高結(jié)構(gòu)效率多功能復(fù)合渦輪導(dǎo)向器支承機(jī)匣一體化設(shè)計(jì)

成文娟 付猛 宋石平

摘 要：零件數(shù)量多少是發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的重要指標(biāo)，而一體化設(shè)計(jì)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的有效方法，本文詳細(xì)介紹了高結(jié)構(gòu)效率多功能復(fù)合渦輪導(dǎo)向器支承機(jī)匣的一體化設(shè)計(jì)方法，分析了低壓渦輪導(dǎo)向器、軸承座、供油環(huán)、進(jìn)回油管以及部分封嚴(yán)件和連接緊固件集成為一個(gè)級(jí)間支承機(jī)匣的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)對(duì)上述零件的集成，有效的減少了零件的數(shù)量，同時(shí)也解決了軸承座漏油的問(wèn)題，極大的提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

關(guān)鍵詞：零件數(shù)量；機(jī)匣；一體化

中圖分類(lèi)號(hào)：V235.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）11-0105-03

零件數(shù)量多少是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo)之一，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)得越復(fù)雜，零件數(shù)目越多，就越容易出問(wèn)題。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，同時(shí)也為了簡(jiǎn)化維修工作，應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)值，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)目[1]。國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)洪杰教授[2]對(duì)高結(jié)構(gòu)效率的斜流壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索性研究。隨著制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，渦輪導(dǎo)向器、支承機(jī)匣及軸承座通過(guò)集成化設(shè)計(jì)減少零件數(shù)量、減少零部件之間的連接和密封件，達(dá)到減小體積、減輕重量的目的已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪級(jí)間支承設(shè)計(jì)的一個(gè)主要發(fā)展方向。

結(jié)構(gòu)效率是反映給定結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中對(duì)環(huán)境/條件綜合適應(yīng)能力的定量表征，其本質(zhì)是定量描述結(jié)構(gòu)幾何特征和結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)變化對(duì)其結(jié)構(gòu)的承載能力、抗變形能力和動(dòng)力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力的影響[3]。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)工程設(shè)計(jì)中，渦輪導(dǎo)向器支承機(jī)匣采用了低壓渦輪一級(jí)導(dǎo)向器與軸承座、供油環(huán)、部分密封件和連接件集成化設(shè)計(jì)的思路和方法，取消部分封嚴(yán)件和連接緊固件，使得整個(gè)過(guò)渡段之間的零件連成一體，大大減少了零件的數(shù)量，提高了裝配工藝性，集成后的機(jī)匣既有導(dǎo)向器的功能，又有承力、供油、密封、支承的功能，同時(shí)有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。

1 設(shè)計(jì)要求

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向器支承機(jī)匣的主要功能是提供連接高壓渦輪出口與低壓渦輪進(jìn)口的氣流通道，將來(lái)燃?xì)鈱?dǎo)向并加速以滿足低壓渦輪轉(zhuǎn)子要求；同時(shí)渦輪級(jí)間支承結(jié)構(gòu)為高壓渦輪后支點(diǎn)和低壓渦輪前支點(diǎn)提供支承，也實(shí)現(xiàn)了為軸承腔提供潤(rùn)滑、封嚴(yán)氣的功能。

對(duì)渦輪導(dǎo)向器支承機(jī)匣的主要技術(shù)要求是過(guò)渡段與低壓渦輪一導(dǎo)向器設(shè)計(jì)為一體化；在高壓渦輪與低壓渦輪流道之間設(shè)置一段過(guò)渡段，在過(guò)渡段內(nèi)環(huán)安裝軸承座同時(shí)為高壓渦輪與低壓渦輪提供軸承支點(diǎn)，并形成共用的軸承腔，同時(shí)也在過(guò)渡段機(jī)匣上設(shè)置支板用于布置共用軸承腔的滑油系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等。

