與試驗設備齒輪箱的前安裝邊相連；試驗件前段通過橡膠盤與穩壓箱連接，并在前機匣的前安裝邊正上方設置一輔助吊掛(有利于減小整個試驗件的彎曲變形和振動)。試驗件的軸向負荷將通過后支點直接傳至排氣機匣——渦殼上，試驗件可自由向前膨脹。而試驗件上其它負荷(包括靜葉負荷、徑向負荷、振動等)均由增壓壓氣機部件試驗件機匣從前向后傳遞至設備的排氣渦殼上。試驗件扭矩通過設備動力輸出軸與試驗件傳動軸間相連接的短套齒來傳遞。

3.2 試驗件轉子設計

試驗件轉子沒有采用發動機中使用的懸臂鼓筒結構，而采用了簡支結構。轉子前、后支點跨度782mm，后支點為主支點，采用雙排球軸承；前支點采用滾棒軸承。試驗件的3級輪盤均采用不銹鋼材料制造，用真空電子束焊連接在一起，然后用螺栓分別與相同材料的前、后軸頸連接形成轉子，實體模型見圖2，轉子實物見圖3。為減輕轉子載荷，轉子葉片均用TC4鈦合金制成，采用周向燕尾榫裝配在轉子上。

在大涵道比雙轉子渦扇發動機中，增壓壓氣機要轉接大直徑的風扇流道和小直徑的高壓壓氣機流道，其氣流向后、向內呈弧線流動[1]。如果按常規設計，將轉子葉片葉身設計成與發動機軸向呈直角相交，那么氣流將以一定夾角流向葉身。若將葉型設計成與鼓筒外緣垂直相交，葉身向后傾斜，形成正交葉片，則在氣動性能方面能帶來一定的好處。但是，由于葉片斜著安裝在鼓筒上，使得其強度設計方面存在不足：葉根除正常承受轉子葉片離心載荷外，還要承受由于葉片傾斜安裝帶來的附加彎曲載荷。根據氣動設計及其流道布局，試驗件第1、2級轉子葉片采用常規設計，第3級轉子葉片因流道彎度大而采用了正交葉片設計，如圖4所示。

增壓級試驗件轉子支承為雙支點簡支結構。推力球軸承(后支點)設置在轉子的后鼓筒軸上，選用雙排球軸承；前支點選用滾棒軸承。軸承均使用潤滑油進行冷卻和潤滑。

3.3 試驗件靜子組件設計

增壓壓氣機試驗件靜子組件包括前機匣組件，前測量機匣，1、2級整環機匣，中介機匣以及排氣機匣組件。前機匣和排氣機匣均為帶支板結構的主要承力框架。支板為空心結構，以方便通過各種測試管線和油、氣管路。安裝靜葉的機匣都為整環結構，壁厚大，有利于安裝各種測試座和接嘴。為了準確模擬增壓壓氣機流過中介機匣后的流場和損失，還專門設計了中介機匣。

0級導葉和第1級整流葉片為可調葉片，上下都帶有軸頸，如圖5所示。第2、3級靜子葉片均為單個葉片，其內、外緣板上均設計有“π”型榫頭。裝配時，葉片按不同數量與內環形成扇形塊組件，直接裝在機匣上對應的槽內[2]。

為獲取增壓壓氣機優化性能，0級導葉和第1級可調靜葉均設計成單獨調節控制(見圖6)，由步進電機驅動螺桿轉動，進而帶動聯動環繞試驗件軸線周向轉動，以使得單排靜葉同時轉動葉片角度。

聯動環由于裝配需要而采用分半設計，使用帶凸耳的聯接段橋接。連接桿長度可調節，有利于彌補加工公差、變形等不利影響。試驗中，角度的反饋通過以下兩種方式控制：①通過攝像頭觀察設計的刻度盤和指針；②利用角位移傳感器進行實時控制和調節。

3.4 試驗件軸承軸向力和壽命估算

試驗件按照3個轉速和3種節流比(共計6個工況)進行了腔壓計算。結果表明，雙排推力球軸承承擔的軸向力在8 500～22 000 N之間，逆氣流方向，確保試驗中軸向力不反向。

徑向載荷僅考慮了轉子自重，通過支反力計算，球軸承徑向載荷為655 N。

對雙排球軸承進行了壽命估算，在最大軸向力時基本額定壽命為108 h，滿足增壓壓氣機部件使用要求。

4 試驗件強度振動計算和壽命分析

為確保試驗順利進行，試驗件必須具有足夠的強度和剛度。該增壓壓氣機試驗件強度設計采用了專用軟件(AJC、RCSC)和普通商業軟件(ANSYS、MSC/NASTRAN、PATRAN 等)，對各排轉、靜子葉片，轉子及聯結的強度、振動進行了計算分析。結果表明：設計狀態和最大爬升狀態的靜強度、持久強度儲備、低循環疲勞壽命均滿足設計要求。兩種狀態下轉子的最大等效應力分別為310 MPa和371 MPa，遠小于材料的屈服強度，計算應力分布見圖7；輪盤破裂轉速儲備大于1.22，滿足強度規范要求；轉子連接螺栓孔處低循環壽命大于105個循環。

