航空發動機高壓渦輪導向葉片定位分析

鄧磊 劉強軍 謝強

摘 要：通過對某型航空發動機高壓渦輪導向葉片不同工況變形特性分析，總結其變形特點及定位需求。通過對比國內外典型高壓渦輪導向葉片定位結構，對發動機導向葉片與連接結構件的變形特性、導向葉片組件密封效率、連接件傳力路徑和葉片自由度預留及熱膨脹裕度等定位控制要素進行總結，分析結果可作為航空發動機導向葉片定位設計參考。

關鍵詞：導向葉片;定位;密封;變形

中圖分類號：V232.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）10-0107-03

0引言

現代軍用航空發動機對性能的極致追求，使得高壓渦輪導向葉片工作環境日益惡劣。某型發動機高壓渦輪導向葉片在最大工作狀態下徑向伸長量可達0.8mm，葉片定位點需提供良好剛度，同時需為葉片預留膨脹空間，并且應當控制定位接觸面燃氣泄露，連接件燃氣泄露每增加1%，渦輪級效率將損失0.6%～0.9%，發動機推力損失0.8%[1]。在結構上還應當控制高壓渦輪導葉在工作中的穩定性和可靠性。矛盾的設計需求導致渦輪導向葉片在發動機中的定位一直以來都是結構設計的技術難點。

1高壓渦輪導向葉片變形特性分析

在飛機一個飛行循環中，巡航狀態為導向葉片長時工作狀態，工作溫度1100K～1400K，在飛機做快速爬升等機動動作時，發動機最大狀態燃燒室出口溫度可達1800K～2200K，高壓渦輪導向葉片工作環境的大溫差導致熱變形量較大且復雜，這使其冷熱態定位設計具有一定難度。

1.1 典型高壓渦輪導葉結構

現代航空發動機為了提高航空發動機渦輪的級效率，減少導葉緣板間的漏氣損失，采用了雙聯導葉、三聯導葉和多聯導葉[2]。而在高壓渦輪導向器上雙聯葉片應用最為廣泛。為形成完整流道，雙聯整鑄葉片通常都設有上下緣板，通過限制葉片緣板安裝邊自由度來定位葉片是現代發動機定位渦輪導向葉片的主要手段。通常緣板結構具有多樣性，不同的裝配接觸面可以約束多個方向的自由度。典型渦輪高壓渦輪導葉結構如圖1所示。

1.1.1典型高壓渦輪變形分析

高壓渦輪導向葉片在工作過程中主要受燃氣沖擊所產生的周向力和熱應力，在熱態工況下軸向、周向和徑向方向都會存在熱膨脹，相對而言，導葉葉身溫度較高，上下緣板溫度較低，因此導葉整體的熱膨脹是不均勻的。現以典型渦輪導向葉片為例，設A、B、C、D四個變形特征點，如圖2所示。在溫度載荷和氣動載荷下，利用Ansys軟件對葉片不同工況下的變形進行分析。

A、B、C、D四個變形特征點葉片的徑向和軸向均有較大變形量，見表1、表2，在最大狀態葉片最大變形量發生在A處△=0.764mm，故在葉片定位設計中在滿足約束可靠性和穩定性的同時需考慮釋放葉片變形。

1.1.2高壓渦輪導向葉片定位設計

通常情況下高壓渦輪導向葉片的定位有兩條傳力路徑，外端通過主燃燒室外機匣傳遞到發動機主安裝節，內端通過燃燒室火焰筒傳遞到壓氣機靜子，再由壓氣機靜子傳遞到發動機主安裝節，導葉的定位框架均在此基礎上設計。典型高壓渦輪導葉傳力路徑如圖3所示。

