BR700系列發動機高壓壓氣機設計及結構特征

楊偉，徐偉

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

BR700系列發動機高壓壓氣機設計及結構特征

楊偉，徐偉

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

BR700系列發動機的10級高壓壓氣機設計具有典型的民機構型，同時具有自身的特征。轉子一分為二，前6級鈦合金盤鼓采用電子束焊接成組件，后4級盤鼓與后鼓筒軸采用高溫合金焊接成組件。前機匣為水平對開結構，后機匣為雙層結構。葉片設計采用了帶飛翼防泄漏結構的周向燕尾榫頭轉子葉片，及懸臂靜葉。通過對BR700系列發動機研制及其高壓壓氣機設計歷程的介紹和高壓壓氣機結構的解析，可加深對國外高壓壓氣機結構設計技術的了解和吸收，促進國內結構設計技術發展，助推國內大發動機研制。

BR700系列；航空發動機；高壓壓氣機；結構特征；轉子組件；減渦器；可調靜葉

1 引言

1991年7月，德國寶馬公司與英國羅·羅公司聯合在德國成立了一家民用航空發動機公司。2000年，該公司變為羅·羅公司下屬子公司，即羅·羅德國(RRD)公司。創立之初，其目標是建立一個歐洲一流的商用飛機推進系統制造企業。公司成立不到一年即開始研制核心機，第二年開始研制BR710發動機，第五年開始研制BR715發動機[1]。這大大突破了發動機研制需要8～14年周期的一般規律[2]。

我國航空發動機從測繪仿制、引進消化吸收到自主創新設計，已艱難走過半個多世紀。進入二十一世紀的第二個十年，國家做出了研制大型飛機及其發動機這一具有重大戰略意義的決策。民用大型飛機要求最終配裝具有自主知識產權的大涵道比渦扇發動機，這是必須實現的國家戰略目標。我國民用大涵道比渦扇發動機項目起步不久，雖然對風扇/增壓級、高壓壓氣機等關鍵技術開展了初步研究，但與國際先進水平相比差距很大，技術基礎薄弱，大量關鍵技術尚未突破和掌握，部分試驗設備還存在空白，工程設計和使用經驗缺乏，獨立研發還有較大困難[2]。參考國外成熟高壓壓氣機設計實現的技術途徑、歷程，深入剖析高壓壓氣機的結構特征，加深對其的了解和吸收，可促進國內結構設計技術的發展，縮短研發周期。

2 BR700系列發動機研制

RRD成立不久就開始研制BR700系列發動機。1994年BR710發動機首臺運轉，隨后成功取得歐洲聯合航空局(JAA)和美國聯邦航空局(FAA)的適航證，1997年開始服役。BR715項目1995年10月啟動，1996年開始部件試驗計劃，1997年4月首臺運轉，1998年1月宣布成為波音717-200型飛機唯一動力裝置。BR725是RRD的第六款民用發動機，是BR710的推力放大型，2008年首臺成功運轉，2009年獲得EASA合格證，裝機對象為灣流G650。BR700系列發動機詳細參數見表1[3]。

表1 BR700系列發動機參數Table 1 Engine parameters of BR700 series

3 BR700系列發動機高壓壓氣機設計

RRD在技術基礎近乎為零的基礎上，能快速進入民用發動機市場，與羅·羅公司在技術上的大力支持是分不開的。其研發的BR700系列發動機高壓壓氣機，很大程度上繼承和吸取了V2500系列發動機高壓壓氣機的技術。

BR710的高壓壓氣機，是在V2500A1的基礎上，按線性0.91幾何縮比設計，進口換算流量減少了17%。羅·羅公司從V2500A1發展到A5的過程中，驗證了可控擴散葉型設計技術，開發了S1-S2設計軟件。RRD設計BR710高壓壓氣機時也移植了這些技術，使得效率較V2500A1提高了0.5%；同時開發了S1計算軟件，解決了小尺寸高壓壓氣機受葉片型面低雷諾數影響大的難題。結構設計方面，基于整機和空氣系統只是略有差異，使得BR710高壓壓氣機整個結構能大大繼承V2500A1的結構特征：轉子采用前6級鈦合金焊接盤鼓組件和后4級高溫合金焊接組件的結構；機匣則采用鑄鋼機匣替代了鈦合金機匣。