2 渦輪導(dǎo)向器支承機(jī)匣設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)效率評(píng)估是反映結(jié)構(gòu)在給定的工作環(huán)境中對(duì)質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度和變形等方面要求綜合優(yōu)化的程度，包括以下兩方面：（1）結(jié)構(gòu)的承載能力，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)載荷作用下尋優(yōu)的應(yīng)力分布狀態(tài)；（2）結(jié)構(gòu)的抗變形能力：反映通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度控制結(jié)構(gòu)的變形，在極限載荷作用下尋優(yōu)最強(qiáng)的剛度特性。

2.1 支承機(jī)匣設(shè)計(jì)

集成前的級(jí)間支承零件數(shù)多，共有50多個(gè)零件，見(jiàn)圖1，裝配性差，用于確保裝配性能所需耗費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)。為解決裝配工藝性差的問(wèn)題，集成后的支承機(jī)匣將低壓渦輪一級(jí)導(dǎo)向器、軸承座、進(jìn)回油管、供油環(huán)、軸承座前擋板進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖2，取消了部分封嚴(yán)件和連接緊固件。

（1）零件外部為連接燃燒室和排氣段的筒狀機(jī)匣，中間為帶導(dǎo)向葉片的一體化過(guò)渡段，為減少熱輻射，在過(guò)渡段與軸承座之間設(shè)置了隔熱屏，采用波浪形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整波浪形結(jié)構(gòu)的剛度，可以有效控制過(guò)渡段和軸承座之間的局部變形。

（2）零件外部機(jī)匣和內(nèi)部軸承座溫度較低，而中間過(guò)渡段處于燃?xì)猸h(huán)境中，溫度高，整個(gè)零件溫度梯度大，熱應(yīng)力分布極不均勻，為此在外部機(jī)匣與過(guò)渡段之間設(shè)置一段回彎結(jié)構(gòu)，在過(guò)渡段與軸承座之間設(shè)置了“Z”字形連接結(jié)構(gòu)，以補(bǔ)償三部分之間的變形，減少熱應(yīng)力，降低應(yīng)力集中系數(shù)，提高材料使用率，進(jìn)而降低機(jī)匣質(zhì)量。

（3）進(jìn)、回油管采用異型油管的設(shè)計(jì)，充分利用導(dǎo)向葉片的內(nèi)部空間。其設(shè)計(jì)集導(dǎo)向器和承力機(jī)匣為一體，既有導(dǎo)向器的功能，又起到承力的作用，集成后的機(jī)匣既有導(dǎo)向器的功能，又有承力、供油、密封、支承的功能，不僅能減輕渦輪重量，同時(shí)提高了可靠性，大大降低了制造成本。

2.2 大葉片葉型優(yōu)化及內(nèi)部管路設(shè)計(jì)

集成前的低壓渦輪一級(jí)導(dǎo)向器大葉片采用沿葉高等截面葉型設(shè)計(jì)，葉片前緣半徑大，見(jiàn)圖3，這保證了進(jìn)、回油管可以穿過(guò)大葉片進(jìn)行安裝，同時(shí)還具有足夠的回油面積，但這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致葉型氣動(dòng)損失較大，性能降低；集成后的機(jī)匣考慮將油管與導(dǎo)向器葉片集成設(shè)計(jì)，使得油管和葉片成為一體，油管與葉片位置可以保持固定，且無(wú)需再裝進(jìn)取出，該大葉片葉型可以設(shè)計(jì)成更薄，大葉片氣動(dòng)損失可以減少2%，見(jiàn)圖4。

2.3 空氣系統(tǒng)流路設(shè)計(jì)

