大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征

曹傳軍, 徐峰, 陸曉鋒

(中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司, 上海 200241)

大型客機(jī)的定義通常是起飛重量大于100 t,乘坐人數(shù)超過百人的民用飛機(jī)。作為大型客機(jī)動(dòng)力的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù),目前掌握在美國(guó)通用電氣、美國(guó)普惠、英國(guó)羅羅及其合資公司手中[1-2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為工業(yè)皇冠上的“明珠”,代表了國(guó)家的工業(yè)水平,屬于大國(guó)重器。中國(guó)分別在2007年和2017年啟動(dòng)了兩個(gè)國(guó)家重大科技專項(xiàng),即“大型飛機(jī)重大專項(xiàng)”和“航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)”,開展大型客機(jī)和民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā),期望最終能發(fā)展出中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型客機(jī)和大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

高壓壓氣機(jī)作為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,追求高性能、高可靠性、低成本等,涉及氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、傳熱、材料、工藝等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域,技術(shù)難度極高[3]。國(guó)際標(biāo)桿發(fā)動(dòng)機(jī)公司基于強(qiáng)大的技術(shù)能力和工業(yè)基礎(chǔ)以及產(chǎn)品服役過程中積累的經(jīng)驗(yàn),發(fā)展了具有各自特點(diǎn)且滿足市場(chǎng)需求的高壓壓氣機(jī)型號(hào)。PW公司發(fā)展了PW4000發(fā)動(dòng)機(jī)11級(jí)高壓壓氣機(jī)、PW6000發(fā)動(dòng)機(jī)6級(jí)高壓壓氣機(jī)、PW1000G發(fā)動(dòng)機(jī)8級(jí)高壓壓氣機(jī),GE公司發(fā)展了GE90發(fā)動(dòng)機(jī)10級(jí)高壓壓氣機(jī),尤其是發(fā)展的GE-9X發(fā)動(dòng)機(jī)11級(jí)高壓壓氣機(jī),壓比達(dá)到了驚人的27～28,成為世界之最。RR公司發(fā)展了RB211和TRENT系列的6級(jí)高壓壓氣機(jī)。CFMI公司成功發(fā)展了CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)9級(jí)高壓壓氣機(jī)和LEAP系列10級(jí)高壓壓氣機(jī)[4]。

中國(guó)在民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)薄弱,無成熟經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累,研發(fā)起步階段有必要去借鑒和參考標(biāo)桿機(jī)型高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)特征。尤其是標(biāo)桿機(jī)型高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),是在大量的、長(zhǎng)期的產(chǎn)品運(yùn)行和不斷改進(jìn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高可靠性的設(shè)計(jì)特征。現(xiàn)對(duì)國(guó)際主流發(fā)動(dòng)機(jī)公司高壓壓氣機(jī)典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征進(jìn)行了詳細(xì)的剖析并總結(jié)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題和建議措施,期望為國(guó)內(nèi)的大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供些許參考和幫助。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體布局

大型客機(jī)采用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力,如圖1所示為美國(guó)GE公司最新發(fā)展的GE-9X發(fā)動(dòng)機(jī)[5],推力達(dá)到了60 t以上,采用了11級(jí)軸流式高負(fù)荷高壓壓氣機(jī),壓比達(dá)到27以上。

高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足性能設(shè)計(jì)提出的各項(xiàng)要求,滿足強(qiáng)度、振動(dòng)、壽命的要求,且要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、維修方便、成本低、可靠性高等。壓氣機(jī)主要的結(jié)構(gòu)形式有軸流式、離心式和軸流離心混合式3種,軸流式可實(shí)現(xiàn)高通流、高壓比的需求,得到了廣泛的應(yīng)用,目前投入運(yùn)營(yíng)的大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)皆為軸流式。

高壓壓氣機(jī)作為單元體,主要包括轉(zhuǎn)子組件、靜子組件、支撐結(jié)構(gòu)、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等,實(shí)現(xiàn)與上下游單元體之間的連接、載荷和功率傳遞等。圖2所示為在單通道窄體客機(jī)動(dòng)力領(lǐng)域占據(jù)半壁江山的

圖1 GE-9X發(fā)動(dòng)機(jī)[5]Fig.1 GE-9X engine[5]

圖2 CFM56高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)[6]Fig.2 Structural sketch of CFM56 high pressure compressor[6]

