大涵道比渦扇發動機風扇/增壓級試驗件結構設計及驗證

張 巖，蔣琇琇，印雪梅，王 華

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著航空工業和運輸業的發展，在大涵道比渦扇發動機設計制造上的競爭日益激烈，國外制造公司開發了系列發動機供飛機選擇，大涵道比渦扇發動機技術的發展都有較好的系統性、繼承性和連貫性，從而形成了較強競爭力的系列機型，比較著名的有CFM、PW、RB211等，RR德國公司及俄羅斯等國家也有具有競爭力的機型。為了滿足未來大涵道比渦扇發動機需求，國外制定了大量的技術發展計劃，旨在提高發動機性能和部件效率，降低污染排放、噪聲及成本等，包括美國的VAATE計劃和UEET計劃，歐洲的ANTLE計劃和CLEAN計劃等，這些計劃的研究成果已逐步得到應用和推廣，同時也建立起成熟的風扇及壓氣機設計體系，成為各大公司最寶貴的財富，是產品開發和生產的原動力[1-2]。

目前，我國無論是在軍用運輸機還是在民用大飛機的項目中，都在全力推進大涵道比渦扇發動機的研制。隨著航空發動機和燃氣輪機國家重大科技專項立項，“兩機”專項被列為國家“十三五”發展規劃百個重點發展項目的首位，大涵道比渦扇發動機的研制面臨著前所未有的機遇與挑戰，充分利用已有研制基礎，轉化應用研制成果，堅持自主創新，掌握知識產權，突破主要關鍵技術，解決技術落后的被動局面，努力形成軍、民用大涵道比渦扇發動機獨立而完善的發展體系[3]。為適應未來大涵道比渦扇發動機更經濟、更清潔、更安靜的要求，壓氣機部件需采用新途徑和新技術提高其部件性能，通過開展必要的部件試驗進行充分驗證，以期具備工程應用條件。

本文介紹了某大涵道比渦扇發動機風扇/增壓級性能試驗件設計及試驗驗證工作，為中國大涵道比發動機研制提供了技術支持。

1 設計技術指標

某大涵道比渦扇發動機風扇/增壓級試驗件由1級寬弦、無凸肩的風扇和3級增壓級組成，是以預先研究大涵道比發動機為需求背景設計，具有超高的涵道比和流量，與同類型風扇/增壓級試驗件相比，設計點涵道比約高1.3倍，設計點流量約高1.2倍。

2 試驗件結構設計

2.1 總體結構布局

風扇/增壓級試驗件為軸流式壓氣機，由風扇部件、增壓級部件、1、2 支點部件、外涵靜子部件和內、外涵排氣系統等組成，如圖1所示。

試驗件在試驗器上采用懸臂結構安裝，即整個試驗件由排氣機匣與試驗器排氣設備連接，前段通過進氣機匣與試驗器進氣喇叭口連接；試驗器動力通過輸出軸與試驗件傳動軸間套齒傳遞。

轉子總的軸向力由前支點滾珠軸承承受，軸向負荷通過滾珠軸承、軸承機匣、中介機匣和出口機匣傳遞到試驗器。

圖1 試驗件總體結構

2.2 支撐方案設計

試驗件轉子支撐方案根據部件結構形式、壓氣機級數和氣動流路等設計特征分析其對結構質量、葉尖間隙、轉子動力學特性和安全性的影響[4-7]，最終采用0-1-1的支撐方案。即前支點滾珠軸承布置在轉子盤腔內，后支點滾棒軸承布置在中介機匣內。加大前、后支點跨距至260 mm，使前支點盡量靠近風扇輪盤，利于風扇葉片葉間間隙保持和滿足臨界轉速設計要求。

圖2 風扇部件結構

2.3 轉子部件設計

2.3.1 風扇轉子部件

風扇部件由整流帽罩、風扇轉子葉片、風扇輪盤、風扇轉子流路板及定位零件組成，如圖2所示。在整流帽罩后安裝邊設置連接孔，通過螺栓安

裝于定位零件風扇前壓環；風扇轉子葉片軸向定位通過在風扇輪盤前、后端面裝配定位環實現，在裝配過程中徑向定位通過在葉片底部裝配風扇墊塊實現。

考慮防冰設計要求，避免冰塊或異物進入抗外物損傷能力弱的內涵道，整流帽罩采用前錐后橢整體式結構防冰。考慮降低噪聲水平需求，對風扇轉子葉片采用掠型氣動設計；考慮包容葉身和降低葉片應力水平需求，對風扇轉子葉片與風扇輪盤采用圓弧榫連設計（如圖3所示），榫頭/榫槽均設計成圓弧型，以增大榫頭部分接觸面積。