1.1.3渦輪導向葉片定位原則

任何定位框架的設計必須保證零件的特定工作要求，定位框架的外部或內部結構不致阻礙零件在任何工況下的凸起、運動[4]。

在保證定位可靠的前提下，優化封嚴間隙、簡化約束。在空間直角坐標系中，葉片具有六個自由度，即沿X、Y、Z 軸移動的三個自由度和繞此三軸旋轉的三個自由度。用六個合理分布的支承點限制工件的六個自由度， 使葉片在渦輪葉片承力支架中占據正確的位置[5]。

實際上，渦輪導向葉片工作環境復雜，通常對單個支撐點自由度上采用欠約束，對渦輪葉片整體附加自由度或過定位，保證葉片定位的安全性和可靠性。由于有多余約束，局部載荷對整體結構的影響范圍大，內力分布比較均勻，內力峰值較小。由于有多余約束，載荷作用下的結構變形要受到多余約束的進一步限制，結構的剛度和穩定性較好[6]。

葉片由主定位和輔助定位共同約束。主定位作為葉片的剛性支撐點，通常使用短螺栓、短銷釘固定于承力框架，承受葉片主要的氣動力，同時限制了葉片的膨脹方向。主定位可以在葉片上緣板，使葉片上端固定下端自由膨脹;也可以在葉片下緣板，使葉片下端固定上端自由膨脹，如圖4所示。輔助定位施加在自由膨脹端提供一定的約束，根據1.1節高壓渦輪導向葉片變形特點，輔助定位考慮到葉片最大變形處的自由伸長量。

1.2 國內外導葉典型定位設計分析

1.2.1俄系高壓渦輪導向葉片定位

俄式高壓導葉定位通常采用的是上端固定，下端可自由伸長的結構方案。主定位采用徑向螺栓與固定環相連。固定環與外機匣之間采用剛性結構，并以整環的形式套入外機匣之中，如AL-31F等。如圖5所示。

導葉的周向定位依靠的是導葉與固定環的連接方式，在導葉與固定環相連的兩排徑向螺栓中，前排螺栓套有一襯套，其分別與固定環和導葉上緣存在配合關系，從而在周向方向上將導葉進行定位。

在軸向定位上，導葉的上、下端都有起到一定的作用，其中與上端相連的固定環后端和外機匣接觸，限制了導葉和固定環這一整體部件的向后移動。導葉的下端存在前后兩個安裝邊，前安裝邊直接與內機匣接觸，限制導葉的前移;后安裝邊通過封嚴繩與內機匣接觸，與導葉上端的固定環一起限制導葉的后移。

在熱態工況下，導葉上端被徑向螺釘固定住，下端在徑向上沒有任何限制，有足夠的空間用于熱膨脹。軸向上，在導葉上端與固定環之間，由于前兩排連接螺栓中，只有前排通過襯套將兩者進行配合定位，而后排螺栓與固定環的螺栓孔之間是存在足夠的間隙的，因此導葉與固定環之間的熱膨脹不均勻量可以被吸收，不至于產生過大的熱應力;導葉下端的前后安裝邊都與內機匣接觸，其中后端是通過封嚴繩間接接觸內機匣的，其與機匣間是存在一定間隙來吸收熱膨脹不均勻量的，但是此間隙有過小的嫌疑，因此安裝邊設計得相對較薄，可以在一定程度上減小熱應力。

在結構強度方面，對于徑向的連接而言可靠性很高。軸向的定位由于導葉的上下端都有參與，因此可靠性有保證，導葉下端是兩個間隔較遠的前后安裝邊來分別抑制導葉的前移和后移，從而在結構上也有利于限制導葉的前后擺動。