CFMI公司研發(fā)的CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[6],共9級(jí)軸流式壓氣機(jī),該壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)布局具有大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征。轉(zhuǎn)子采用盤鼓式連接,第1和第2級(jí)盤鼓焊接一體,第4～9級(jí)盤鼓焊接一體,前軸與第3級(jí)盤采用螺栓連接,9級(jí)盤后鼓筒與篦齒盤螺栓連接,第1～3級(jí)葉片與輪盤采用軸向榫連接,第4至9級(jí)葉片與輪盤采用周向榫連接[7];靜子組件包括對(duì)開式前機(jī)匣組件,前機(jī)匣組件外設(shè)計(jì)有可調(diào)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(variable stator vane, VSV),前4排靜子葉片角度可調(diào)節(jié)。雙層后靜子機(jī)匣組件,內(nèi)層形成氣流通道,外層承力,內(nèi)外層機(jī)匣之間形成引氣腔結(jié)構(gòu),用來連接渦輪冷卻引氣、防冰和客艙引氣等。內(nèi)層機(jī)匣為分半式,方便分解和裝配。

2 支承與傳力路徑設(shè)計(jì)

除了RR公司的RB211系列和Trent系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用了三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案,其他的如CFM56、LEAP、GE90、GE-NX、PW4000系列、V2500、PW1000G均采用了雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案,其中PW1000G低壓轉(zhuǎn)子采用了齒輪傳動(dòng)的形式。各大發(fā)動(dòng)機(jī)公司都采用了衍生發(fā)展的思路,提高可靠性,降低成本[8-9]。

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子連接形成高壓轉(zhuǎn)子,通常采用2支點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。用兩條前后排列的橫線分別代表壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪轉(zhuǎn)子,兩條橫線前后及中間的數(shù)字表示支點(diǎn)的數(shù)目,目前大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子的支承有1-0-1和1-1-0兩種形式。1-1-0式是PW公司使用較多的方案,具有高低壓轉(zhuǎn)子間無振動(dòng)耦合的特點(diǎn),有良好的振動(dòng)特性,如PW4000系列發(fā)動(dòng)機(jī)即采用此支承結(jié)構(gòu),其他典型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子幾乎都采用1-0-1的2支點(diǎn)支承方式,如圖3所示。考慮到止推軸承(即滾珠軸承)既要承受軸向載荷,又要承受徑向載荷,通常將其放在高壓壓氣機(jī)前面,工作環(huán)境溫度相對(duì)較低的區(qū)域,有時(shí)為了減輕滾珠軸承的載荷,在滾珠軸承旁邊并列設(shè)計(jì)一個(gè)滾棒軸承用來承受徑向載荷,而滾珠軸承只承受軸向載荷,如圖4所示[6]。為了降低臨界轉(zhuǎn)速,使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速,高壓壓氣機(jī)前支承點(diǎn)通常采用彈性支承結(jié)構(gòu),減小轉(zhuǎn)子的支承剛性。進(jìn)一步為控制高壓轉(zhuǎn)子的振動(dòng),吸收振動(dòng)能量,可以在彈性支承結(jié)構(gòu)處設(shè)置減振器,擠壓油膜阻尼器是一種簡(jiǎn)單有效的常用結(jié)構(gòu)形式,PW4000、V2500、GE90、LEAP等發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子前支點(diǎn)即采用了擠壓油膜阻尼器彈支結(jié)構(gòu)(圖5)[6]。GE公司通常將高壓渦輪前后的支點(diǎn)設(shè)計(jì)成中介支點(diǎn),此種設(shè)計(jì)省去了高壓渦輪前后的承力結(jié)構(gòu),使得發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕。但這種設(shè)計(jì)存在著高低壓轉(zhuǎn)子間的耦合振動(dòng)問題,且中介支點(diǎn)滾棒軸承的潤(rùn)滑變得困難。

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子受到的軸向力從后往前傳遞到高壓轉(zhuǎn)子前支承點(diǎn),由滾珠軸承傳遞至中介機(jī)匣承力框架后外傳至發(fā)動(dòng)機(jī)。高壓壓氣機(jī)靜子上受到的軸向載荷,由靜子葉片傳遞至機(jī)匣,通過前后承力框架傳遞至發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖3 高壓轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural sketch of supporting structure of high pressure rotor

