航空發動機引氣轉換裝置建模仿真與改進設計

詹軻倚，柴小亮，余麗平，劉文平，鄧博文

(1.中國航發貴陽發動機設計研究所，貴州貴陽 550081； 2.貴州楓陽液壓有限責任公司，貴州貴陽 553009；3.西門子工業軟件(北京)有限公司，北京 100020)

引言

空氣系統作為航空發動機重要組成部分，起到組織冷卻、封嚴、隔熱、調節軸向力、防冰等作用[1-2]，其從壓氣機中引氣會影響發動機的性能[3-4]。引氣轉換裝置是某型航空發動機中重要組成部件，引出后氣體供滑支承腔封嚴，其由俄系АJI-31Ф發動機的氣動轉換活門改進而來。“小狀態”時采用壓氣機五級后引氣供滑油封嚴，“大狀態”時采用風扇卸荷腔引氣供滑油封嚴，由風扇卸荷腔壓力控制轉換狀態。

該引氣轉換裝置在發動機試車過程中出現了引氣轉換不可靠的問題，表現為隨著發動機狀態提升，未能可靠轉換至風扇卸荷腔引氣，使得發動機大狀態工作時仍然引五級高壓壓氣機后氣體(溫度較高)至氣腔封嚴滑油腔，過于高溫的氣體將造成滑油燒蝕，同時影響了發動機推力及耗油率等性能指標。某型發動機中間狀態時，采用壓氣機后氣流封嚴較使用風扇卸荷腔氣流封嚴，發動機推力偏小約300 kgf。故亟需對引氣轉換裝置進行改進設計，解決引氣轉換不可靠問題。

航空發動機試驗具有風險大、成本高、周期長的特點，若僅依靠試驗對改進方案進行驗證，將消耗大量人力、物力資源，同時極大影響航空發動機產品研制周期。采用仿真方法對問題進行分析并對改進方案進行驗證，越來越受到航空領域的青睞。AMESim仿真在汽車、船舶、航空航天等行業已具廣泛的應用基礎[5-10]，依靠其功能強大的元件庫與數據庫可完成復雜度高、專業性耦合強的各類仿真工作，在氣動控制方面，AMESim仿真具有較為成熟的仿真方案與工程應用效果[11-13]。

本研究通過對引氣轉換裝置活門作用面、節流面進行分析，采用AMESim對其進行建模仿真，仿真結果為改進設計提供了清晰方向，使得產品改進一次成功，縮短了產品改進周期，節約了試驗成本，解決了“引氣轉換不可靠”問題。

1 引氣轉換裝置原理

引氣轉換裝置結構如圖1所示，其由活門、殼體、彈簧組成，其中P2口氣體引自壓氣機五級后，P1口氣體引自引風扇卸荷腔，A口為引氣轉換裝置出口，彈簧為壓簧，受到活門壓力。當發動機處于低狀態時，風扇卸荷腔壓力不足以克服彈簧力作用，活門位于右止點，A口與P2口相通，引壓氣機五級后至支承封嚴系統；當風扇卸荷腔壓力上升時，風扇卸荷腔壓力克服彈簧力作用，活門向右移動，轉換完成后通過A口與P1間環形間隙口相通，引風扇卸荷腔至支承封嚴系統。

1.殼體 2.活門 3.彈簧 A.引氣轉換裝置出口P1.引風扇卸荷腔壓力口 P2.引壓氣機五級后壓力口圖1 引氣轉換裝置功能結構示意圖

2 建模分析

2.1 作用面分析

對引氣轉換裝置進行作用力分析，其6個作用面構成如圖2所示，作用面的合力是活門運動的關鍵因素。

圖2 引氣轉換裝置受力面分析

作用面1為圓形平面，其受到彈簧力與大氣壓力作用，作用力方程為：

F1=p0S1+Fspring+kx

(1)

(2)

式中，p0—— 大氣壓力，作用于彈簧腔

S1—— 作用面面積

Fspring—— 預設彈簧預緊力

k—— 彈簧剛度

x—— 活門位移

d1—— 作用面1處直徑

作用面2為帶桿圓錐面，可按照投影面積計算，作用力方程為：

F2=p2S2

(3)

(4)

式中，p2—— 引氣轉換裝置壓氣機五級后引氣(P2口)壓力

d2_pistion—— 作用面2處活塞直徑

d2_rod—— 作用面2處活塞桿直徑

作用面3為帶桿圓錐面，該作用面活塞直徑較作用面2不同，對氣體有一定節流作用，將該作用面簡化如圖3所示，作用力方程為：

圖3 帶桿圓錐面(帶節流面)示意圖

F3=p3S3_1+p5S3_2

(5)

(6)

(7)