BR715的高壓壓氣機設計并沒有引入新技術。研制過程中，初期氣動設計將第三級可調靜葉取消，使得性能提高明顯，但卻導致第三級轉子葉片斷裂。后期改進了第三級轉子葉片設計，同時又重新設計了第三級可調靜葉。結構設計上，BR715與BR710相同。

BR725在氣動設計方面，引入了在V2500 Selec?tOne?驗證了的CFD技術，特別是優化設計了可調靜葉；另外，葉片的設計引入了橢圓前緣。性能預估顯示，效率可提高0.6%。結構設計方面，完全得益于羅·羅公司的整體葉盤技術，BR725前6級都采用了整體葉盤及焊接技術，實現了質量減少30 kg的目標[4]。

從高壓壓氣機的設計歷程可看出，RRD始終處于羅·羅公司整個發動機研發體系的一部分；除部分自己專門開發的技術外，其發動機研制技術幾乎全部采用羅·羅公司經過驗證的技術。羅·羅公司的預研成果、技術數據庫與整個工程資源全部向RRD開放，并以供應商的身份，承擔部分設計制造任務。可以說，羅·羅公司豐富的發動機研制經驗、預先研究的技術儲備，成為了RRD的強大技術后盾。

4 高壓壓氣機結構特征

BR700系列發動機高壓壓氣機，除BR725前6級采用了整體葉盤結構外，其他都大同小異。下面主要介紹BR710高壓壓氣機的結構特征，其結構示意圖見圖1。

圖1 BR710高壓壓氣機結構示意圖Fig.1 Sketch of BR710 HPC structure

4.1 轉子組件

10級轉子組件為盤鼓式結構，分為前后兩個組件：前6級盤鼓采用鈦合金，電子束焊焊接為一個前焊接組件；后4級盤與后鼓筒軸采用高溫合金，電子束焊焊接成一個后焊接組件；前后組件通過34個短螺栓/自鎖螺母連結；由于引氣需要，前后組件之間(第六、第七級盤間)還裝有減渦器。

轉子組件前端通過第一級盤(圖2)前的圓弧端齒(羅·羅公司專利)與前軸頸傳扭及定心，并且圓弧端齒中間有20個螺栓用于連接，提供預緊力。轉子后端通過后鼓筒軸上的圓弧端齒與高壓渦輪相連。圓弧端齒采用單元體設計，以便于拆換轉子組件。滾珠軸承裝在帶圓弧端齒的短聯軸器上；裝卸轉子組件時，只須將轉子與短聯軸器上的自鎖螺母擰上或卸下即可。

圖2 第一級盤模型Fig.2 Model of the first stage disc

各級盤和葉片均采用了傳統的盤片分離結構：前3級采用軸向燕尾榫，后7級采用周向燕尾榫連接方式。

前3級葉片軸向插入盤的榫槽(如圖2所示的盤模型中，軸向榫槽帶有傾角)中，第一級采用9個彈性塊和9個扇形擋環塊軸向定位，第二、第三級采用3個彈性塊和9個扇形擋環塊軸向定位。榫槽中均加有絕緣材料的彈性橡膠密封墊塊以防止級間漏氣，同時起減震作用。

第一級轉子葉片采用帶凸肩結構，凸肩相結處涂有耐磨涂層。采用凸肩結構一方面起到減震作用，另一方面可提高葉片抗外物損傷能力。不過這種結構會堵塞流道，影響氣動性能。另外，第一級轉子葉片榫頭上，每一片都設計有安裝平衡銷釘的孔。

后7級葉片采用周向燕尾榫結構，通過盤上的安裝槽裝入周向燕尾榫槽內。葉片榫頭周向兩個端面，沿槽向設計有加寬的延伸邊，亦稱飛翼，如圖3所示。每級所有葉片飛翼連成一周，防止氣流泄漏。在第四～第六級榫槽底部加裝阻尼環，既起密封作用，又可防止微動磨損。利用鎖緊塊防止葉片周向移動，各級鎖緊塊數目見表2。