圖4 CFM56-5高壓轉(zhuǎn)子前支承結(jié)構(gòu)示意圖[6]Fig.4 Structural sketch of front supporting structure of CFM56-5 high pressure rotor[6]

圖5 PW4000高壓轉(zhuǎn)子前支承結(jié)構(gòu)[6]Fig.5 Structural sketch of front supporting structure of PW4000 high pressure rotor[6]

3 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)形式

大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子通常采用盤鼓式連接形式,盤鼓止口采用圓柱面定心,過盈連接,這種轉(zhuǎn)子兼有盤式轉(zhuǎn)子強(qiáng)度好及鼓式轉(zhuǎn)子抗彎、剛性好等特點(diǎn)。圖6為GE90高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)圖,采用盤鼓焊接和短螺栓連接方式,無整體葉盤,葉片與盤之間采用軸向榫和周向榫連接形式[10]。

圖7所示為GE-NX發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子共有3級(jí)采用整體葉盤,分別是第1級(jí)、第2級(jí)和第5級(jí),其中第3和第4級(jí)盤鼓為焊接一體式,后5級(jí)盤鼓為焊接式后鼓筒,前軸后端與第2級(jí)整體葉盤

圖6 GE90高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[10]Fig.6 Structural sketch of GE90 HPC[10]

圖7 GE-NX高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[11]Fig.7 Structural sketch of GE-NX HPC[11]

連接,前軸前端與高壓壓氣機(jī)前支點(diǎn)止推軸承連接,傳遞轉(zhuǎn)子軸向載荷;后錐鼓筒與篦齒封嚴(yán)盤連接。轉(zhuǎn)子通過止口圓柱面定心,通過短螺栓連接提供預(yù)緊力進(jìn)行傳力傳扭。整個(gè)轉(zhuǎn)子共有三處通過短螺栓進(jìn)行連接,分別在第2級(jí)盤、5級(jí)盤和篦齒盤處[11]。RR公司的高壓壓氣機(jī)習(xí)慣于用圓弧端齒的連接形式進(jìn)行傳扭和定心,如圖8所示[12]。部分機(jī)型的高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子后鼓筒采用電子束焊連接形式,隨著工藝水平的提高,慣性摩擦焊連接得到了廣泛應(yīng)用,可以提高焊接組件的強(qiáng)度和壽命。LEAP高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的前軸與第1級(jí)盤連接,而GE-NX高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的前軸與第2級(jí)盤連接,前軸與第2級(jí)盤連接,有利于提高轉(zhuǎn)子鼓筒的剛性,提高轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性,而與第1級(jí)盤連接,其裝配過程更簡(jiǎn)易。PW1000G高壓壓氣機(jī)采用8級(jí)軸流式無螺栓連接的轉(zhuǎn)子形式,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)[13],但也存在著轉(zhuǎn)子盤鼓之間不同材料和不同工況下的熱變形協(xié)調(diào)問題,影響了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性。

圖8 BR710高壓壓氣機(jī)一級(jí)盤圓弧端齒[12]Fig.8 Circular gear couplings of first disk of BR710 high pressure compressor[12]

為了給渦輪盤和渦輪轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行冷卻,多數(shù)高壓壓氣機(jī)會(huì)在后面級(jí)鼓筒設(shè)計(jì)引氣孔,氣流經(jīng)過盤腔至渦輪葉盤。為了減小引氣壓力損失,通常盤間設(shè)計(jì)有減渦器,GE-NX高壓壓氣機(jī)在7級(jí)盤與8級(jí)盤之間設(shè)計(jì)了減渦器,用來從7級(jí)輪轂處引氣對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行冷卻;圖9為BR710高壓壓氣機(jī)第6、7級(jí)盤之間的減渦器[12]。

3.2 轉(zhuǎn)子葉片

現(xiàn)役民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)前面級(jí)轉(zhuǎn)子葉片部分仍然采用大展弦比細(xì)長(zhǎng)帶凸肩分離式葉片,如CFM56-3/5型高壓壓氣機(jī)第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片。大展弦比細(xì)長(zhǎng)葉片是為了控制流道上下端區(qū)的附面層的影響,帶凸肩是為了減小細(xì)長(zhǎng)葉片振動(dòng)能量,凸肩之間的相互摩擦起到振動(dòng)阻尼作用。自從Wennerstrom[14]發(fā)展并驗(yàn)證了小展弦比葉片之后,現(xiàn)代先進(jìn)壓氣機(jī)都采用了無凸肩小展弦比葉片[15],如圖10所示。