式中，p3—— P2口節流前壓力

p5—— P2口節流后壓力，即作用面5壓力

S3_1—— 圖3中直徑ds與dr構成的作用面積

S3_2—— 圖3中dpop與ds構成的面積

d3_piston—— 作用面活塞直徑

d3_pop—— 作用面節流后活塞直徑

d3_rod—— 活塞桿直徑

作用面4為不帶桿圓錐面，該作用面與作用面3相比，活塞桿直徑為0，作用力方程為：

F4=p4S4_1+p6S4_2

(8)

(9)

(10)

式中,p4—— 風扇卸荷腔(P1口)節流前壓力

p6—— P1口節流后壓力，即作用面6壓力

d4_pop—— 作用面節流后活塞直徑

d4_piston—— 作用面活塞直徑

作用面5，6為凸臺產生的圓環面，作用力方程為：

F5=p5S5

(11)

(12)

F6=p6S6

(13)

(14)

式中,d5與d6為活塞上凸臺直徑，二者相等。

2.2 節流面分析

對引氣轉換裝置進行節流面分析，分析得到的5個節流面如圖4所示。

圖4 引氣轉換裝置節流面分析

節流A，B為圓錐面形成的節流通道，結構簡化如圖5所示，節流面面積為：

SA=πxsinα(ds-xA×sinα)cosα

(15)

式中,x—— 活門與密封面位移

ds—— 活塞殼體內徑

α—— 活門錐面半角，節流面B與節流面A類似

圖5 引氣轉換裝置圓錐面節流面

(16)

(17)

式中,x—— 活門與密封端面位移

D—— A出口直徑，節流面D與節流面C類似

節流面E為活門上凸臺與殼體所形成的環面，需除去(除出口)，節流面E面積為：

(18)

式中,dE_out—— 節流面E(凸臺)處殼體內徑

dE_in—— 節流面E(凸臺)處直徑

D—— A口直徑

3 引氣轉換裝置建模與仿真

3.1 建模

利用AMESim建模仿真軟件中Pneumatic庫、Pneumatic Components Design庫、Mechanical庫、Signal庫及Control庫按照引氣轉換裝置物理結構完成建模，選擇氣源為“Dry Air”，在草圖模式中完成模型搭建，如圖6所示，模型中為對活門上“凸臺”進行模擬，將“不帶凸臺的活門”與“凸臺”單獨進行建模，通過機械庫中的“LCON11”子模型將其聯合在一起。

圖6 引氣轉換裝置AMESim模型

完成草圖后，選定各模塊子模型，此處手工選擇“質量塊”子模型為“MAS005RT-2”，其他模塊可采用首選子模型。在參數模式下完成對各項物理尺寸、彈簧規格參數、初始遮蔽量進行設定，采用發動機試車過程中采集的風扇卸荷腔壓力、溫度作為模型“P1口”，壓氣機五級后壓力、溫度作為模型“P2口”入口，環境壓力作為出口后壓力。在仿真模式中，設置仿真時間與步長，以實現對第2，3節中方程式進行求解。

表1 主要模塊對應子模型

按照引氣轉換裝置未改進前狀態，根據臺架試車數據引氣轉換裝置轉換與未轉換測得的裝置出口壓力，在參數模式下對墊片厚度、摩擦力系數進行修正，使得在風扇卸荷腔壓力與壓氣機五級后壓力相當的情況下，模型計算的引氣轉換裝置出口壓力與實際測得的壓力偏差在10%范圍內，認為模型可用，將模型校正后，各穩態點誤差在5%～10%范圍內，模型可用。

3.2 仿真算例

推測一：引氣裝置的原型產品與現有產品差異項為取消了凸臺附件的引氣口。如果有引氣口相當于凸臺兩側存在1個均壓槽，活門上凸臺為引氣轉換不可靠的關鍵因素。

推測二：引氣轉換裝置在承制廠進行試驗時未出現轉換不可靠現象，且轉換非常迅速，由于承制廠氣源能力限制，裝置出口為死腔，而其在發動機上使用時與大氣相通，裝置后節流面積為引氣轉換不可靠的關鍵因素。

根據上述推測，制定仿真算例：

算例一：已知活門凸臺高度為4 mm，對原凸臺、凸臺直徑減小2 mm、凸臺直徑減小4 mm進行仿真計算，分析其對引氣轉換裝置轉換情況的影響。

圖7 仿真中壓力輸入情況

算例二：已知活門后節流面直徑為30 mm，對原節流面、節流面直徑為15 mm、節流面直徑為7.5 mm、節流面直徑為3.5 mm進行仿真計算，分析其對引氣轉換裝置轉換情況的影響。

3.3 仿真與結果分析

1) 凸臺尺寸對轉換影響

模擬活門上凸臺對轉換過程的影響，根據實際發動機在10 s內，壓氣機轉速(n2)由70%上升至85%過程，通過受力面分析，對作用面1～6受力計算結果進行提取以直觀呈現，如表2所示，結果表明：作用面5、作用面6(活門上凸臺)間壓力差對活門轉換起到阻礙作用，隨著發動機轉速增大，風扇卸荷腔壓力增大，該阻礙力略有減小，但仍有阻礙活門打開作用。

