間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動機(jī)電子樣機(jī)設(shè)計(jì)

曾慶萬，馮松濤，馬　健（中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

?

間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動機(jī)電子樣機(jī)設(shè)計(jì)

曾慶萬，馮松濤，馬健
（中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

摘要：在追蹤和分析國外間冷回?zé)峒夹g(shù)在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)上，根據(jù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀，對間冷器和回?zé)崞鬟M(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)研究。初步擬定了間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案，并將此結(jié)構(gòu)方案建立為電子樣機(jī)。總結(jié)了間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)中各部件、系統(tǒng)，以及特有的間冷器管路系統(tǒng)和回?zé)崞鞴苈废到y(tǒng)的布局規(guī)律。通過樣機(jī)建模，初步掌握了間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)特點(diǎn)，探索了各部件、系統(tǒng)的布局，為間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)的進(jìn)一步研究積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；間冷回?zé)嵫h(huán)；結(jié)構(gòu)布局；電子樣機(jī)；跟蹤探索

tracking and exploration

1　引言

鑒于航空運(yùn)輸增量需求以及對經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保要求的提高，世界范圍內(nèi)都在尋求適應(yīng)未來航空運(yùn)輸市場的創(chuàng)新型發(fā)展途徑，涉及推進(jìn)技術(shù)的包括對現(xiàn)有型號發(fā)動機(jī)的改型和局部技術(shù)的創(chuàng)新，研發(fā)技術(shù)更高的下一代發(fā)動機(jī)以及新概念發(fā)動機(jī)等。間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)就是一種新概念航空發(fā)動機(jī)［1］。

間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動機(jī)是一種在熱力循環(huán)上有別于現(xiàn)役航空發(fā)動機(jī)的高效推進(jìn)器，主要體現(xiàn)在兩個環(huán)節(jié)：一是在增壓級與高壓壓氣機(jī)之間增加一個間冷器流通環(huán)節(jié)，利用從風(fēng)扇出口引來的部分冷氣降低進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的空氣溫度，以提高高壓壓氣機(jī)加壓效率或減輕設(shè)計(jì)難度；二是在高壓壓氣機(jī)與燃燒室之間增加回?zé)崞鳝h(huán)節(jié)，利用渦輪出口燃?xì)獾臒崃窟M(jìn)一步加熱進(jìn)入燃燒室的空氣，這樣做首先可相對減少燃油消耗量，其次尾氣排放時污染物含量更低。由于其利用了降低發(fā)動機(jī)增壓級出口氣流的溫度而使高壓壓氣機(jī)效率更高、利用渦輪后排氣的高溫加熱進(jìn)入燃燒室的氣流而使產(chǎn)生同等推力所需燃油更少，所以此形式的發(fā)動機(jī)具有燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保優(yōu)勢。在目前資源日漸枯竭、追求高的綜合效益的形勢下，更具發(fā)展前景［2］。

鑒于間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)的性能優(yōu)勢，歐盟、美國、俄羅斯等啟動了多個研究計(jì)劃，如歐盟第5框架協(xié)議的CLEAN和AEROHEX計(jì)劃［3］，歐盟第6框架協(xié)議的NEWAC計(jì)劃［4］。多個研究機(jī)構(gòu)和發(fā)動機(jī)公司參與了這些計(jì)劃，開展了大量的研究工作并取得階段性成果。為跟蹤國外技術(shù)研究，中國燃?xì)鉁u輪研究院進(jìn)行了間冷器和回?zé)崞鞯哪Ｐ驮囼?yàn)研究，同時以現(xiàn)階段技術(shù)為背景完成整機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行建模以利于分析優(yōu)化。

2　整機(jī)布局

間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)（圖1）包括：風(fēng)扇、增壓級、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高低壓渦輪、噴管、外涵道、間冷涵道、間冷器、回?zé)崞饕约捌渌到y(tǒng)。

圖1　間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)總圖Fig.1 Structure of the intercooled recuperated aero-engine

頂層設(shè)計(jì)確定發(fā)動機(jī)的總體參數(shù)，各部件根據(jù)給定參數(shù)進(jìn)行分析并完成部件方案設(shè)計(jì)，得到整個發(fā)動機(jī)的流道參數(shù)。依據(jù)流道數(shù)據(jù)，各部件進(jìn)行初步的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，然后由總體結(jié)構(gòu)完成整機(jī)方案設(shè)計(jì)，同時協(xié)調(diào)部件間結(jié)構(gòu)和尺寸。