葉片上另外一個(gè)特征是葉尖削薄(或稱squealer),通常將葉片壓力面?zhèn)热~尖部分材料去除(圖11)。由于葉尖削薄,當(dāng)萬一葉尖與機(jī)匣相碰時(shí),也不會(huì)引起嚴(yán)重后果,葉尖與機(jī)匣間可以采用相對(duì)較小的徑向間隙,提升壓氣機(jī)的性能,標(biāo)桿機(jī)型尤其是GE公司的高壓壓氣機(jī),廣泛應(yīng)用了這種設(shè)計(jì)特征。

圖9 BR710高壓壓氣機(jī)級(jí)間減渦器[12]Fig.9 Vortex reducer of BR710 high pressure compressor[12]

圖10 不同展弦比葉片對(duì)比Fig.10 Comparision of different aspect ratio blade

圖11 葉尖squealer設(shè)計(jì)Fig.11 Squealer design of blade tip

傳統(tǒng)的葉片和盤之間采用盤片分離式結(jié)構(gòu)形式,有軸向榫和周向榫兩種結(jié)構(gòu)形式。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了整體葉盤的結(jié)構(gòu)形式,轉(zhuǎn)子葉片和輪盤做成一體,結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件少、效率高、可靠性高等特點(diǎn)。現(xiàn)代先進(jìn)民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)大量采用整體葉盤的形式,GE-9X高壓壓氣機(jī)前6級(jí)即采用了這種整體葉盤結(jié)構(gòu),如圖12所示[5]。

后面級(jí)由于葉片數(shù)較多、稠度較大,葉片與盤通常采用周向榫槽盤片分離式結(jié)構(gòu)(圖13)[12],相比軸向榫槽葉盤結(jié)構(gòu),周向榫槽形式加工簡(jiǎn)單、裝配方便,甚至只需打開壓氣機(jī)機(jī)匣就可以進(jìn)行拆裝葉片。

比較例外的是現(xiàn)役先進(jìn)的Trent1000發(fā)動(dòng)機(jī)6級(jí)高壓壓氣機(jī)均采用了盤片分離式結(jié)構(gòu)形式[16],第1級(jí)軸向榫結(jié)構(gòu),第2～6級(jí)周向榫結(jié)構(gòu),如圖14所示。但后來發(fā)展的Trent XWB高壓壓氣機(jī)前3級(jí)又采用了整體葉盤的結(jié)構(gòu)形式[17]。

圖12 GE-9X前六級(jí)焊接一體整體葉盤結(jié)構(gòu)[5]Fig.12 Front six Blisks of friction welding of GE-9X[5]

圖13 燕尾榫頭分離式葉片[12]Fig.13 Swallow tailed blade[12]

圖14 Trent1000分離式葉盤結(jié)構(gòu)[16]Fig.14 Disks and blades of Trent1000[16]

3.3 材料選擇

材料選取成熟材料和工藝標(biāo)準(zhǔn),并盡可能壓縮材料牌號(hào)、品種和規(guī)格,降低成本。轉(zhuǎn)子前面級(jí)的溫度較低,葉片和盤(或者整體葉盤)選用輕質(zhì)的鈦合金材料、如Ti6242、Ti64、Ti17等,后面級(jí)的盤和葉片選用高溫合金材料,如盤鼓選擇IN718、Rene65等,葉片選取IN718、IN718+等,出口級(jí)由于溫度很高,盤鼓選用高溫粉末合金材料,如Rene88DT等。溫度水平不高時(shí),壓氣機(jī)后面級(jí)盤鼓也有采用高溫鈦合金,形成全鈦合金轉(zhuǎn)子,RR公司的Trent700是第一個(gè)在高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子盤鼓上全部采用鈦合金的發(fā)動(dòng)機(jī),所使用的是IMI834高溫鈦合金。

