發(fā)動機高壓壓氣機可調(diào)靜葉冷態(tài)級間角度檢測工藝技術(shù)優(yōu)化研究

曹艷 盧文彪 盧鑫 姜忠賢

摘 要：壓氣機可調(diào)靜葉角度優(yōu)化技術(shù)研究主要是實現(xiàn)在發(fā)動機高壓壓氣機靜子機匣裝配過程中，進行其可調(diào)靜子葉片的優(yōu)化裝配以及不同形態(tài)下角度的精確檢測，減少測量誤差，增強測量穩(wěn)定性，提高裝配過程的一次成功率，為實現(xiàn)發(fā)動機壓氣機的預(yù)定角度控制規(guī)律提供有力支撐，確保葉片測量角度精度適應(yīng)設(shè)計公差設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：葉片;開角;閉角;變化速率

Abstract：The research of compressor adjustable stator blade angle optimization technology mainly realizes the optimization assembly of adjustable stator blade and the accurate detection of angle under different shapes in the assembly process of engine high-pressure compressor stator casing，reduces the measurement error，enhances the measurement stability，and improves the one-time success rate of the assembly process.The predicted angle control law of engine compressor provides strong support to ensure that the accuracy of blade angle measurement meets the design tolerance requirements.

Key words：blade;opening angle;closing angle;change rate

1 緒論

航空發(fā)動機可變幾何控制系統(tǒng)對于保障發(fā)動機安全、可靠及穩(wěn)定工作具有非常重要的作用。一般情況下，為提高高壓轉(zhuǎn)子的中低轉(zhuǎn)速喘振裕度，壓氣機前幾級靜子葉片設(shè)計為可調(diào)機構(gòu)，作為航空發(fā)動機的可變幾何控制系統(tǒng)之一，而冷態(tài)工況壓氣機可調(diào)靜葉級間角度標(biāo)定的意義是在發(fā)動機具體的硬件條件下實現(xiàn)預(yù)定的角度控制規(guī)律，對控制發(fā)動機性能具有很大的實用價值。為此，研究提高角度控制精度的優(yōu)化工藝手段對于發(fā)動機性能具有很大的實用價值。

2 現(xiàn)狀

據(jù)情報文獻等，英美等國對于壓氣機靜子葉片級間角度標(biāo)定技術(shù)研制較早，應(yīng)用規(guī)范。例如CFM56-3發(fā)動機采用機械式技術(shù)、CFM56-5/7發(fā)動機采用傳感器式技術(shù)檢測角度。但由于技術(shù)的封鎖，無法獲得控制壓氣機葉片角度的相關(guān)技術(shù)。

國內(nèi)對該角度的測量設(shè)備均存在不同程度的研制，但對于控制工藝沒有系統(tǒng)研究和規(guī)范，一定程度上導(dǎo)致裝配角度偏離設(shè)計要求，不利于準(zhǔn)確獲悉多級靜子匹配關(guān)系，對發(fā)動機性能錄取和調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)化均帶來諸多不利影響。

3 葉片角度設(shè)計原理

壓氣機可調(diào)靜葉角度的調(diào)節(jié)原理，如圖1所示：通過控制進口可調(diào)靜葉角度，使其排氣角度產(chǎn)生改變，從而保證氣流以更為合適的方向進入動葉，使動葉在滿意的氣流攻角下工作提高壓氣機裕度，并使壓氣機在偏離設(shè)計工況時仍能實現(xiàn)動葉在基本滿意的攻角下工作，保證高壓壓氣機非設(shè)計點效率較高。

在壓氣機可調(diào)靜葉裝配和運行中，主要關(guān)心三個參數(shù)：即葉片角度可調(diào)節(jié)范圍，最大開度和最大閉合度。可調(diào)葉片定位及實際運行中，角度基準(zhǔn)為葉片外端軸肩的平臺，當(dāng)平臺面與發(fā)動機軸線平行時，即為葉片“零”角度，葉柵流道面積增大時即開角狀態(tài)時，標(biāo)記為α角;反之，流道面積減小即閉角狀態(tài)時，標(biāo)記為β角。