在對發(fā)動機(jī)各部件進(jìn)行布局優(yōu)化時，考慮到需要盡量縮短發(fā)動機(jī)總體長度，高壓壓氣機(jī)采用一級軸流加一級離心的組合。同時，將間冷器布置在更大半徑處的外涵道內(nèi)，增壓級與高壓壓氣機(jī)間之間采用交叉進(jìn)排氣管路連接。

3　支點(diǎn)布局及轉(zhuǎn)子連接

間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機(jī)需采用很大的涵道比，在風(fēng)扇直徑很大的情況下其轉(zhuǎn)速需要降低以適應(yīng)現(xiàn)階段材料的強(qiáng)度，這就造成風(fēng)扇與增壓級（低壓渦輪）不能在共同轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，必須增加減速齒輪箱以使風(fēng)扇與增壓級（低壓渦輪）各自以最佳轉(zhuǎn)速工作。綜合考慮風(fēng)扇和低壓轉(zhuǎn)子（增壓級與低壓渦輪）的工作情況，減速器的傳動比設(shè)計(jì)為2.94，結(jié)構(gòu)為星型輪系，采用5個行星輪，見圖2。

圖2　減速器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the retarder

轉(zhuǎn)子支承如圖3所示。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子采用兩個圓錐滾子軸承呈懸臂支承，由增壓級和低壓渦輪組成的低壓轉(zhuǎn)子采用1-1-0的支撐形式，由高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪組成的高壓轉(zhuǎn)子采用1-0-1的支撐形式。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)共同支承于增壓級進(jìn)氣機(jī)匣，其載荷由風(fēng)扇整流器傳至前安裝節(jié)。高壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)支承于高壓壓氣機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣，其載荷也由風(fēng)扇整流器傳至前安裝節(jié)。高、低壓轉(zhuǎn)子的后支點(diǎn)都支承于高低壓渦輪的級間機(jī)匣軸承座上，其載荷通過級間機(jī)匣傳至后安裝節(jié)。

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子與高壓渦輪轉(zhuǎn)子通過鼓筒采用圓弧端齒連接傳遞載荷，并用精密螺栓緊固承受軸向載荷。增壓級與低壓渦輪采用套齒加端面壓緊螺母連接，并與減速器采用套齒傳遞扭矩。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子采用法蘭盤形式與減速器外殼連接。

4　間冷器/回?zé)崞鞑季?/h2>

由于間冷器是利用外涵中風(fēng)扇整流器后的一部分氣流，冷卻來自增壓級出口經(jīng)過了增壓加溫的氣流，這就需要在外涵道中專門設(shè)置一條間冷涵道。為便于間冷涵道中間冷器的安裝和管道的法蘭盤螺栓擰緊，間冷涵道的機(jī)匣設(shè)計(jì)成三段式。

圖3　間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)支點(diǎn)布局示意圖Fig.3 Pivot distribution of the intercooled recuperated aero-engine

如圖4所示，間冷器總共設(shè)置20個，5個一組安裝在由4個支板形成的4個扇形腔內(nèi)。每組間冷器的后端設(shè)計(jì)有安裝法蘭邊，與間冷涵道第二段后端安裝邊連接固定，間冷器的前段與進(jìn)排氣管道連接。

圖4　間冷器周向分布示意圖Fig.4 Circumferential distribution of intercooler

尾噴管中布置8個回?zé)崞鳎稀⑾聜?cè)各3個與發(fā)動機(jī)軸線呈一定角度布局，左、右兩側(cè)各1個與發(fā)動機(jī)軸線平行布局，如圖5所示。為最大化利用尾噴管中的熱量，提高換熱效率，應(yīng)讓燃?xì)獗M量流經(jīng)回?zé)崞餍倔w，這就要求各回?zé)崞髦g增加封嚴(yán)擋板，避免高溫燃?xì)鈴拇蟮目障吨辛鞒觯?］。

圖5　回?zé)崞髟趪姽苤蟹植际疽鈭DFig.5 Distribution of recuperator in the nozzle

5　間冷器/回?zé)崞鞴苈凡季?/h2>

與傳統(tǒng)循環(huán)發(fā)動機(jī)相比，間冷回?zé)釡u扇發(fā)動機(jī)中，除增加了間冷器和回?zé)崞鬟@兩大特殊部件外，還增加了與間冷器和回?zé)崞飨嗯涞墓苈废到y(tǒng)。