4 靜子設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)匣

機(jī)匣有分半式機(jī)匣和整環(huán)機(jī)匣兩種,分半式機(jī)匣裝配和維修性好,分拆時(shí)一般不需要分解轉(zhuǎn)子,但周向剛性弱,周向變形不均,導(dǎo)致機(jī)匣與轉(zhuǎn)子之間形成的葉尖間隙周向不均勻,影響壓氣機(jī)的性能。整環(huán)機(jī)匣沒有分半機(jī)匣的缺點(diǎn),但裝配困難,需要轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)成可拆卸式。結(jié)合前文介紹的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子前面級(jí)一般采用整體葉盤,后面級(jí)采用盤片分離式,因此高壓壓氣機(jī)前面級(jí)靜子機(jī)匣通常設(shè)計(jì)成分半式,后面級(jí)機(jī)匣設(shè)計(jì)成軸向分段整環(huán)式。同時(shí)后面級(jí)溫度高,變形大,為了保證壓氣機(jī)氣動(dòng)性能穩(wěn)定,通常設(shè)計(jì)成雙層機(jī)匣,外層機(jī)匣承力,內(nèi)層機(jī)匣形成氣流通道。PW公司的PW4000(圖15)、PW1000G[18],GE公司的GE90[19]、GE-NX[20],CFMI公司的CFM56、LEAP等高壓壓氣機(jī)都采用了這種雙層機(jī)匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在高壓壓氣機(jī)機(jī)匣上,對(duì)應(yīng)工作葉片葉尖處開槽[21],用來減少流動(dòng)損失,提高壓氣機(jī)喘振裕度[22],如圖16所示,這種機(jī)匣處理方法在CF6-80C2、RB211-535E4、PW4000上皆有應(yīng)用[23]。

圖15 PW4000高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.15 Structural sketch of PW4000 high pressure compressor

圖16 不同種類的機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)[22]Fig.16 Different configurations of casing treatments[22]

4.2 靜子葉片

靜子葉片有角度可調(diào)節(jié)和不可調(diào)節(jié)兩種,角度可調(diào)節(jié)靜子葉片帶有上下軸頸(圖17),分別安裝在前靜子機(jī)匣和內(nèi)環(huán)中。壓氣機(jī)后面級(jí)靜子葉片角度通常不可調(diào)節(jié),采用靜葉扇形段的形式,由多個(gè)靜子葉片組合成靜葉扇形段結(jié)構(gòu)(圖18),扇形段頂端安裝在機(jī)匣內(nèi)壁環(huán)形槽中,扇形段底端安裝在封嚴(yán)環(huán)中。靜葉扇形段可通過直接機(jī)械加工完成(如整環(huán)加工后線切割),也可采用鈑金釬焊的加工工藝,葉片通過輥軋或精鍛加工,上下緣板通過鈑金成型后,與葉片釬焊一體形成靜葉扇形段。靜葉輪轂處通常設(shè)計(jì)有內(nèi)環(huán)和封嚴(yán)結(jié)構(gòu),與轉(zhuǎn)子鼓筒篦齒配合,減小級(jí)間泄漏損失。大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)也有采用懸臂靜葉結(jié)構(gòu)形式,例如,PW1000G和BR710高壓壓氣機(jī)后面級(jí)的靜子葉片,如圖19所示[12]。與采用蜂窩和篦齒配合形式相比,懸臂靜子的根部與鼓筒之間需要留有一定的間隙,這會(huì)帶來根部氣流泄漏摻混的損失,但懸臂靜子結(jié)構(gòu)可以保證轉(zhuǎn)子輪轂處流道連續(xù),沒有靜葉根部前后容腔泄漏造成的氣流損失。

圖17 可調(diào)靜子葉片F(xiàn)ig.17 Variable stator vane

圖18 靜葉扇形段示意圖Fig.18 Schematic diagram of stator vane sector

圖19 BR710高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[12]Fig.19 Structural sketch of BR710 HPC[12]