1.2.2美系高壓渦輪導向葉片定位

美式高壓渦輪導葉的徑向定位通常采用的是下端固定，上端自由伸縮的設計，如圖6、圖7所示。這種設計在美系發動機中比較常見，如CFM系列、PW4000。

主定位：渦輪導向葉片下安裝邊與內支承之間通過兩個周向分布短銷釘過渡配合，連接方式限制導向葉片y→、z→、x、z4個自由度。

在導葉上緣板還安裝有整環結構的外支撐環，在外支撐環和導葉上緣板安裝邊之間設計了整環的凹槽、凸臺結構來限制導葉的周向位移，因此導葉在周向上的定位可靠性是比較高的。徑向方向雖僅靠銷釘將導葉下安裝邊與內支承進行固定和定位，但徑向受燃氣沖擊較小，因而可靠性方面問題也不大。在熱態工況下如前所述，導葉的下端安裝邊固定于內機匣上，熱膨脹時整體呈向上自由伸長的趨勢。而x→方向上，由于導葉下緣板的安裝邊大致處于導葉軸向的中間位置，所以導葉向前后兩個方向都會有比較明顯的熱膨脹，導葉的緣板前緣裝有內、外掛環用于連接燃燒室火焰筒，其與火焰筒之間不存在軸向約束，因而可以自由膨脹;而導葉緣板后部連接的外支撐環本身設計有彈性結構，其剛度在周向較強而軸向較弱，也可以滿足導葉向后膨脹的需要。

在結構強度方面，其連接銷釘只承受徑向力和軸向力，軸向力靠安裝邊與內支承的接觸面來傳遞。而導葉的軸向擺動則通過內支承上安裝的前擋板來限制，其受力不依賴于銷釘，有助于提高銷釘連接結構的可靠性。其在熱態工況下，外支撐環的后端會與低壓外機匣直接接觸，從而給導葉提供更好的軸向支撐。

1.3定位封嚴設計分析

1.3.1導葉的擺動引起的泄露

導向葉片上下緣板與燃燒室筒體內外壁相連，燃燒室內外壁為薄壁件，隨溫度升高變形量大，且在發動機不同工況下由于燃燒室內外壁相對長度及所處溫度場有一定波動，內外壁伸長量不一致，導致葉片上下緣板輔助支點繞主定位點旋轉，影響葉片定位接觸面貼合狀態。如圖8、圖9所示，將葉片與接觸面件由面接觸改為線接觸，可以明顯降低漏氣風險。

1.3.2上下緣板間間隙、轉靜子間隙引起的泄露

由于葉片在周向方向上也有明顯熱膨脹，在葉片分布上需預留周向間隙，利用封嚴片封嚴。

對葉片上端固定下端自由膨脹的定位方法，下緣板應保留足夠的緣板件間間隙，避免葉片擠壓變形，同時還應控制導葉和動葉徑向間隙，避免轉靜子碰磨。對葉片下端固定上端自由膨脹的定位方法，導葉下緣板相對固定，與動葉間隙只需考慮轉子伸長。

1.3.3葉片躥動泄露

葉片輔助定位面相對躥動，接觸面之間存在相對間隙，具有漏氣風險。常用的躥動密封設計如圖10所示。

封嚴繩等柔性密封性能較好，但長期使用后，柔性接觸面磨損，密封及定位性能會大幅衰退。

直接接觸密封，密封性能較差，但能夠長時間保持較為穩定的狀態。

2結語

本文根據高壓渦輪導向葉片的變形特性，分析了導葉的定位原則，通過對比分析不同導葉定位方式，總結了導葉定位的原則，分析了導葉定位封嚴的方式。

參考文獻

[1] 陳光.航空發動機結構設計分析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[2] 劉長福，鄧明.航空發動機結構分析[M].西安：西北工業大學出版社，2006.

[3] 李杰.渦輪導向葉片參數化特征造型方法研究[D].成都：電子科技大學，2009.

[4] 王俊才，何愛杰，劉明剛.四種雙聯氣冷渦輪導向葉片結構特點[J].燃氣渦輪試驗與研究，1999（2）：47-51.

[5] 胡鵬浩，費業泰.六點定位法則的正確理解與應用[J].工具技術，1999（1）：24-26.

[6] 王先逵.機械制造工藝學[M].北京：機械工業出版社，2013.