對第1、2和3級輪盤處的兩條真空電子束焊焊縫進行了強度評估，認為滿足強度設計要求。

5 喘振條件下軸向間隙計算分析

壓氣機結構設計既要考慮結構緊湊又要考慮機械運行安全，因此壓氣機結構設計中必須考慮喘振的影響：既要保證喘振發生時能及時退出，又要考慮喘振時氣流產生的極大軸向能量對葉片沖擊帶來的軸向位移。常規設計中如果不考慮喘振對軸向間隙的影響，極可能產生轉、靜子碰磨等機械故障，威脅發動機安全。基于此，設計中主要對最大爬升狀態時的葉片喘振位移進行了計算。

對試驗件轉子變形進行了計算，機匣的變形認為可以忽略。

試驗件軸向間隙應保證轉子葉片和靜子葉片避免碰撞。根據PW6000增壓壓氣機軸向間隙設計經驗，考慮了最壞的公差累積、軸承軸向游隙、喘振時葉片的軸向位移，以及最惡劣熱力瞬態時轉、靜子的軸向位移[3]。軸向間隙計算結果表明：試驗件喘振時的葉片變形量相對較小，試驗件實際工作和喘振時的軸向間隙裕度較大，滿足安全性要求。

將試驗件的軸向間隙分析結果與某低壓壓氣機的軸向間隙進行比較和分析，結果表明：本增壓壓氣機試驗件的轉子葉片變形以及喘振時的葉片變形都較小，其機械運行安全。

6 試驗件首次裝配出現的問題和解決措施

在首次總裝前對靜子機匣部件進行假裝，將進氣機匣(含前軸承座)、前測量機匣、第1級整流機匣、第2級整流機匣、中介機匣模擬段、后測量機匣和排氣機匣(含后軸承座)依次裝配并同時進行跳動檢測。在進行前、后支點同軸度檢測時，發現支點同軸度為0.28～0.30 mm，超差近一倍。為此，設計人員根據裝配過程和各級機匣的跳動檢測結果，重新分解并檢查后軸承座與排氣機匣的配合尺寸，結果發現排氣機匣配合尺寸未加工到位，使得該處設計要求的小間隙配合變成了過盈配合，從而使后軸承座裝配未完全到位。經返修后，前、后軸承座同軸度滿足設計要求。

另外，首次裝配中還發現前、后內環組合加工后，切分成四塊扇形的第1級內環組件在切開處向外變形橢圓度達1.2 mm，無法裝入第1級可調葉片排上。經三次熱校形并輔以鉗修，最終使第1級內環組件順利裝入第1級可調整流葉片排上。最終完成的增壓壓氣機試驗件裝配實物如圖8所示。

7 試驗結果

在增壓壓氣機第一階段試驗中，共進行了3次試驗，包括機械運行試驗、總性能試驗和總性能優化試驗，錄取了折合轉速0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.91、0.95、0.963、1.00、1.094下的性能參數，進、出口流場分布，以及一些優化調節角度組合下的部分性能點。這一階段中試驗件運轉約12 h，進喘約37次，共錄取了約301個穩態性能數據。其性能試驗結果與一維計算結果的對比見圖9。結果表明，設計點流量滿足設計要求，全轉速范圍內效率包絡線良好，設計點效率和喘振裕度均超過設計值。

此外，增壓壓氣機試驗件還進行了軸向斜槽式處理機匣設計和試驗。該處理機匣在第1級轉子葉片上方沿壓氣機軸向開斜槽，與發動機軸線方向成20°傾角，槽深方向與壓氣機徑向成20°夾角，處理柵槽為400片。模型如圖10所示。

試驗件帶處理機匣與帶實壁機匣在設計角度下的試驗特性比較見圖11。從圖中可以看出，在0.4～0.6時，處理機匣的穩定邊界與實壁機匣試驗結果基本重合，穩定裕度沒有得到明顯提高；在中、高轉速下，處理機匣并沒有改善增壓壓氣機的穩定裕度，反而有1.0%～1.6%左右的下降。同時，在流量效率圖中還可以看出，增壓壓氣機效率在有3.0%～4.0%的下降。由此表明，該處理機匣設計未獲成功。

8 結束語

本文簡要介紹了中國燃氣渦輪研究院與美國P&W公司合作的民用雙轉子渦扇發動機增壓壓氣機部件研制情況，涉及到結構設計、強度振動計算及壽命分析、喘振條件下軸向間隙評估和試驗結果等。

增壓壓氣機機械運行和試驗結果表明：機械設計獲得了成功；增壓壓氣機試驗性能全面滿足設計要求，其中喘振裕度和效率超過了設計技術指標。

該增壓壓氣機部件的成功研制，填補了我國民用航空發動機增壓壓氣機設計技術的空白，為民用發動機的研制提供了必要的技術儲備。

[1]陳 光.航空發動機結構設計分析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[2]航空發動機設計手冊總編委會.航空發動機設計手冊：第8分冊——壓氣機[K].北京：航空工業出版社，2000.

[3]航空航天工業部高效節能發動機文集編委會.高效節能發動機文集：第三分冊——風扇、壓氣機設計與試驗[M].北京：航空工業出版社，1991.