4.3 靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

高壓壓氣機(jī)級(jí)數(shù)較多時(shí),通常設(shè)計(jì)多排的角度可調(diào)節(jié)的靜子葉片,通過多排靜葉的角度聯(lián)動(dòng),改變轉(zhuǎn)子葉片的來流攻角,達(dá)到改善壓氣機(jī)中低轉(zhuǎn)速性能的目的[24]。靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有曲柄連桿和扭力桿兩種結(jié)構(gòu)形式。圖20為曲柄連桿式角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖,安裝在對(duì)開機(jī)匣兩側(cè)。主要包括作動(dòng)筒、曲柄操縱組件、連桿、聯(lián)動(dòng)環(huán)等,工作時(shí)通過作動(dòng)筒的線位移驅(qū)動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng),通過連桿拉動(dòng)聯(lián)動(dòng)環(huán),帶動(dòng)搖臂,轉(zhuǎn)動(dòng)靜子葉片,從而改變?nèi)~片角度。工作前,需要通過打壓標(biāo)定試驗(yàn),確認(rèn)作動(dòng)筒線位移與靜葉旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系,通過控制線位移來控制葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,目前的角度調(diào)節(jié)精度可以達(dá)到0.5°～1.0°。曲柄連桿式角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛,在CFM56、LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)中都有應(yīng)用。扭力桿式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括作動(dòng)筒、扭力桿、連桿、聯(lián)動(dòng)環(huán)等[25],如圖21所示,扭力桿式具有傳力路徑短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)非線性角度規(guī)律等優(yōu)勢(shì),但其空間占用大,目前主要應(yīng)用在雙通道客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)中,如GE-NX。

圖20 曲柄連桿式角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.20 Sketh of crank connecting rod VSV

圖21 扭力桿式角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[25]Fig.21 Sketh of torsion bar VSV[25]

4.4 材料選擇

高壓壓氣機(jī)前面級(jí)溫度較低,分半式機(jī)匣通常采用不銹鋼材料,如M152,考慮轉(zhuǎn)子前面級(jí)采用了鈦合金材料,為了防止轉(zhuǎn)靜子刮磨后產(chǎn)生鈦火,通常分半式機(jī)匣不使用鈦合金材料。后面級(jí)機(jī)匣溫度較高,采用高溫合金材料,如IN903、IN907、IN718等。

前面級(jí)靜子葉片采用不銹鋼,如17-4PH,也有的機(jī)型為了減重,在合理設(shè)計(jì)軸向間距避免產(chǎn)生刮磨發(fā)生鈦火的基礎(chǔ)上,采用鈦合金靜子葉片,與轉(zhuǎn)子鈦合金葉片成對(duì)使用。零級(jí)靜葉所處的溫度較低,也可使用鋁合金材料,減輕重量。后面級(jí)靜葉一般采用高溫合金,如IN718等。用于封嚴(yán)的蜂窩一般采用Hastelloy X合金材料。

5 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

5.1 徑向間隙設(shè)計(jì)

徑向間隙包括機(jī)匣與葉片之間的葉尖間隙和蜂窩與篦齒之間的間隙。徑向間隙尤其葉尖間隙對(duì)高負(fù)荷的民機(jī)壓氣機(jī)性能的影響非常明顯[26-28],但過小的葉尖間隙對(duì)安全帶來風(fēng)險(xiǎn),葉尖間隙設(shè)計(jì)時(shí),需要在性能與安全之間進(jìn)行迭代。間隙設(shè)計(jì)過程中影響因素需要考慮全面,如轉(zhuǎn)子和機(jī)匣的冷熱變形、機(jī)匣軸向變形帶來的徑向差異、葉尖和機(jī)匣的尺寸公差、葉尖和機(jī)匣涂層的跳動(dòng)、軸承座同心度、軸承的游隙、穩(wěn)態(tài)的不平衡響應(yīng)、彈性支承的變形等。

為了控制機(jī)匣與葉尖刮磨風(fēng)險(xiǎn),機(jī)匣與葉尖對(duì)應(yīng)的表面會(huì)噴涂一層可磨耗的涂層,涂層厚度為1.2～1.5 mm。涂層粗糙度相比無涂層金屬表面要大得多,會(huì)帶來性能上的下降,尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)服役一段時(shí)候后,還會(huì)產(chǎn)生涂層掉塊,使得發(fā)動(dòng)機(jī)的性能衰退。因此一些標(biāo)桿機(jī)型,如CFM56、LEAP發(fā)動(dòng)機(jī),將壓氣機(jī)后面級(jí)的機(jī)匣設(shè)計(jì)成無涂層的金屬表面,且允許一定量的刮入深度。但對(duì)于前面級(jí)鈦合金轉(zhuǎn)子葉片,對(duì)應(yīng)的機(jī)匣通常是要噴涂可磨耗涂層,且前面級(jí)葉片較長(zhǎng),葉尖間隙的影響相對(duì)較弱,可以適當(dāng)放大葉尖間隙,不讓葉尖刮入涂層,可以將熱態(tài)的最小葉尖間隙設(shè)計(jì)在0.1～0.2 mm。考慮了冷熱變形差異之后,某標(biāo)桿機(jī)型轉(zhuǎn)靜子的冷態(tài)葉尖間隙范圍在0.76～1.60 mm[29]。葉尖間隙設(shè)計(jì)即使考慮因素全面,由于在設(shè)計(jì)過程中一些壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算不準(zhǔn)確,加工和裝配一些偏差,會(huì)導(dǎo)致最終葉尖間隙偏離原先設(shè)計(jì),需要根據(jù)孔探和分解檢查結(jié)果進(jìn)行多次的迭代,商發(fā)公司的某型整機(jī),高壓壓氣機(jī)葉尖間隙即經(jīng)過了三個(gè)臺(tái)份的調(diào)整迭代。在結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)型發(fā)生改變時(shí),僅僅針對(duì)這些改變的構(gòu)型計(jì)算變形的差異,快速更新葉尖間隙的設(shè)計(jì)。篦齒間隙的設(shè)計(jì)與葉尖間隙類似,標(biāo)桿機(jī)型允許篦齒刮入蜂窩0.5～1 mm。

