高結(jié)構(gòu)效率多功能復(fù)合渦輪導(dǎo)向器支承機匣一體化設(shè)計

成文娟 付猛 宋石平

摘 要：零件數(shù)量多少是發(fā)動機可靠性的重要指標(biāo)，而一體化設(shè)計是提高發(fā)動機可靠性的有效方法，本文詳細(xì)介紹了高結(jié)構(gòu)效率多功能復(fù)合渦輪導(dǎo)向器支承機匣的一體化設(shè)計方法，分析了低壓渦輪導(dǎo)向器、軸承座、供油環(huán)、進回油管以及部分封嚴(yán)件和連接緊固件集成為一個級間支承機匣的設(shè)計思路，通過對上述零件的集成，有效的減少了零件的數(shù)量，同時也解決了軸承座漏油的問題，極大的提高了發(fā)動機的可靠性。

關(guān)鍵詞：零件數(shù)量；機匣；一體化

中圖分類號：V235.12 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）11-0105-03

零件數(shù)量多少是航空發(fā)動機的重要指標(biāo)之一，發(fā)動機設(shè)計得越復(fù)雜，零件數(shù)目越多，就越容易出問題。為了提高發(fā)動機的可靠性，同時也為了簡化維修工作，應(yīng)在發(fā)動機設(shè)計值，盡量簡化結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)目[1]。國內(nèi)北京航空航天大學(xué)洪杰教授[2]對高結(jié)構(gòu)效率的斜流壓氣機結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了探索性研究。隨著制造工藝技術(shù)的進步，渦輪導(dǎo)向器、支承機匣及軸承座通過集成化設(shè)計減少零件數(shù)量、減少零部件之間的連接和密封件，達(dá)到減小體積、減輕重量的目的已經(jīng)成為航空發(fā)動機渦輪級間支承設(shè)計的一個主要發(fā)展方向。

結(jié)構(gòu)效率是反映給定結(jié)構(gòu)在工作過程中對環(huán)境/條件綜合適應(yīng)能力的定量表征，其本質(zhì)是定量描述結(jié)構(gòu)幾何特征和結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)變化對其結(jié)構(gòu)的承載能力、抗變形能力和動力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力的影響[3]。

某型航空發(fā)動機工程設(shè)計中，渦輪導(dǎo)向器支承機匣采用了低壓渦輪一級導(dǎo)向器與軸承座、供油環(huán)、部分密封件和連接件集成化設(shè)計的思路和方法，取消部分封嚴(yán)件和連接緊固件，使得整個過渡段之間的零件連成一體，大大減少了零件的數(shù)量，提高了裝配工藝性，集成后的機匣既有導(dǎo)向器的功能，又有承力、供油、密封、支承的功能，同時有利于提高發(fā)動機可靠性。

1 設(shè)計要求

某型航空發(fā)動機渦輪導(dǎo)向器支承機匣的主要功能是提供連接高壓渦輪出口與低壓渦輪進口的氣流通道，將來燃?xì)鈱?dǎo)向并加速以滿足低壓渦輪轉(zhuǎn)子要求；同時渦輪級間支承結(jié)構(gòu)為高壓渦輪后支點和低壓渦輪前支點提供支承，也實現(xiàn)了為軸承腔提供潤滑、封嚴(yán)氣的功能。

對渦輪導(dǎo)向器支承機匣的主要技術(shù)要求是過渡段與低壓渦輪一導(dǎo)向器設(shè)計為一體化；在高壓渦輪與低壓渦輪流道之間設(shè)置一段過渡段，在過渡段內(nèi)環(huán)安裝軸承座同時為高壓渦輪與低壓渦輪提供軸承支點，并形成共用的軸承腔，同時也在過渡段機匣上設(shè)置支板用于布置共用軸承腔的滑油系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等。

2 渦輪導(dǎo)向器支承機匣設(shè)計

結(jié)構(gòu)效率評估是反映結(jié)構(gòu)在給定的工作環(huán)境中對質(zhì)量、強度、剛度和變形等方面要求綜合優(yōu)化的程度，包括以下兩方面：（1）結(jié)構(gòu)的承載能力，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計載荷作用下尋優(yōu)的應(yīng)力分布狀態(tài)；（2）結(jié)構(gòu)的抗變形能力：反映通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度控制結(jié)構(gòu)的變形，在極限載荷作用下尋優(yōu)最強的剛度特性。

2.1 支承機匣設(shè)計

集成前的級間支承零件數(shù)多，共有50多個零件，見圖1，裝配性差，用于確保裝配性能所需耗費的時間長。為解決裝配工藝性差的問題，集成后的支承機匣將低壓渦輪一級導(dǎo)向器、軸承座、進回油管、供油環(huán)、軸承座前擋板進行了集成設(shè)計，見圖2，取消了部分封嚴(yán)件和連接緊固件。

（1）零件外部為連接燃燒室和排氣段的筒狀機匣，中間為帶導(dǎo)向葉片的一體化過渡段，為減少熱輻射，在過渡段與軸承座之間設(shè)置了隔熱屏，采用波浪形結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過調(diào)整波浪形結(jié)構(gòu)的剛度，可以有效控制過渡段和軸承座之間的局部變形。

（2）零件外部機匣和內(nèi)部軸承座溫度較低，而中間過渡段處于燃?xì)猸h(huán)境中，溫度高，整個零件溫度梯度大，熱應(yīng)力分布極不均勻，為此在外部機匣與過渡段之間設(shè)置一段回彎結(jié)構(gòu)，在過渡段與軸承座之間設(shè)置了“Z”字形連接結(jié)構(gòu)，以補償三部分之間的變形，減少熱應(yīng)力，降低應(yīng)力集中系數(shù)，提高材料使用率，進而降低機匣質(zhì)量。

