渦扇發動機低壓轉子軸功率提取方法及試驗驗證

王輝坪 羅智浩

摘 要：根據某型推進系統研制的需要，以某渦扇發動機為研究對象，提出采用水力測功器替代升力風扇進行功率提取的原理方案，進而提出了低壓轉子軸功率提取方法。渦扇發動機低壓風扇軸通過前輸出傳動軸組件、中間軸承座和疊片聯軸器與測功器連接，組成功率提取的低壓傳動軸系。為確保方案可行，對低壓傳動軸系的動力學特性進行仿真分析，確定其臨界轉速分布區間與原渦扇發動機相同，并通過試驗驗證了臨界轉速分布。隨后展開功率提取試驗，在發動機各工作點提取出了對應的軸功率，與升力風扇的需求功率相當，驗證了渦扇發動機低壓轉子軸功率提取方法的可行性。

關鍵詞：渦扇發動機；低壓轉子；軸功率；提取方法；試驗驗證

短垂飛機具備短距起飛和垂直著陸能力，在普通飛機的基礎上，其主要增加了可換向矢量噴管，或著增加了升力系統、三軸承旋轉噴管和滾轉控制噴管等部件，從而實現特定場所的起降要求。從國外的使用經驗看，第二種方式的發動機表現更加優秀，因此本文僅對該形式的渦扇發動機展開相關試驗研究。

1 研究現狀

目前，國內尚未見采用外部專用設備或裝置對渦扇發動機低壓轉子前輸出軸功率提取的研究成果，亦無相關方法及技術。國內對渦扇發動機功率提取的研究多為附件或機載設備對功率的需求。國外對渦扇發動機前輸出軸功率提取技術及試驗方法研究及應用已經比較成熟，并已經成功用于F135-PW-600等發動機上。因此，急需開展對渦扇發動機低壓轉子前輸出軸功率提取方法及試驗驗證的研究工作。

2 低壓轉子軸功率提取方法

渦扇發動機提供前輸出軸功率以驅動升力風扇工作，但升力風扇開始工作時對應的發動機狀態高于發動機慢車狀態，為保證安全，發動機需在零負載狀態下起動。使用吸功功率范圍與升力風扇耗功相近的水力測功器作為替代裝置。

經研究后提出渦扇發動機低壓轉子軸功率提取方案：經改裝后的渦扇發動機低壓轉子軸通過前輸出傳動軸組件與中間軸承座連接，軸承座輸出端通過疊片聯軸器與測功器連接，以上五部分組成渦扇發動機低壓轉子功率提取的主體結構。可按照如下方法進行軸功率提取：試驗前將水力測功器調整至零負載狀態，渦扇發動機零負載起動，起動成功后在慢車狀態運行3min，然后將發動機上推至第一個狀態點，運行穩定后緩慢調節水力測功器進、排水閥門來逐步增加負載，提取該工作點低壓轉子能輸出的最大功率值，然后依次進行第二、三、四......工作點的軸功率提取。

3 低壓傳動軸系動力學特性分析

3.1 幾何結構

渦扇發動機低壓轉子、傳動軸組件和軸承組成低壓傳動軸系，低壓轉子和傳動軸組件間通過花鍵連接傳扭。

3.2 支承剛度

傳動軸組件的三個軸承剛度見表1，發動機本體低壓轉子為0-3-1支承方案，1#支承、2#支承、4#支承、5#支承共同支承，軸承剛度見表2。1#支承裝在間隙環式阻尼支承上，正常情況下并無支承作用，計算中按零剛度處理；4#支承為中介支承，本文考慮了不同剛度大小（0.3×108 N/mm和0.8×108 N/mm）對臨界轉速的影響；5#支承裝在彈性環上，實際的支承剛度為彈性環剛度，剛度值為6.266×106N/m。

