航空發動機壓氣機徑向間隙設計方法研究

張少平，蘇廷銘，羅秋生，范小洪

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

1 引言

現代發動機追求良好的性能、高的推重比。當氣動性能指標要求越來越高時，結構設計就變得越來越重要，其中很重要的一個方面就是對葉尖徑向間隙進行合理設計。葉尖徑向間隙對發動機的安全工作、效率、耗油率、氣動性能穩定以及壓氣機喘振裕度有很大的影響，對其進行合理控制是提高發動機效率、改善發動機性能的重要環節。

目前，國外在航空發動機中已成功實現對壓氣機徑向間隙的主動控制；國內的研究主要集中在間隙流場[1]和間隙測量[2，3]等領域，未對壓氣機徑向間隙設計方法開展系統的研究。

本文對發動機壓氣機徑向間隙的影響因素和設計方法進行了研究，并根據壓氣機徑向間隙的設計和試驗結果，對某發動機壓氣機部件進行了徑向間隙分析。

2 徑向間隙的影響因素和設計方法

據文獻[3]介紹，轉子葉尖間隙增加葉高的1%，級效率下降1.5%。懸臂靜子葉尖間隙增加葉高的1%，級效率下降1.5%。因此，減小葉尖徑向間隙能提高壓氣機效率。但間隙過小又可能導致轉、靜子碰摩，引起振動增大，甚至導致部件損壞，發生故障。

2.1 影響徑向間隙的因素

影響壓氣機葉尖間隙的因素多且復雜，主要有：

(1)影響機匣位移的因素。主要有軸對稱和非軸對稱因素。其中軸對稱因素包括：機匣組件的熱膨脹、作用在機匣上的壓力載荷、節流引起的瞬態效應、氣候和高度的變化及其它未知因素。非軸對稱因素包括：自重及其引起的變形、發動機殼體在穩態推力下的彎曲、發動機的內部載荷(由引氣引起的壓力載荷)、陣風載荷、機動載荷(因飛機特技飛行、在進氣畸變中飛行及飛機著陸引起)、由哥氏加速度引起的載荷、非軸對稱熱膨脹及其它未知因素。

(2)影響轉子位移的因素。主要有軸對稱和非軸對稱因素。其中軸對稱因素包括：作用在轉子組件上的離心力、熱效應、壓力載荷，節流時的瞬態效應(發動機飛行循環需要)，壓氣機鼓的軸向位移，氣候變化，高度變化，及其它未知因素。非軸對稱影響因素包括：自重及其引起的變形、發動機殼體在穩態推力下的彎曲、發動機內部載荷(由引氣引起的壓力載荷)、陣風載荷、機動載荷(因飛機特技飛行、在進氣畸變中飛行及飛機著陸引起)、由哥氏加速度引起的載荷、非軸對稱熱膨脹、轉子不平衡(包括轉子彎曲和支撐結構偏斜)及其它未知因素。

(3)零、組件制造及裝配公差因素。主要包括：構件間隙、軸承徑向游隙、轉子徑向跳動、機匣橢圓度及葉身高度的尺寸公差等。

需要注意的是：這些載荷和變形不是簡單的代數疊加，而是應該加以協調，在發動機研制不同階段有不同考慮。

2.2 間隙設計方法

式中：Sp為工作間隙，Sm為裝配間隙，δc為機匣內表面在工作溫度和壓力等條件下發生的徑向位移，δd為盤緣(榫槽和葉片榫頭基準處)在工作溫度和載荷等條件下的徑向位移，δb為葉身相對于葉根部分在工作條件下的徑向伸長量，δy為轉、靜子相對軸向位置變化對徑向間隙的影響，δa為葉片裝配徑向活動量，δz為支點徑向位置變化對徑向間隙的影響，δt為加工制造對徑向間隙的影響，K為系數。

公式(1)是在文獻[4]中間隙計算公式的基礎上，結合本單位多年的間隙設計經驗和試驗驗證結果進行了完善。以下是公式(1)各項因素的具體計算說明。

2.2.1 機匣、轉子、葉片的變形

機匣、轉子輪盤和葉片的變形，是壓氣機在工作狀態下熱膨脹、熱變形、氣動負荷、離心載荷以及機動載荷等因素引起。其變形量均可通過ANSYS軟件對機匣、轉子組件及各級葉片的三維模型進行強度計算獲得。

2.2.2 轉、靜子相對軸向位置變化對徑向間隙的影響

由于熱膨脹、熱變形、氣動負荷、離心載荷、機動載荷等因素帶來的軸向位置變化和壓氣機喘振產生的巨大軸向變形，使得轉、靜子發生軸向位置變化。

各特征點總的軸向位移按公式(2)進行計算。對公式(2)右端任一項的符號作如下考慮：假設其它各項均不變，該項沿正方向變化，使徑向間隙增加，則該項前的符號取正；反之，則該項前的符號取負。

