張 巖，蔣琇琇，印雪梅，王 華

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

隨著航空工業(yè)和運輸業(yè)的發(fā)展，在大涵道比渦扇發(fā)動機設(shè)計制造上的競爭日益激烈，國外制造公司開發(fā)了系列發(fā)動機供飛機選擇，大涵道比渦扇發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展都有較好的系統(tǒng)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(fā)動機需求，國外制定了大量的技術(shù)發(fā)展計劃，旨在提高發(fā)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(yīng)用和推廣，同時也建立起成熟的風(fēng)扇及壓氣機設(shè)計體系，成為各大公司最寶貴的財富，是產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)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(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動機的研制。隨著航空發(fā)動機和燃?xì)廨啓C國家重大科技專項立項，“兩機”專項被列為國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃百個重點發(fā)展項目的首位，大涵道比渦扇發(fā)動機的研制面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)，充分利用已有研制基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)化應(yīng)用研制成果，堅持自主創(chuàng)新，掌握知識產(chǎn)權(quán)，突破主要關(guān)鍵技術(shù)，解決技術(shù)落后的被動局面，努力形成軍、民用大涵道比渦扇發(fā)動機獨立而完善的發(fā)展體系[3]。為適應(yīng)未來大涵道比渦扇發(fā)動機更經(jīng)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(shù)提高其部件性能，通過開展必要的部件試驗進(jìn)行充分驗證，以期具備工程應(yīng)用條件。

本文介紹了某大涵道比渦扇發(fā)動機風(fēng)扇/增壓級性能試驗件設(shè)計及試驗驗證工作，為中國大涵道比發(fā)動機研制提供了技術(shù)支持。

1 設(shè)計技術(shù)指標(biāo)

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

2 試驗件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)布局

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

試驗件在試驗器上采用懸臂結(jié)構(gòu)安裝，即整個試驗件由排氣機匣與試驗器排氣設(shè)備連接，前段通過進(jìn)氣機匣與試驗器進(jìn)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(zhuǎn)子總的軸向力由前支點滾珠軸承承受，軸向負(fù)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(jié)構(gòu)

2.2 支撐方案設(shè)計

試驗件轉(zhuǎn)子支撐方案根據(jù)部件結(jié)構(gòu)形式、壓氣機級數(shù)和氣動流路等設(shè)計特征分析其對結(jié)構(gòu)質(zhì)量、葉尖間隙、轉(zhuǎn)子動力學(xué)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(zhuǎn)子盤腔內(nèi)，后支點滾棒軸承布置在中介機匣內(nèi)。加大前、后支點跨距至260 mm，使前支點盡量靠近風(fēng)扇輪盤，利于風(fēng)扇葉片葉間間隙保持和滿足臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計要求。

圖2 風(fēng)扇部件結(jié)構(gòu)

2.3 轉(zhuǎn)子部件設(shè)計

2.3.1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子部件

風(fēng)扇部件由整流帽罩、風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片、風(fēng)扇輪盤、風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(shè)置連接孔，通過螺栓安

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

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

圖3 圓弧形榫頭結(jié)構(gòu)

圖4 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子流路板裝配

為進(jìn)一步減小榫頭部位的負(fù)荷，減少主流區(qū)空氣泄漏量，抑制風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片振動，設(shè)置新型單元零件風(fēng)扇轉(zhuǎn)子流路板（如圖4所示），與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片交替排列，替代傳統(tǒng)的風(fēng)扇葉片緣板，構(gòu)成發(fā)動機流路，在側(cè)面粘貼橡膠膠條，與風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片接觸減振[8]。

2.3.2 增壓級轉(zhuǎn)子部件

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

在各級輪盤前、后設(shè)置封嚴(yán)篦齒，與靜子內(nèi)環(huán)配合實現(xiàn)級間封嚴(yán)，設(shè)置鋼絲環(huán)槽，與葉片配合實現(xiàn)榫頭封嚴(yán)；葉片與輪盤采用周向燕尾形榫連結(jié)構(gòu)，鎖緊塊結(jié)構(gòu)對葉片周向鎖緊[9]，節(jié)省結(jié)構(gòu)空間，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片單獨更換