為冷卻承受高溫負荷的低壓渦輪盤，在第七級盤前鼓筒處開有94個小孔，從第六級轉子葉片后引氣；同時，這股氣流可阻止來自渦輪主流路的熱空氣進入到渦輪盤與軸承間的腔內。但這股氣流從第六級出來時帶有強烈的旋渦，進入第六、第七級轉子盤腔后，易造成盤腔溫度急劇上升，及氣流壓力損失增加。為避免這種惡劣影響，設計有減渦器。減渦器由34根減渦管插入安裝在第六、第七級間的支撐環所開的對應孔中組成，如圖4所示。氣流經過減渦管，可實現控制氣流方向、減小渦流影響的目的，且該結構可大大降低壓力損失[5]。此外，為避免氣流直接垂直吹到低壓軸上，設計了一個氣流方向偏轉裝置，使得氣流能順利沿低壓軸流動。

圖3 周向燕尾榫葉片Fig.3 Blade with circumferential dovetail

表2 鎖緊塊數量Table 2 Locking assembly number of each stage

圖4 減渦器示意圖Fig.4 Sketch of vortex reducer

前3級鼓筒處均設計有封嚴篦齒，與內環涂層相對，用于級間封嚴。后6級鼓筒與懸臂靜葉對應處設計有白色高硬度磨削涂層；涂層表面采用車加工，表面比較粗糙，硬度比葉片大；與靜葉接觸上時將靜葉磨削，以便保持葉尖間隙，保證封嚴及發動機安全工作。

在轉子各零組件連接處，盤體與連接件間均設計有防磨損的薄金屬墊片，可有效防止擰緊時對盤的磨損。墊片磨損后即可更換，能大大提高轉子的使用壽命。在第一級盤圓弧端齒的連接處，設計了4件墊片，每件上安裝5個螺栓/自鎖螺母；在第六級盤與自鎖螺母、第七級盤與方形螺栓之間，均加裝17件墊片，每件上安裝2個螺栓/自鎖螺母。

轉子組件葉尖加工時提高轉子轉速(～6 000 r/min)以消除榫頭榫槽結合面間隙，在模擬工作狀態下磨削葉尖直徑且自動進行平衡(可在平衡環上去除材料)。

4.2 靜子組件

靜子組件包括機匣、靜葉及內環、調節機構等。機匣分成前后兩段，前段為便于裝配與分解，采用水平對開機匣結構，由合金鋼離心澆鑄而成，安裝前5排靜葉。前面級轉子葉片較容易斷裂，對應的機匣需采用包容設計；可通過設計足夠的機匣厚度，以避免斷裂的轉子葉片打穿機匣，危及發動機及飛機安全。BR710與BR715在前4級轉子葉片對應的涂層位置處的機匣厚度有所不同，具體值見表3。

表3 涂層位置機匣厚度Table 3 Casing thickness on the coating

后段為雙層機匣，內外都為整環結構，內層機匣安裝后5排靜葉。高壓壓氣機后幾級機匣是內涵機匣直徑最小處，俗稱縮腰。發動機出現縮腰后使得縱向剛性變弱，在機動飛行時，機匣變形會造成后幾級葉尖間隙沿圓周方向不均勻，甚至出現葉尖碰磨機匣現象。為此，絕大多數發動機在縮腰處做成雙層機匣，內層機匣僅作為氣流的包容環及固定靜子葉片的環形件，承受氣動、溫度負荷；外層機匣則作為承力結構，一般均將直徑加大很多以增加發動機的縱向剛性。

外層機匣為整環結構，整個為一段，前端與前機匣相連，后端與燃燒室機匣相連。內層機匣分為六段，都為整環結構。內層機匣在第五、第九級處與外機匣相連。第七、第八級內機匣相連處，外緣加裝一環形密封圈，外機匣中間的L型搭接邊與之相接觸，組合在一起構成軸向封嚴結構，將第五、第八級的引氣腔隔開。在第六、第七、第九級內機匣外均設計有薄壁隔熱罩，與引氣腔隔開，利于控制葉尖間隙。在各級內層機匣螺栓連接處，加裝整環的薄金屬環，減少連接件受到的熱影響。機匣在與轉子葉尖對應處噴涂易磨涂層，用于轉子葉尖間隙控制。