（3）進、回油管采用異型油管的設(shè)計，充分利用導(dǎo)向葉片的內(nèi)部空間。其設(shè)計集導(dǎo)向器和承力機匣為一體，既有導(dǎo)向器的功能，又起到承力的作用，集成后的機匣既有導(dǎo)向器的功能，又有承力、供油、密封、支承的功能，不僅能減輕渦輪重量，同時提高了可靠性，大大降低了制造成本。

2.2 大葉片葉型優(yōu)化及內(nèi)部管路設(shè)計

集成前的低壓渦輪一級導(dǎo)向器大葉片采用沿葉高等截面葉型設(shè)計，葉片前緣半徑大，見圖3，這保證了進、回油管可以穿過大葉片進行安裝，同時還具有足夠的回油面積，但這種設(shè)計導(dǎo)致葉型氣動損失較大，性能降低；集成后的機匣考慮將油管與導(dǎo)向器葉片集成設(shè)計，使得油管和葉片成為一體，油管與葉片位置可以保持固定，且無需再裝進取出，該大葉片葉型可以設(shè)計成更薄，大葉片氣動損失可以減少2%，見圖4。

2.3 空氣系統(tǒng)流路設(shè)計

離心壓氣機葉罩處的冷氣經(jīng)外部管路進入級間支承引氣管，一部分氣從引氣管上的兩孔進入承力機匣環(huán)腔，少量的用于排氣機匣和低壓二級導(dǎo)向器的冷卻，其余大部分通過大葉片與進回油管、引氣管之間的縫隙進入過渡段與隔熱屏之間的環(huán)腔，再從孔排出，對過渡段與低壓一級轉(zhuǎn)子之間的主流道進行封嚴(yán)，此外，這一部分氣體還可對油管進行冷卻。引氣管內(nèi)另一部分氣體通過引氣管直接進入支承機匣外環(huán)腔，使軸承座處于冷氣包裹下，對級間軸承座進行保護，然后經(jīng)小孔至低壓渦輪一級轉(zhuǎn)子前篦齒環(huán)腔，對軸承腔進行封嚴(yán)，見圖5。

2.4 滑油系統(tǒng)流路設(shè)計

集成后的渦輪導(dǎo)向器支承機匣滑油系統(tǒng)流路結(jié)構(gòu)與集成前的結(jié)構(gòu)差異不大，由于3D打印的工藝限制相對較少，同時機匣底部設(shè)計了回油池，保證在大姿態(tài)下回油順暢。滑油系統(tǒng)流路見圖6。

機匣上設(shè)計有一個半圓形的環(huán)腔，滑油通過進油管進入環(huán)腔后通過噴嘴孔對軸承進行潤滑，然后經(jīng)過機匣下方的方槽漏入底部回油池，從回油管流出。

3 強度計算

3.1 計算方法及軟件

采用UG建立計算用實體模型，采用ANSYS進行有限元前、后處理和有限元分析。

3.2 網(wǎng)格化分

取整個級間支承為計算模型，采用十節(jié)點四面體單元進行網(wǎng)格劃分，共劃分有688548個單元，1280678個節(jié)點，有限元網(wǎng)格見圖7。

3.3 邊界條件

約束了圖7所示A面的周向位移和軸向位移。

3.4 載荷施加

（1）壓力載荷以面壓力形式施加在葉片上；

（2）溫度載荷以節(jié)點溫度形式施加在整個模型上；

（3）內(nèi)排氣機匣組件慣性載荷以集中力形式施加在安裝邊上，4#軸承支撐慣性載荷以集中力形式施加在軸承安裝面上。

3.5 計算結(jié)果及強度校核

通過計算分析可知，見圖8，在給定的載荷作用下，零件外部機匣與過渡段之間設(shè)置的回彎結(jié)構(gòu)，在過渡段與軸承座之間設(shè)置的“Z”字形連接結(jié)構(gòu)，均使整個零件的溫度梯度大大降低，三部分之間的熱變形得到了補償，應(yīng)力分布更加均勻，材料使用率進一步提高，機匣質(zhì)量降低，渦輪導(dǎo)向器支承機匣靜強度儲備系數(shù)滿足要求。

4 結(jié)語

本文工作只是將低壓渦輪導(dǎo)向器、軸承座、供油環(huán)、進回油管以及部分封嚴(yán)件和連接緊固件進行了一體化設(shè)計，有效的減少了零件的數(shù)量，同時解決了軸承座漏油的問題，極大的提高了發(fā)動機的可靠性，但并未開展細(xì)節(jié)上的拓?fù)鋬?yōu)化工作，尤其在導(dǎo)向器和軸承座結(jié)構(gòu)過渡設(shè)計方面還有很大的質(zhì)量減輕空間，可進一步開展結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計工作，提高結(jié)構(gòu)效率。

參考文獻

[1] 航空發(fā)動機設(shè)計手冊.航空工業(yè)出版社，2000.

[2] 張大義，洪杰，馬艷紅，梁智超.高結(jié)構(gòu)效率的斜流壓氣機結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].航空動力學(xué)報，2013，28（4）：867-871.

[3] 馬艷紅，陳璐璐，張大義，洪杰.航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)效率評估參數(shù)及計算方法[J].航空動力學(xué)報，2013，28（7）：1599-1606.