圖5 增壓級轉(zhuǎn)子部件結(jié)構(gòu)

2.4 靜子部件設(shè)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(nèi)環(huán)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(huán)型結(jié)構(gòu)，通過螺栓連接，實現(xiàn)各級靜子可拆卸，滿足試驗件的測試/測量需求；轉(zhuǎn)子葉片對應(yīng)機匣內(nèi)壁設(shè)置可磨耗涂層，保證轉(zhuǎn)子葉片安全工作；靜子葉片上、下設(shè)置緣板，分別與靜子機匣及靜子內(nèi)環(huán)通過螺釘連接；各級靜子內(nèi)環(huán)設(shè)置可磨耗涂層，與輪盤篦齒配合實現(xiàn)級間封嚴(yán)[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(fēng)扇軸組件、滾珠軸承、滾棒軸承、軸承機匣、封嚴(yán)環(huán)、封嚴(yán)篦齒等組成，如圖7所示。

圖6 增壓級靜子部件結(jié)構(gòu)

圖7 1、2支點部件結(jié)構(gòu)

滾珠軸承和滾棒軸承均裝配于風(fēng)扇軸，軸向通過螺母壓緊定位；考慮實際工作環(huán)境，采用噴射式供油方式，滾珠軸承設(shè)置2個噴油嘴，滾棒軸承設(shè)置1個噴油嘴；考慮封嚴(yán)效果和封嚴(yán)空間的影響，滾珠軸承腔采用篦齒封嚴(yán)，滾棒軸承腔采用螺旋加氣封封嚴(yán)[11]，滑油和密封氣均由試驗器供給，通過外接管路運輸?shù)较鄳?yīng)部件，實現(xiàn)相應(yīng)功能

2.4.3 外涵靜子部件

外涵靜子部件主要由進(jìn)氣機匣、風(fēng)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(huán)形結(jié)構(gòu)，通過螺栓連接，在外壁上相應(yīng)布置測試傳感器安裝接口，以滿足測量要求，進(jìn)、出口機匣依據(jù)試驗器接口尺寸設(shè)計；風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片對應(yīng)風(fēng)扇機匣內(nèi)壁設(shè)置可磨耗涂層，保證轉(zhuǎn)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(nèi)緣板與增壓級機匣搭接配合。

中介機匣為整體鑄造結(jié)構(gòu)（如圖9所示），是主要的承力部件，內(nèi)、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(xiàn)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(jù)空氣系統(tǒng)設(shè)計實際需求，布置相應(yīng)大小和數(shù)量卸荷孔，以降低轉(zhuǎn)子后腔壓力實現(xiàn)軸向力的調(diào)整。

圖8 外涵靜子部件結(jié)構(gòu)

圖9 中介機匣結(jié)構(gòu)

圖10 內(nèi)、外涵排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4.4 內(nèi)、外涵排氣系統(tǒng)

內(nèi)、外涵排氣系統(tǒng)主要由外涵內(nèi)壁組合件、內(nèi)涵外壁組合件和內(nèi)涵內(nèi)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(huán)形結(jié)構(gòu)形式；外涵內(nèi)壁組合件與出口機匣共同構(gòu)成外涵排氣流路，將外涵氣引入試驗器的外涵排氣蝸殼，內(nèi)涵外壁組合件和內(nèi)涵內(nèi)壁組合件共同構(gòu)成內(nèi)涵排氣流路，將內(nèi)涵氣引入試驗器的內(nèi)涵排氣蝸殼，實現(xiàn)內(nèi)、外涵分開排氣。