5.2 預(yù)防鈦火設(shè)計(jì)

鈦合金轉(zhuǎn)子葉片與鈦合金機(jī)匣或者靜子葉片進(jìn)行相互磨蹭時(shí),產(chǎn)生大量摩擦熱量,引起鈦合金燃燒。著火后極短時(shí)間之內(nèi),即能將鈦合金機(jī)匣燒穿。鈦合金葉片與鋼機(jī)匣嚴(yán)重磨蹭也能引起鈦著火,RB211-524發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)發(fā)生多起鈦著火問題。鈦合金著火,與通過它周圍空氣的壓力、溫度、速度等有關(guān),較高的壓力和溫度下,容易著火[30]。壓力越高,鈦合金能點(diǎn)燃的溫度將會(huì)低一些。高壓壓氣機(jī)前幾級(jí)流過的空氣壓力與溫度恰好落在易使鈦著火的參數(shù)范圍內(nèi),高壓壓氣機(jī)一定要關(guān)注防鈦火的設(shè)計(jì)。

針對(duì)鈦著火,設(shè)計(jì)時(shí)首先不要成對(duì)使用鈦合金,靜子機(jī)匣和靜子葉片設(shè)計(jì)成不銹鋼或高溫合金機(jī)匣,或者在鈦合金機(jī)匣內(nèi)設(shè)置不銹鋼隔離襯套并在機(jī)匣流道面噴涂阻燃可磨耗涂層[31],如PW4000高壓壓氣機(jī)第一級(jí)工作葉片對(duì)應(yīng)的機(jī)匣,多種原先使用鈦合金機(jī)匣的機(jī)型后來都改成了不銹鋼機(jī)匣,如CF6、CFM56等。其次,防止鈦轉(zhuǎn)子與靜子之間的嚴(yán)重刮磨,如轉(zhuǎn)子和機(jī)匣在工作過程中不發(fā)生大變形,零件不脫落產(chǎn)生大的不平衡量,鈦合金葉片不會(huì)脫落并卡滯在機(jī)匣處等。最后還需要開展充分的試驗(yàn)驗(yàn)證,獲得鈦合金葉片在運(yùn)行工況中的著火邊界[32]、喘振過程中的轉(zhuǎn)靜子軸向間隙變化、機(jī)匣的著火包容性等。

5.3 高可靠性設(shè)計(jì)

可靠性是民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo),影響發(fā)動(dòng)機(jī)的返修率、空停率和成本等,高壓壓氣機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初,必須要考慮部件的高可靠性設(shè)計(jì)。故障模式、影響與危害分析(failure mode effects and criticality analysis, FMECA)是可靠性設(shè)計(jì)的根本措施之一[33]。對(duì)高壓壓氣機(jī)各零組件進(jìn)行分層可靠性建模[34],對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行模式、影響及危害性分析,并針對(duì)分析的結(jié)果,采取相應(yīng)的措施。中國(guó)在軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域積累了一定的經(jīng)驗(yàn),但在民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究剛剛起步,故障模式積累和數(shù)據(jù)庫(kù)還未建立,這是高壓壓氣機(jī)高可靠性設(shè)計(jì)的一大難題。