由于采用了新的熱力循環(huán)形式，間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)各腔室所用密封引氣、冷卻引氣等都會做很大調(diào)整。加之新增的間冷器、回?zé)崞飨到y(tǒng)的管路，使得發(fā)動機(jī)其他管路的布局更加困難。管路系統(tǒng)的布局取決于間冷器在發(fā)動機(jī)中的安裝位置，最有利于核心機(jī)氣流流動的方案是加大增壓級和高壓壓氣機(jī)的軸向間距，將間冷器安排在其間。這樣從增壓級出來的氣流平直流過間冷器后不用改變流向直接進(jìn)入高壓壓氣機(jī)，減小了氣動損失；但這種方案增加了發(fā)動機(jī)的長度和質(zhì)量，也使來自外涵的冷卻氣流流路復(fù)雜化。另一種方案是將間冷器布局在外涵流道中，這樣不用考慮冷卻氣流的流入和排出問題，但外涵道中氣流流速過高，損失太大，同樣不適合；同時，來自增壓級的氣流需要引到外涵的流路較長，回到高壓壓氣機(jī)的流路也同樣較長。所以最佳布局位置是外涵道和核心機(jī)之間的環(huán)形空腔，但同時帶來另一個問題：流出增壓級的氣流流向改變及流出間冷器進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的氣流流向改變帶來的壓力損失。為此，提出一種利用相對較高的氣動載荷的S形擴(kuò)張管道來分配增壓級的排氣，以樹枝狀離散地流進(jìn)各個間冷器單元，同時利用C形管道加速流出間冷器的氣流，收集后進(jìn)入高壓壓氣機(jī)，如圖6所示。

圖6　間冷器進(jìn)、排氣管路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Pipeline structure of inlet and exhaust of intercooler

對于增加了間冷器的發(fā)動機(jī)，其管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于如何布置間冷器的進(jìn)、排氣管路。由于主流量都流經(jīng)此系統(tǒng)，所以管路系統(tǒng)的流通面積必須滿足增壓級出口空氣流量的要求、盡量減小壓力損失；同時也要考慮增壓級的不同結(jié)構(gòu)形式對間冷器進(jìn)氣管的布局的影響。如果采用軸流加離心方案，則到間冷器一段管道的路徑可依照離心壓氣機(jī)出口稍作匹配即可與間冷器連接；如果只采用軸流式壓氣機(jī)方案，則需要從增壓級出口到間冷器進(jìn)口根據(jù)壓力損失和流速等要求設(shè)計(jì)特定路徑。

增壓級和間冷器之間的連接管道必須緊湊、輕質(zhì)、高效及氣動損失最低，且氣流在進(jìn)入間冷器時每個間冷器單元之間的流量要均勻，否則會影響壓氣機(jī)的正常工作。同樣，從間冷器流出進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的氣流也要能均勻流動，否則會造成高壓壓氣機(jī)進(jìn)氣畸變，影響其正常工作。如果管路設(shè)計(jì)造成的不利影響較大，將抵消間冷器帶來的好處。

回?zé)崞鞴苈放c間冷器管路布局的不同之處，在于發(fā)動機(jī)后部要增加較多的其他各部件間的系統(tǒng)管線，如渦輪冷卻引氣管路、軸承腔封嚴(yán)引氣管路等。

束管式回?zé)崞鲉卧w在發(fā)動機(jī)中的布局一般如圖7所示，上、下各3個，左、右各1個。上部3個回?zé)崞鞣謩e在兩側(cè)將進(jìn)氣管和排氣管接口連在一起，向前引伸至高壓壓氣機(jī)出口和燃燒室進(jìn)口，下部同樣布置；左、右則各自將進(jìn)、排氣管向前引至集氣環(huán)。

圖7　回?zé)崞鲉卧贾眉肮苈纷呦蚴疽鈭DFig.7 Recuperator component distribution and pipeline layout

回?zé)崞髋c高壓壓氣機(jī)以及燃燒室的連接，在周向可將回?zé)崞鞯倪M(jìn)、排氣管錯開布置，分別在高壓壓氣機(jī)出口和燃燒室進(jìn)口處設(shè)置集氣環(huán)，與來自回?zé)崞鞯墓艿肋B接，盡量保證燃燒室進(jìn)氣均勻。