葉片軸肩平臺角向位置變化直接反應(yīng)角度變化。在實際壓氣機設(shè)計中，為方便檢測在每級葉片聯(lián)動環(huán)上設(shè)計有檢測定位孔。實際操作時，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動到不同角度狀態(tài)，每級聯(lián)動環(huán)周向、軸向處在不同的位置，而跟蹤聯(lián)動環(huán)上的兩個定位孔位置變化，即能反應(yīng)可調(diào)葉片角度的變化。壓氣機可調(diào)靜葉角度的測量正是基于以上原理進行的。

4 檢測工藝優(yōu)化研究

4.1 流程優(yōu)化控制

分析可調(diào)葉片角度調(diào)節(jié)設(shè)計原理，可知冷態(tài)工況角度標(biāo)定是為了通過調(diào)整0～3級連桿的有效長度和VSV作動筒的有效伸縮量，使每級靜葉的開、閉角度在裝配狀態(tài)調(diào)整到預(yù)定角度要求，從而保證發(fā)動機工作時的角度調(diào)節(jié)滿足性能要求。依據(jù)調(diào)節(jié)原理設(shè)計可調(diào)葉片角度標(biāo)定的基本流程，如圖2所示：可知零位和插銷位的調(diào)整是整個標(biāo)定過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，二者若不合格不僅需要進行反復(fù)調(diào)整，且對整個可調(diào)靜子葉片機構(gòu)的聯(lián)動規(guī)律造成影響。為此，在葉片角度標(biāo)定工藝控制時，零位調(diào)整關(guān)鍵把握調(diào)零的準(zhǔn)確性和葉片轉(zhuǎn)動中零位的穩(wěn)定性;插銷位重點把握消除檢測設(shè)備可能產(chǎn)生的空行程等因素對讀數(shù)的影響。

4.2 檢測安裝位置優(yōu)化

提出了優(yōu)化檢測測具的安裝位置。傳統(tǒng)工藝測量時，對檢測設(shè)備的安裝位置無規(guī)范性指導(dǎo)依據(jù)，主要指角度輸出端安裝所選葉片位置，操作者任意選取。但試驗表明，不同安裝位置，角度有所差異，如所選的葉片為12點鐘與鄰近9點鐘位置時，角度偏差在90%的置信區(qū)間內(nèi)可達12′，如圖3所示。

分析差異機理，因壓氣機靜子機匣對開、聯(lián)動環(huán)四段式或二段式分段機構(gòu)的連接穩(wěn)定性和加工產(chǎn)生的變形等因素影響，遠離機匣對接處角度最精確，也即標(biāo)定時所選葉片位于一半機匣的中間位置時所測得葉片角度最為精確。以某發(fā)動機為例，角度讀取部分的安裝所選葉片優(yōu)化位置如下表所示（定義上半機匣順航向水平結(jié)合面上方的第一個葉片為1號葉片）。

4.3 零角度調(diào)整工藝方法優(yōu)化

提出了優(yōu)化零角度調(diào)整工藝方法。以往葉片零度角調(diào)整，僅通過聯(lián)動環(huán)的二組檢測定位孔進行限位調(diào)整;而每級聯(lián)動環(huán)一般設(shè)計有四組檢測定位孔。經(jīng)試驗證明，同時限位四組檢測孔時的數(shù)值相比單獨限位二組有所收斂。

4.4 葉片角度設(shè)計公差優(yōu)化

提出優(yōu)化葉片角度設(shè)計公差。在多級角度聯(lián)動測量時，因驅(qū)動結(jié)構(gòu)等影響，在從開角到閉角或者從閉角到開角驅(qū)動過程中，每級葉片角度的設(shè)計變化速率存在不同，如圖4所示為某發(fā)動機1級與0、2、3級葉片角度變化速率曲線圖。因此在設(shè)計開角、閉角角度公差時，應(yīng)按照多級聯(lián)動時各級葉片角度的設(shè)計變化速率來相應(yīng)設(shè)計不同級別葉片角度的設(shè)計公差，從而確保葉片角度控制時設(shè)計公差的有效性和可執(zhí)行性。

5 總結(jié)

針對壓氣機可調(diào)靜子葉片角度的測量和調(diào)整，通過從優(yōu)化檢測工藝方法出發(fā)，提出工藝優(yōu)化措施來減小標(biāo)定角度誤差的效果，為提高葉片角度檢測精度，解決冷態(tài)工況壓氣機靜子葉片角度標(biāo)定技術(shù)瓶頸提供有力技術(shù)支撐。

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