表2 原活門隨轉速上升受力結果(慢車至最大)

表3 活門凸臺直徑減小2 mm后隨轉速上升受力結果(慢車至最大)

表4 活門凸臺直徑減小4 mm(無凸臺)后轉速上升受力結果(慢車至最大)

將凸臺直徑減小2，4 mm進行在相同條件下進行仿真，受力如表3、表4所示，活門移動情況如圖8所示。仿真結果表明：

(1) 隨著凸臺直徑減小，其與殼體間隙越小，兩側壓力更易于均衡，使得凸臺兩側壓力差越小，同時兩側受力面積減小，活門更易于轉換；

(2) 活門上凸臺尺寸是調節轉換點的重要手段，隨著凸臺直徑減小，活門轉換對應的n2將顯著提前，根據設計要求，某型發動機轉換點對應n2轉速應為80%作用，故將凸臺直徑減小2 mm能夠符合設計要求；

(3) 若將活門上凸臺直徑減小過多，會導致轉換提前(慢車狀態即轉換)，同時將導致活門反向轉換不可靠，主要原因是凸臺與活門節流面積減小的過多，反向轉換時不足以平衡氣體沖擊的影響，故不應將活門凸臺減小過多。

2) 節流面對轉換影響

模擬活門上凸臺對轉換過程的影響，根據實際發動機在10 s內，壓氣機轉速n2由70%上升至85%，10～20 s轉速維持85%不變，各設定的節流面直徑對引氣轉換裝置活門位移影響如圖9所示。

圖8 活門凸臺直徑減小后對活門移動影響(仿真結果)

圖9 節流面直徑對活門位置影響(仿真結果)

從圖9可知，將裝置出口節流面積減小可使得活門更為可靠的轉換，節流面直徑越小，活門轉換的越迅速，如把出口完全堵死，活門將瞬間完成轉換，該結果與在承制廠內現象一致。

引氣轉換裝置在發動機試車中存在加速性檢查能轉換，操縱性檢查不轉換的現象，該現象也可從節流面角度進行分析，進行加速性檢查(1 s內油門位置由MC至ZD)時轉換節流面較操縱性檢查(6～8 s內油門位置由MC至ZD)時要小，故能夠轉換。

4 改進設計與驗證

通過仿真分析，將凸臺尺寸減小或將引氣轉換裝置后節流面積減小均有助于裝置轉換；然而對節流面積進行改動勢必影響發動機潤滑系統，改動風險較大。直接對活門凸臺進行改進對其他系統影響較小，同時，結合設計指標要求，將活門凸臺直徑減小2 mm，在發動機上進行驗證。

隨著發動機狀態上升，引氣轉換裝置轉換由五級壓氣機(P2口，試驗未測，下同)引氣轉換至風扇卸荷腔引氣(對應發動機n2為78%)，如圖10所示。轉換前，引氣轉換裝置出口A口為壓氣機五級后氣體，溫度TA持續上升，隨著發動機轉速升高，風扇卸荷腔P1口壓力上升，當足以使裝置轉換后，引氣轉換裝置迅速轉換為風扇卸荷腔引氣，P1口壓力克服彈簧力，略有下降，但始終高于A口壓力，轉換完成后A口溫度降低。

圖10 改進后隨發動機狀態上升轉換情況

隨著發動機狀態下降，引氣轉換裝置轉換由風扇卸荷腔引氣轉換至壓氣機五級后引氣(對應發動機n2為79%)，如圖11所示。轉換前，引氣轉換裝置出口A口為風扇卸荷腔氣體，溫度持續穩中有降，隨著發動機轉速降低，風扇卸荷腔P1口壓力下降，當小于彈簧力時，引氣轉換裝置迅速轉換為P2口引氣，A口溫度逐漸上升，轉換完成后A口壓力大于P1口壓力。

圖11 改進后隨發動機狀態下降轉換情況

5 結論

(1) 通過仿真計算及試驗驗證，引氣轉換裝置活門上凸臺與裝置后節流面是影響裝置轉換的關鍵原因。通過減小活門上凸臺直徑或裝置節流后面積均可解決轉換不可靠問題，但改變裝置后節流面積將對潤滑系統造成一定影響，故改進方案中通過將活門凸臺減小2 mm以解決轉換不可靠問題，通過發動機整機試驗驗證有效，性能指標滿足要求；

(2) 減小活門凸臺直徑會帶來減小面積差與增大節流面積的效果，該處理方法加工簡單，但該種加工方式最大程度的減小了節流面積，將節流面積減小過多可能會導致裝置反向轉換不可靠的問題，后續可探索對活門凸臺不同補充加工形式對裝置轉換的影響。