結(jié)合商發(fā)公司在民機(jī)高壓壓氣機(jī)領(lǐng)域的初步研究,可靠性設(shè)計(jì)方面可以從幾個(gè)方面去完善提升。一是借鑒和調(diào)研,充分借鑒中國(guó)軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)在服役過程中出現(xiàn)的可靠性相關(guān)問題和解決措施,通過文獻(xiàn)調(diào)研國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)可靠性相關(guān)問題,走訪航空公司和維修單位,對(duì)民機(jī)高壓壓氣機(jī)的故障和解決措施進(jìn)行收集,歸納整理。二是采用系統(tǒng)工程正向設(shè)計(jì)的思路,充分識(shí)別高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的需求,識(shí)別運(yùn)行場(chǎng)景,利益相關(guān)方的需求,落入到設(shè)計(jì)中并進(jìn)行充分驗(yàn)證。三是成熟設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的新技術(shù)設(shè)計(jì)原則,大量采用現(xiàn)役先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的成熟結(jié)構(gòu)方案,簡(jiǎn)化零件結(jié)構(gòu)[35],減少零件數(shù)量,采用經(jīng)過大量試驗(yàn)驗(yàn)證的新技術(shù),提高可靠性,如早期采用盤片分離螺栓連接的轉(zhuǎn)子組件結(jié)構(gòu)形式,零件多,制造和裝配復(fù)雜,經(jīng)過設(shè)計(jì)改進(jìn)和工藝攻關(guān),目前先進(jìn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)都采用了焊接一體的盤鼓結(jié)構(gòu),減少了大量零件,顯著提高了結(jié)構(gòu)可靠性。四是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命,疲勞破壞是結(jié)構(gòu)件失效的重要模式,選用合適的壽命預(yù)測(cè)方法和材料疲勞參數(shù)是關(guān)鍵,開槽、開孔等缺口構(gòu)件存在局部的應(yīng)力、應(yīng)變集中,即使承受小的應(yīng)力也會(huì)發(fā)生塑性變形,在循環(huán)載荷作用下,導(dǎo)致裂紋萌生,進(jìn)一步構(gòu)件會(huì)斷裂失效[36]。

5.4 性能與成本平衡

高壓壓氣機(jī)的發(fā)展離不開先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,如復(fù)合彎掠葉型設(shè)計(jì)、整體葉盤以及整體靜子葉環(huán)結(jié)構(gòu)特征等。然而新技術(shù)的應(yīng)用,會(huì)導(dǎo)致其全壽命周期費(fèi)用攀升。復(fù)雜葉型會(huì)增加加工難度,帶來制造成本的增加;整體葉盤、整體葉環(huán)不但制造成本高,后續(xù)使用過程中,也會(huì)因?yàn)樾迯?fù)技術(shù)的發(fā)展滯后,出現(xiàn)“只換不修”的現(xiàn)象,帶來維護(hù)成本的大幅攀升。

因此,高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中,在保證性能的同時(shí)也要充分考慮其經(jīng)濟(jì)性和成本,確保全壽命周期內(nèi)成本可控[37-38]。例如,控制整體葉盤使用級(jí)數(shù);基于當(dāng)前整體葉盤修復(fù)技術(shù)滯后現(xiàn)狀,最容易受外物損傷的進(jìn)口級(jí)采用盤片分離結(jié)構(gòu);針對(duì)性能影響較小的靜子葉環(huán),由常規(guī)的整體鍛造加工調(diào)整為鈑金釬焊工藝生產(chǎn);葉片葉型控制基于采用無余量精鍛工藝加工方式進(jìn)行要求等。

6 結(jié)語(yǔ)

高壓壓氣機(jī)作為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件,追求高性能、高可靠性、低成本等,涉及氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、傳熱、材料、工藝等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域,技術(shù)難度極高。中國(guó)在民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)薄弱,無成熟經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累。尤其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),是在大量的、長(zhǎng)期的產(chǎn)品運(yùn)行和不斷改進(jìn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高可靠性的設(shè)計(jì)特征,研發(fā)起步階段有必要去借鑒和參考標(biāo)桿機(jī)型高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)特征。對(duì)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征進(jìn)行了分析,包括結(jié)構(gòu)總體布局、支承傳力、轉(zhuǎn)靜子典型結(jié)構(gòu)特征和選材,提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和建議措施,期望為國(guó)內(nèi)大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供些許參考和幫助。