式中：Pm為總的軸向相對位移；Pj為機匣的軸向位移；Py為葉片的軸向位移；Pz為轉子的軸向位移；Ps為軸承的軸向活動量，取軸承軸向間隙的最大值。

機匣、轉子、葉片的軸向位移，綜合考慮了壓氣機在工作狀態下熱膨脹、熱變形及離心載荷帶來的軸向變形量。最終，軸向位移引起的特征點的徑向變化量按公式(3)進行計算。

式中：ΔK為該特征點處的流道變化率。

2.2.3 支點徑向位置變化對徑向間隙的影響

由于壓氣機轉子的不平衡響應和轉子的渦動等因素，使得前、后支點的位置發生變化，進而導致徑向間隙產生變化。

確定前、后支點的最大徑向活動量，需判斷是否有彈性支撐及其最大限幅。根據某型發動機中壓氣機轉子前支點為彈性支撐、后支點為剛性支撐的特點，最大徑向活動量按公式(4)折算到各特征點。

式中：Lq為前支點徑向游隙，Lf為彈性元件的限幅，Lh為后支點徑向游隙，Lz為特征點到前支點的距離，L為前、后支點的總間距。

2.2.4 裝配和加工對徑向間隙的影響

轉子葉尖和懸臂靜子葉尖在葉片零件加工中留有余量，葉尖余量需在組件中組合加工去除。而目前的加工工藝還不能實現讓葉片處于工作狀態進行加工，因此無法完全消除葉片榫頭與榫槽之間的徑向裝配活動量，故在徑向間隙設計中應對葉片徑向裝配活動量予以考慮。

此外，工程實際中，由加工引起的機匣的橢圓度、轉子的偏心等也會對徑向間隙產生直接影響。機匣的橢圓度、轉子的偏心等以徑向跳動來表示。

式中：ty為轉、靜子葉尖的徑向跳動，tj為轉、靜子葉片對應機匣或轉子鼓筒的徑向跳動。

3 工程算例及分析

本算例是對發動機研制階段壓氣機徑向間隙進行計算。在這一階段，雖然初步的飛行包線可以確定機動載荷，但還沒有作飛行考核的具體要求，故沒有考慮機動載荷引起的變形。因此本算例只考慮起動-慢車-最大狀態的間隙設計。

根據某發動機壓氣機的試驗要求，按時間歷程結合空氣系統瞬態溫度場評估和強度專業對不同加溫及轉速評估的各零件的變形量，以第一級轉子葉尖某特征點(R1)間隙為例進行計算。

3.1 初始裝配的安裝間隙

初始裝配時轉子葉尖的冷態間隙值、軸向變化引起的徑向變化量、安裝間隙、支點活動引起的特征點變化量和加工制造對徑向間隙的影響的具體值見表1。

表1 實測間隙mmTable 1 Real radial clearance

3.2 零件的變形量

時間歷程中各零件的變形量見表2。轉子和機匣變形量隨時間的變化趨勢分別見圖1、圖2。

表2 各時間歷程中特征點的變形Table 2 Time history of components transformation

3.3 間隙計算結果

各時間歷程的間隙預估結果見表3。根據公式(1)計算出的表3中各種狀態下徑向間隙隨時間的變化趨勢見圖3。

表3 徑向間隙計算結果Table 3 Calculation results of radial clearance

3.4 壓氣機徑向間隙分析

根據圖3所示的轉子葉尖徑向間隙隨時間的變化趨勢可知：發動機從起動、慢車、加速到最大狀態，再由最大狀態過渡到慢車狀態的過程中，其最小間隙發生在加速過程中。這一變化趨勢符合渦扇發動機間隙變化規律，同時也與國外相關報道相符[5]。

此外，采用該間隙設計值的壓氣機通過了發動機試驗考核，試驗性能滿足設計要求，且試驗后的分解檢查未發現葉片與機匣有碰磨痕跡。

4 結論

(1)對航空發動機壓氣機徑向間隙的計算方法進行了研究，提出了更完善的徑向間隙設計方法。

(2)采用該間隙設計方法設計的間隙，能滿足壓氣機轉、靜子間工作間隙的設計要求。

(3)如何優化設計發動機壓氣機轉、靜子間的徑向間隙，還需對間隙測量、試驗驗證等作進一步深入研究，不斷完善徑向間隙設計方法。

[1]賴煥新，吳克啟.軸流壓氣機轉子內流數值模擬及葉頂間隙泄露分析[J].工程熱物理學報，1998，19(5)：577—580.

[2]陳炳貽.葉尖間隙對航空發動機性能的影響和測量技術[J].燃氣渦輪試驗與研究，1996，9(2)：40—43.

[3]熊宇飛.航空發動機轉子葉尖間隙測量[J].測控技術，2004，23(1)：5—7.

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

[5]中國航空工業總公司發動機系統工程局.渦噴、渦扇發動機結構設計準則：第6分冊——轉子系統[K].1997.