圖3 圓弧形榫頭結構

圖4 風扇轉子流路板裝配

為進一步減小榫頭部位的負荷，減少主流區空氣泄漏量，抑制風扇轉子葉片振動，設置新型單元零件風扇轉子流路板（如圖4所示），與風扇轉子葉片交替排列，替代傳統的風扇葉片緣板，構成發動機流路，在側面粘貼橡膠膠條，與風扇轉子葉片接觸減振[8]。

2.3.2 增壓級轉子部件

增壓級轉子部件由3級輪盤和3級轉子葉片組成（如圖5所示），懸臂安裝在風扇輪盤。各級輪盤采用鼓式結構，通過螺栓裝配于傳動軸，相比整體的鼓式結構轉子，可顯著降低盤類件的鍛件成本和加工難度，實現各級轉子可拆卸。

在各級輪盤前、后設置封嚴篦齒，與靜子內環配合實現級間封嚴，設置鋼絲環槽，與葉片配合實現榫頭封嚴；葉片與輪盤采用周向燕尾形榫連結構，鎖緊塊結構對葉片周向鎖緊[9]，節省結構空間，可實現轉子葉片單獨更換

圖5 增壓級轉子部件結構

2.4 靜子部件設計

2.4.1 增壓級靜子部件

增壓級靜子部件由4級機匣、4級靜子葉片和4級靜子內環組成（如圖6所示），懸臂安裝在中介機匣上。各級機匣均為整環型結構，通過螺栓連接，實現各級靜子可拆卸，滿足試驗件的測試/測量需求；轉子葉片對應機匣內壁設置可磨耗涂層，保證轉子葉片安全工作；靜子葉片上、下設置緣板，分別與靜子機匣及靜子內環通過螺釘連接；各級靜子內環設置可磨耗涂層，與輪盤篦齒配合實現級間封嚴[10]。

2.4.2 1、2支點部件

1、2支點部件主要由引氣管組合件、滑油管組合件、噴油嘴組合件、風扇軸組件、滾珠軸承、滾棒軸承、軸承機匣、封嚴環、封嚴篦齒等組成，如圖7所示。

圖6 增壓級靜子部件結構

圖7 1、2支點部件結構

滾珠軸承和滾棒軸承均裝配于風扇軸，軸向通過螺母壓緊定位；考慮實際工作環境，采用噴射式供油方式，滾珠軸承設置2個噴油嘴，滾棒軸承設置1個噴油嘴；考慮封嚴效果和封嚴空間的影響，滾珠軸承腔采用篦齒封嚴，滾棒軸承腔采用螺旋加氣封封嚴[11]，滑油和密封氣均由試驗器供給，通過外接管路運輸到相應部件，實現相應功能

2.4.3 外涵靜子部件

外涵靜子部件主要由進氣機匣、風扇機匣、外涵測量機匣、中介機匣、出口機匣和外涵靜子葉片等組成，如圖8所示。

各機匣均為整環形結構，通過螺栓連接，在外壁上相應布置測試傳感器安裝接口，以滿足測量要求，進、出口機匣依據試驗器接口尺寸設計；風扇轉子葉片對應風扇機匣內壁設置可磨耗涂層，保證轉子葉片安全工作；外涵靜子葉片采用懸臂固定方式，外緣板通過螺栓與外涵測量機匣連接，內緣板與增壓級機匣搭接配合。

中介機匣為整體鑄造結構（如圖9所示），是主要的承力部件，內、外涵分別有12塊支板，其中有4塊厚支板，8塊薄支板。厚支板為軸承的潤滑及密封提供油路和氣路，實現試驗器油、氣資源的傳輸，同時為測試線的布置提供引出路徑；依據空氣系統設計實際需求，布置相應大小和數量卸荷孔，以降低轉子后腔壓力實現軸向力的調整。

圖8 外涵靜子部件結構

圖9 中介機匣結構

圖10 內、外涵排氣系統結構

2.4.4 內、外涵排氣系統

內、外涵排氣系統主要由外涵內壁組合件、內涵外壁組合件和內涵內壁組合件等組成，如圖10所示。

因各組合件均不承受軸向力，所以均采用薄壁整環形結構形式；外涵內壁組合件與出口機匣共同構成外涵排氣流路，將外涵氣引入試驗器的外涵排氣蝸殼，內涵外壁組合件和內涵內壁組合件共同構成內涵排氣流路，將內涵氣引入試驗器的內涵排氣蝸殼，實現內、外涵分開排氣。