為便于安裝，來自回?zé)崞鬟M(jìn)、出口的各個管路逐漸匯集后在穿過渦輪后機(jī)匣時采用分段設(shè)計(jì)思路，將一段管路焊接于渦輪后機(jī)匣上，其兩端采用法蘭連接形式。

6　安裝節(jié)及吊掛

根據(jù)發(fā)動機(jī)的載荷傳遞路線及機(jī)匣具體情況，兩個安裝節(jié)分別安排在風(fēng)扇整流機(jī)匣和渦輪后機(jī)匣上（圖8）。

為加強(qiáng)整個發(fā)動機(jī)傳力機(jī)匣剛性，解決前后安裝節(jié)跨度較大帶來的兩個吊點(diǎn)之間結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大撓度的問題，在間冷涵道機(jī)匣外面設(shè)計(jì)一個中介安裝節(jié)，采用一個整體的承力大梁結(jié)構(gòu)將三個點(diǎn)連接起來。這樣發(fā)動機(jī)中間部分的載荷可通過軸承機(jī)匣，傳至連接增壓級與高壓壓氣機(jī)結(jié)合部和外涵內(nèi)機(jī)匣的增強(qiáng)鼓筒，再通過間冷涵道支板傳至大梁吊裝結(jié)構(gòu)。

圖8　間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)安裝節(jié)吊掛Fig.8 Hanger of the intercooled recuperated aero-engine

7　結(jié)束語

在間冷回?zé)嵫h(huán)發(fā)動機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，針對間冷器、回?zé)崞鞑季诌M(jìn)行了多次協(xié)調(diào)對比，包括中央傳動、附件機(jī)匣的調(diào)整，安裝節(jié)的布置，間冷器和回?zé)崞鞴苈返脑O(shè)計(jì)等。通過完成總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基本掌握了間冷回?zé)岚l(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路和此類發(fā)動機(jī)特有的局部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為今后的技術(shù)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

由于項(xiàng)目任務(wù)性質(zhì)和時間關(guān)系，本次設(shè)計(jì)中有多個方面未進(jìn)行細(xì)節(jié)考慮，如間冷器、回?zé)崞鞴苈废到y(tǒng)的特性分析，間冷器、回?zé)崞髟诟髯詿崃拷粨Q空間的優(yōu)化分析等，后續(xù)工作中應(yīng)結(jié)合整機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的定量分析。

參考文獻(xiàn)：

［1］王占學(xué)，龔昊，劉增文，等.間冷回?zé)岷娇瞻l(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢分析［J］.航空發(fā)動機(jī)，2013，39（6）：13—18.

［2］McDonald C F，Rodgers C. Heat-exchanged propulsion gas turbines: a candidate for future lower SFC and reduced emission military and civil aeroengines［R］. ASME GT2009-59156，2009.

［3］Boggia S，Rüd K. Intercooled recuperated gas turbine engine concept［R］. AIAA 2005-4192，2005.

［4］Rolt A M，Baker N J. Intercooled turbofan engine design and technology research in the EU framework 6 NEWAC programme［R］. ISABE 2009-1278，2009.

［5］Missirlis D，Yakinthos K，Seite O，et al. Modeling an installation of recuperative heat exchangers for an aero engine［R］. ASME GT2010-22263，2010.

Digital mock-up design of the intercooled recuperated cycle aero-engine

ZENG Qing-wan，F(xiàn)ENG Song-tao，MA Jian
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Abstract：Based on the tracking and analysis of the application of intercooled recuperated technology on aero-engine overseas，according to the domestic research status，experiment research of intercooler and recuperator was carried out. The general structure of the intercooled recuperated aero-engine was primarily studied and built as digital mock-up. The layout rules of components，systems，and special intercooler pipeline and recuperator pipeline were summarized. By building the mock-up，the characteristics of project design for the intercooled recuperated aero-engine were grasped，and the layout of components and systems were explored，which provide a basement for the optimization of engineering design.

key words：aero-engine；intercooled recuperated cycle；structure layout；digital mock-up；

中圖分類號：V231.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-2620（2016）01-0021-04

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-02-20

作者簡介：曾慶萬（1971-），男，四川大竹人，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。