在第一、第二、第五和九級機匣處，各設有兩個孔探儀觀察孔，在不分解機匣的情況下可通過孔探儀檢查壓氣機內部情況，還可通過特殊工具修復損傷葉型。

前4級靜葉為可調葉片，通過上、下軸頸與機匣、內環相連。內環帶有易磨涂層，與轉子上的篦齒相對，用于級間封嚴。調節葉片時，葉片繞上、下軸頸轉動。軸頸處都裝有自潤滑襯套，能減小葉片與機匣、內環的摩擦。內環分為上下兩段，每段又分為前后兩半并通過螺栓聯接組成半環。另外，內環下端有一凹槽，與葉片下軸頸凸臺(圖5)相對。這種設計在靜葉葉片斷裂的情況下，凸臺可保持斷裂的靜葉不脫落，大大提高了發動機的安全系數。

圖5 可調靜葉模型Fig.5 Model of VSV

后6級靜葉為不帶內環的懸臂結構，葉片單個安裝，采用T型安裝板固定在機匣槽內。每級整圈有4個帶擋邊葉片，通過固定在機匣外的止動銷插入擋邊中間，防止葉片周向串動。機匣T型槽裝有薄襯套環，起防止微動摩損作用。靜葉懸臂端與鼓筒對應處的硬質涂層自適應匹配，保持合適的間隙。

液壓作動筒安裝在對開機匣后段的安裝座上，從后往前推動連動桿，使可調機構實現4級聯調。

5 結束語

羅·羅德國公司的快速發展，極大程度上依賴于羅·羅公司的預研成果和技術積累。其BR700系列發動機的成功研發，正是源于共用民機核心機技術的研究與應用，通過驗證的新方法、新技術、新結構逐步應用到高壓壓氣機上，促成了系列發動機的發展。目前，我國民機大發動機項目已開始啟動，可參照羅·羅德國公司的思路，重視核心機的研發，立足于國內近二十年的預研成果和工程經驗，開創出一條自主研發民用核心機的道路。

BR700系列發動機高壓壓氣機結構設計上較有特色，通過對結構解析，加深對國外設計技術、工程經驗的了解，并對相關技術加以消化與吸收，厘清思路，加強國內先進民用大涵道比渦扇發動機壓氣機部件的技術預研，以促進高壓壓氣機的結構設計技術發展，助推國內民機高壓壓氣機的研發。

[1]江和甫，焦天佑，盧傳義.1997年巴黎航展期間訪問記實[J].燃氣渦輪試驗與研究，1997，10(3)：56—62.

[2]劉大響，金捷，彭友梅，等.大型飛機發動機的發展現狀和關鍵技術分析[C]//.中國航空學會2007年學術年會論文集.2007.

[3]Rolls-Royce BR700[EB/OL].[2013-09-01].http://en.wiki?pedia/wiki.

[4]Wenger U，Wehle P.Development of the Rolls-Royce 10 StageHighPressureCompressorFamily[R].ISABE 2009-1300，2009.

[5]Peitsch D，Stein M，Hein S，et al.Numerical Investigation of Vortex Reducer Flows in the High Pressure Compressor of Modern Aeroengines[R].ASME 2002-GT-36074，2002.

HPC Design and Structure Features of BR700 Series Engine

YANG Wei，XU Wei
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The 10-stage high pressure compressor of BR700 series aero-engine has a typical structure to civil purpose,as well with several characters in the construction design.Rotor has two assemblies,the front 6-stage discs and drums are welded together using Titanium alloy,meanwhile the rear 4-stage discs and drums are welded with the rear shaft which are made of Nickel alloy.The front casing is cast steel split parts and the rear is two layers ring casing.The blades with the circumferential dovetail which has two“wing”on the two sides and the cantilevered vanes are introduced into the design.Analyzing the structure features of the mature HPC can promote the understanding of Rolls-Royce’s design techniques.At the same time,it al?so can accelerate the structural design development of aero-engine in China.

BR700 series；aero-engine；HPC；structure features；rotor assembly；vortex reducer；VSV

V235.13+3

：A

：1672-2620(2014)03-0030-04

2013-10-10；

：2014-03-05

楊偉(1976-)，男，四川江油人，高級工程師，碩士，主要從事壓氣機結構設計。