離心壓氣機(jī)葉罩處的冷氣經(jīng)外部管路進(jìn)入級(jí)間支承引氣管，一部分氣從引氣管上的兩孔進(jìn)入承力機(jī)匣環(huán)腔，少量的用于排氣機(jī)匣和低壓二級(jí)導(dǎo)向器的冷卻，其余大部分通過(guò)大葉片與進(jìn)回油管、引氣管之間的縫隙進(jìn)入過(guò)渡段與隔熱屏之間的環(huán)腔，再?gòu)目着懦?，?duì)過(guò)渡段與低壓一級(jí)轉(zhuǎn)子之間的主流道進(jìn)行封嚴(yán)，此外，這一部分氣體還可對(duì)油管進(jìn)行冷卻。引氣管內(nèi)另一部分氣體通過(guò)引氣管直接進(jìn)入支承機(jī)匣外環(huán)腔，使軸承座處于冷氣包裹下，對(duì)級(jí)間軸承座進(jìn)行保護(hù)，然后經(jīng)小孔至低壓渦輪一級(jí)轉(zhuǎn)子前篦齒環(huán)腔，對(duì)軸承腔進(jìn)行封嚴(yán)，見(jiàn)圖5。

2.4 滑油系統(tǒng)流路設(shè)計(jì)

集成后的渦輪導(dǎo)向器支承機(jī)匣滑油系統(tǒng)流路結(jié)構(gòu)與集成前的結(jié)構(gòu)差異不大，由于3D打印的工藝限制相對(duì)較少，同時(shí)機(jī)匣底部設(shè)計(jì)了回油池，保證在大姿態(tài)下回油順暢?；拖到y(tǒng)流路見(jiàn)圖6。

機(jī)匣上設(shè)計(jì)有一個(gè)半圓形的環(huán)腔，滑油通過(guò)進(jìn)油管進(jìn)入環(huán)腔后通過(guò)噴嘴孔對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，然后經(jīng)過(guò)機(jī)匣下方的方槽漏入底部回油池，從回油管流出。

3 強(qiáng)度計(jì)算

3.1 計(jì)算方法及軟件

采用UG建立計(jì)算用實(shí)體模型，采用ANSYS進(jìn)行有限元前、后處理和有限元分析。

3.2 網(wǎng)格化分

取整個(gè)級(jí)間支承為計(jì)算模型，采用十節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分有688548個(gè)單元，1280678個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖7。

3.3 邊界條件

約束了圖7所示A面的周向位移和軸向位移。

3.4 載荷施加

（1）壓力載荷以面壓力形式施加在葉片上；

（2）溫度載荷以節(jié)點(diǎn)溫度形式施加在整個(gè)模型上；

（3）內(nèi)排氣機(jī)匣組件慣性載荷以集中力形式施加在安裝邊上，4#軸承支撐慣性載荷以集中力形式施加在軸承安裝面上。

3.5 計(jì)算結(jié)果及強(qiáng)度校核

通過(guò)計(jì)算分析可知，見(jiàn)圖8，在給定的載荷作用下，零件外部機(jī)匣與過(guò)渡段之間設(shè)置的回彎結(jié)構(gòu)，在過(guò)渡段與軸承座之間設(shè)置的“Z”字形連接結(jié)構(gòu)，均使整個(gè)零件的溫度梯度大大降低，三部分之間的熱變形得到了補(bǔ)償，應(yīng)力分布更加均勻，材料使用率進(jìn)一步提高，機(jī)匣質(zhì)量降低，渦輪導(dǎo)向器支承機(jī)匣靜強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文工作只是將低壓渦輪導(dǎo)向器、軸承座、供油環(huán)、進(jìn)回油管以及部分封嚴(yán)件和連接緊固件進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，有效的減少了零件的數(shù)量，同時(shí)解決了軸承座漏油的問(wèn)題，極大的提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，但并未開(kāi)展細(xì)節(jié)上的拓?fù)鋬?yōu)化工作，尤其在導(dǎo)向器和軸承座結(jié)構(gòu)過(guò)渡設(shè)計(jì)方面還有很大的質(zhì)量減輕空間，可進(jìn)一步開(kāi)展結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)工作，提高結(jié)構(gòu)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).航空工業(yè)出版社，2000.

[2] 張大義，洪杰，馬艷紅，梁智超.高結(jié)構(gòu)效率的斜流壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2013，28（4）：867-871.

[3] 馬艷紅，陳璐璐，張大義，洪杰.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)效率評(píng)估參數(shù)及計(jì)算方法[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2013，28（7）：1599-1606.