3 零件強度分析

3.1 臨界轉速分析

采用結構有限元分析軟件Samcef/Rotor進行臨界轉速計算，考慮受轉子高速旋轉引起的陀螺效應的影響[12-13]，風扇轉子葉片及風扇輪盤材料采用TC4鈦合金，增壓級轉子葉片、增壓級輪盤、風扇軸及傳動軸材料采用1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼， 依據設計經驗選取試驗件轉子系統柔度，建立試驗件支承系統轉子動力學分析模型，如圖11所示。

分析結果顯示：第1階臨界轉速為轉子系統前端俯仰型，第2階臨界轉速為轉子系統前后俯仰型，應變能較小，且試驗件在工作轉速范圍內不存在臨界轉速，各階臨界轉速相對工作轉速裕度較大，滿足設計規范要求。前2階振動模態如圖12所示。

圖11 轉子有限元模型

圖12 前2階振動模態

3.2 主要零件強度分析

取試驗件運行最高轉速為強度設計轉速，考慮離心力、氣動力及溫度載荷的影響，忽略振動因素影響，分別對風扇/增壓級轉子葉片及輪盤、風扇軸等部件進行強度分析，結果分別如圖13～15所示。

圖13 轉子盤軸強度計算結果

分析結果顯示：風扇/增壓級轉子滿足強度設計要求，零件變形協調，風扇/增壓級轉子葉片滿足靜強度儲備要求，應力分布均勻。

3.3 轉子葉片振動分析

計算葉片各階振動頻率、振型及相對振動應力分布，動頻計算時考慮離心負荷及溫度對材料性能的影響，繪制坎貝爾圖，如圖16所示。從圖中可見，不同轉速下各激振頻率與自振頻率裕度滿足規范要求，不會激起葉片振動。

圖14 風扇轉子葉片徑向應力分布

圖15 增壓級轉子葉片徑向應力分布

4 試驗驗證

4.1 安全超轉試驗

對試驗件（如圖17所示）進行安全超轉試驗，分解后對零件進行無損檢測，未發現裂紋等缺陷，試驗件在安全超轉試驗前后尺寸變化量遠小于設計要求，無有害變形，通過安全超轉試驗。

圖16 某級增壓級轉子葉片

圖17 試驗件實物裝配

4.2 性能試驗結果

試驗件共計上臺3次，累計運行27 h 35 min，完成了均勻進氣及非均勻進氣條件全部轉速下的內、外涵性能參數錄取，確定了其穩定工作邊界，得到壓比、流量、效率和喘振裕度等試驗參數，滿足性能有效性及測試/測量完整性要求。性能試驗結果如圖18所示。

圖18 性能試驗結果

從圖中可見，各狀態點的流量、壓比、效率和失速裕度達到或超過設計指標。

4.3 振動監測情況

受結構空間限制，分別在風扇機匣和中介機匣安裝邊處布置4支振動傳感器，用于監測試驗件水平及垂直方向振動情況[14-16]，試驗件振動測試結果如圖19所示。

圖19 試驗件振動測試結果

從圖中可見，在第1、2次試驗過程中試驗件振動水平相當，試驗件前測點水平振動加速度總量小于1.6g，垂直振動加速度總量小于1.5 g，后測點水平振動加速度總量小于1.2g，垂直振動加速度總量小于1g，試驗件整體振動水平較低。

前測點振動水平略高于后測點的，分析認為可能是因為風扇機匣懸臂較長且剛性較差，機匣振動與支點振動耦合。

5 結束語

本文闡述了大涵道比風扇/增壓級試驗件技術特點，分析了試驗件各部件結構特征，確立了總體結構布局、支撐方案和轉、靜子部件的結構設計需求和要點，提出了滿足結構方案可行性、結構功能可靠性和結構細節有效性的具體實現方法，解決了寬弦風扇葉片設計、圓弧榫連設計、軸承潤滑及密封設計等多項技術難點，完成了轉子臨界轉速和主要零件強度及振動等分析工作，滿足強度規范要求。

試驗件順利通過了安全超轉試驗，完成了任務書規定的全部轉速下的性能參數錄取，過程中試驗件運行平穩，整體振動水平較低，未出現異常情況，結構設計獲得成功，性能達到或超過設計指標。