3.3 計算結果

本文中某渦扇發動機低壓轉子慢車轉速為0.25額定轉速，穩定工作轉速范圍為（0.25～0.95）額定轉速。轉子在不同剛度組合下的前3階臨界轉速及裕度計算結果列于表3。表中臨界轉速低于0.25額定轉速的裕度按0.25額定轉速計算；臨界轉速高于0.95額定轉速的裕度按0.95額定轉速計算，“—”表示0.95額定轉速以下不存在對應該振型的臨界轉速。

3.4 分析結果

發動機轉子的臨界轉速裕度不應低于20%；傳動軸的臨界轉速裕度不應低于10%。從表1中計算數據分析可知：

在第1組剛度組合下，帶前輸出傳動軸組件的某渦扇發動機轉子1階臨界轉速為4744r/min，振型為風扇擺動；2階臨界轉速為7981 r/min，振型為低壓渦輪擺動；3階臨界轉速為13774 r/min，振型為傳動后軸一彎。此時，轉子工作時跨越風扇擺動和渦輪擺動兩階臨界轉速。

在第5組剛度組合下，原渦扇發動機轉子1階臨界轉速為2511r/min，振型為風扇擺動；2階臨界轉速為7973 r/min，振型為低壓渦輪擺動。由于1#支承處的間隙環設計，第6組剛度組合下1階風扇擺動振型臨界轉速被抑制，2階渦輪擺動臨界轉速變為7972r/min，3階傳動后軸一彎臨界轉速變為13740r/min。

1、5和6組數據對比可知，相比原渦扇發動機，接入前輸出傳動軸組件的某渦扇發動機1階風扇擺動臨界轉速由2511r/min變為4744r/min，2階渦輪擺動臨界轉速基本不變。

1和4組數據對比可知，對彈性軸臺階支架處與中心拉桿作等效處理對臨界轉速基本不產生影響；1、2和3組數據對比知4#支承剛度大小對轉子各階臨界轉速影響很小。

由以上分析可獲得如下結論：由于帶前輸出傳動軸組件的某渦扇發動機低壓轉子與原渦扇發動機結構及工作轉速范圍完全一致，兩者在穩定工作轉速范圍內均存在2階渦輪擺動臨界轉速，且數值基本相同。因此，在給定的軸承剛度下，改裝后某渦扇發動機低壓轉子的臨界轉速分布滿足使用要求。

4 試驗驗證

試驗前，將前輸出傳動軸組件和水力測功器與渦扇發動機低壓轉子相連接，按零載荷進行起動。發動機起動、慢車運行均正常。上推油門桿使低壓轉子轉速NL至4800r/min附近時，前支點振動較慢車時增大，繼續上推快速越過該狀態，當NL超過4900r/min時，振動減小。當NL達到8000r/min附近時，后支點振動明顯增大，繼續上推狀態后振動減小，直至額定轉速運行正常。這種現象與計算結果相吻合，驗證了某渦扇發動機低壓轉子的臨界轉速分布。

按提取方法展開低壓轉子軸功率提取試驗，本文中以NL為0.42額定轉速為例完成該狀態的軸功率提取試驗。當轉速NL=0.42額定轉速、NH<0.79額定轉速（防止放氣活門突然關閉產生波動）時，從低壓轉子提取出軸功率Pdn為260kW，與升力風扇此轉速下需求功率269kW相當，試驗曲線如圖1。

5 結論

本文以經改制后的某渦扇發動機為研究對象，按照功率提取方法成功實現了功率提取，通過試驗驗證表明：

（1）對渦扇發動機前輸出軸功率提取的嘗試和探索取得了成功。

（2）本文提出的渦扇發動機低壓轉子前輸出軸功率提取方法可行，具有可操作性和通用性。

（3）經改制后的某渦扇發動機連接輸出傳動軸組件后的臨界轉速分布與原渦扇發動機一致。

（4）由前輸出傳動軸組件和水力測功器組成的功率提取裝置實現了對某渦扇發動機在不同工作狀態的不同數量等級的功率提取。

參考文獻：

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