3 零件強度分析

3.1 臨界轉(zhuǎn)速分析

采用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Samcef/Rotor進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速計算，考慮受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)引起的陀螺效應(yīng)的影響[12-13]，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片及風(fēng)扇輪盤材料采用TC4鈦合金，增壓級轉(zhuǎn)子葉片、增壓級輪盤、風(fēng)扇軸及傳動軸材料采用1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼， 依據(jù)設(shè)計經(jīng)驗選取試驗件轉(zhuǎn)子系統(tǒng)柔度，建立試驗件支承系統(tǒng)轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析模型，如圖11所示。

分析結(jié)果顯示：第1階臨界轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前端俯仰型，第2階臨界轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前后俯仰型，應(yīng)變能較小，且試驗件在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不存在臨界轉(zhuǎn)速，各階臨界轉(zhuǎn)速相對工作轉(zhuǎn)速裕度較大，滿足設(shè)計規(guī)范要求。前2階振動模態(tài)如圖12所示。

圖11 轉(zhuǎn)子有限元模型

圖12 前2階振動模態(tài)

3.2 主要零件強度分析

取試驗件運行最高轉(zhuǎn)速為強度設(shè)計轉(zhuǎn)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(fēng)扇/增壓級轉(zhuǎn)子葉片及輪盤、風(fēng)扇軸等部件進(jìn)行強度分析，結(jié)果分別如圖13～15所示。

圖13 轉(zhuǎn)子盤軸強度計算結(jié)果

分析結(jié)果顯示：風(fēng)扇/增壓級轉(zhuǎn)子滿足強度設(shè)計要求，零件變形協(xié)調(diào)，風(fēng)扇/增壓級轉(zhuǎn)子葉片滿足靜強度儲備要求，應(yīng)力分布均勻。

3.3 轉(zhuǎn)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(yīng)力分布，動頻計算時考慮離心負(fù)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(zhuǎn)速下各激振頻率與自振頻率裕度滿足規(guī)范要求，不會激起葉片振動。

圖14 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片徑向應(yīng)力分布

圖15 增壓級轉(zhuǎn)子葉片徑向應(yīng)力分布

4 試驗驗證

4.1 安全超轉(zhuǎn)試驗

對試驗件（如圖17所示）進(jìn)行安全超轉(zhuǎn)試驗，分解后對零件進(jìn)行無損檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，試驗件在安全超轉(zhuǎn)試驗前后尺寸變化量遠(yuǎn)小于設(shè)計要求，無有害變形，通過安全超轉(zhuǎn)試驗。

圖16 某級增壓級轉(zhuǎn)子葉片

圖17 試驗件實物裝配

4.2 性能試驗結(jié)果

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

圖18 性能試驗結(jié)果

從圖中可見，各狀態(tài)點的流量、壓比、效率和失速裕度達(dá)到或超過設(shè)計指標(biāo)。

4.3 振動監(jiān)測情況

受結(jié)構(gòu)空間限制，分別在風(fēng)扇機匣和中介機匣安裝邊處布置4支振動傳感器，用于監(jiān)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(jié)果如圖19所示。

圖19 試驗件振動測試結(jié)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(dāng)，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(rèn)為可能是因為風(fēng)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(jié)束語

本文闡述了大涵道比風(fēng)扇/增壓級試驗件技術(shù)特點，分析了試驗件各部件結(jié)構(gòu)特征，確立了總體結(jié)構(gòu)布局、支撐方案和轉(zhuǎn)、靜子部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計需求和要點，提出了滿足結(jié)構(gòu)方案可行性、結(jié)構(gòu)功能可靠性和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)有效性的具體實現(xiàn)方法，解決了寬弦風(fēng)扇葉片設(shè)計、圓弧榫連設(shè)計、軸承潤滑及密封設(shè)計等多項技術(shù)難點，完成了轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和主要零件強度及振動等分析工作，滿足強度規(guī)范要求。

試驗件順利通過了安全超轉(zhuǎn)試驗，完成了任務(wù)書規(guī)定的全部轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)錄取，過程中試驗件運行平穩(wěn)，整體振動水平較低，未出現(xiàn)異常情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得成功，性能達(dá)到或超過設(shè)計指標(biāo)。