航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片定位分析

鄧?yán)? 劉強(qiáng)軍 謝強(qiáng)

摘 要：通過對(duì)某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片不同工況變形特性分析，總結(jié)其變形特點(diǎn)及定位需求。通過對(duì)比國內(nèi)外典型高壓渦輪導(dǎo)向葉片定位結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片與連接結(jié)構(gòu)件的變形特性、導(dǎo)向葉片組件密封效率、連接件傳力路徑和葉片自由度預(yù)留及熱膨脹裕度等定位控制要素進(jìn)行總結(jié)，分析結(jié)果可作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)向葉片定位設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)向葉片;定位;密封;變形

中圖分類號(hào)：V232.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）10-0107-03

0引言

現(xiàn)代軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)性能的極致追求，使得高壓渦輪導(dǎo)向葉片工作環(huán)境日益惡劣。某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片在最大工作狀態(tài)下徑向伸長量可達(dá)0.8mm，葉片定位點(diǎn)需提供良好剛度，同時(shí)需為葉片預(yù)留膨脹空間，并且應(yīng)當(dāng)控制定位接觸面燃?xì)庑孤叮B接件燃?xì)庑孤睹吭黾?%，渦輪級(jí)效率將損失0.6%～0.9%，發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失0.8%[1]。在結(jié)構(gòu)上還應(yīng)當(dāng)控制高壓渦輪導(dǎo)葉在工作中的穩(wěn)定性和可靠性。矛盾的設(shè)計(jì)需求導(dǎo)致渦輪導(dǎo)向葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)中的定位一直以來都是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)。

1高壓渦輪導(dǎo)向葉片變形特性分析

在飛機(jī)一個(gè)飛行循環(huán)中，巡航狀態(tài)為導(dǎo)向葉片長時(shí)工作狀態(tài)，工作溫度1100K～1400K，在飛機(jī)做快速爬升等機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)燃燒室出口溫度可達(dá)1800K～2200K，高壓渦輪導(dǎo)向葉片工作環(huán)境的大溫差導(dǎo)致熱變形量較大且復(fù)雜，這使其冷熱態(tài)定位設(shè)計(jì)具有一定難度。

1.1 典型高壓渦輪導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的級(jí)效率，減少導(dǎo)葉緣板間的漏氣損失，采用了雙聯(lián)導(dǎo)葉、三聯(lián)導(dǎo)葉和多聯(lián)導(dǎo)葉[2]。而在高壓渦輪導(dǎo)向器上雙聯(lián)葉片應(yīng)用最為廣泛。為形成完整流道，雙聯(lián)整鑄葉片通常都設(shè)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(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)定位渦輪導(dǎo)向葉片的主要手段。通常緣板結(jié)構(gòu)具有多樣性，不同的裝配接觸面可以約束多個(gè)方向的自由度。典型渦輪高壓渦輪導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1.1典型高壓渦輪變形分析

高壓渦輪導(dǎo)向葉片在工作過程中主要受燃?xì)鉀_擊所產(chǎn)生的周向力和熱應(yīng)力，在熱態(tài)工況下軸向、周向和徑向方向都會(huì)存在熱膨脹，相對(duì)而言，導(dǎo)葉葉身溫度較高，上下緣板溫度較低，因此導(dǎo)葉整體的熱膨脹是不均勻的?，F(xiàn)以典型渦輪導(dǎo)向葉片為例，設(shè)A、B、C、D四個(gè)變形特征點(diǎn)，如圖2所示。在溫度載荷和氣動(dòng)載荷下，利用Ansys軟件對(duì)葉片不同工況下的變形進(jìn)行分析。

A、B、C、D四個(gè)變形特征點(diǎn)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(tài)葉片最大變形量發(fā)生在A處△=0.764mm，故在葉片定位設(shè)計(jì)中在滿足約束可靠性和穩(wěn)定性的同時(shí)需考慮釋放葉片變形。

1.1.2高壓渦輪導(dǎo)向葉片定位設(shè)計(jì)

通常情況下高壓渦輪導(dǎo)向葉片的定位有兩條傳力路徑，外端通過主燃燒室外機(jī)匣傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)主安裝節(jié)，內(nèi)端通過燃燒室火焰筒傳遞到壓氣機(jī)靜子，再由壓氣機(jī)靜子傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)主安裝節(jié)，導(dǎo)葉的定位框架均在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)。典型高壓渦輪導(dǎo)葉傳力路徑如圖3所示。

1.1.3渦輪導(dǎo)向葉片定位原則

任何定位框架的設(shè)計(jì)必須保證零件的特定工作要求，定位框架的外部或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致阻礙零件在任何工況下的凸起、運(yùn)動(dòng)[4]。

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

實(shí)際上，渦輪導(dǎo)向葉片工作環(huán)境復(fù)雜，通常對(duì)單個(gè)支撐點(diǎn)自由度上采用欠約束，對(duì)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(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響范圍大，內(nèi)力分布比較均勻，內(nèi)力峰值較小。由于有多余約束，載荷作用下的結(jié)構(gòu)變形要受到多余約束的進(jìn)一步限制，結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)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(diǎn)，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(dòng)力，同時(shí)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(jù)1.1節(jié)高壓渦輪導(dǎo)向葉片變形特點(diǎn)，輔助定位考慮到葉片最大變形處的自由伸長量。

1.2 國內(nèi)外導(dǎo)葉典型定位設(shè)計(jì)分析

1.2.1俄系高壓渦輪導(dǎo)向葉片定位

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

導(dǎo)葉的周向定位依靠的是導(dǎo)葉與固定環(huán)的連接方式，在導(dǎo)葉與固定環(huán)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(huán)和導(dǎo)葉上緣存在配合關(guān)系，從而在周向方向上將導(dǎo)葉進(jìn)行定位。

在軸向定位上，導(dǎo)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(huán)后端和外機(jī)匣接觸，限制了導(dǎo)葉和固定環(huán)這一整體部件的向后移動(dòng)。導(dǎo)葉的下端存在前后兩個(gè)安裝邊，前安裝邊直接與內(nèi)機(jī)匣接觸，限制導(dǎo)葉的前移;后安裝邊通過封嚴(yán)繩與內(nèi)機(jī)匣接觸，與導(dǎo)葉上端的固定環(huán)一起限制導(dǎo)葉的后移。

在熱態(tài)工況下，導(dǎo)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(dǎo)葉上端與固定環(huán)之間，由于前兩排連接螺栓中，只有前排通過襯套將兩者進(jìn)行配合定位，而后排螺栓與固定環(huán)的螺栓孔之間是存在足夠的間隙的，因此導(dǎo)葉與固定環(huán)之間的熱膨脹不均勻量可以被吸收，不至于產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力;導(dǎo)葉下端的前后安裝邊都與內(nèi)機(jī)匣接觸，其中后端是通過封嚴(yán)繩間接接觸內(nèi)機(jī)匣的，其與機(jī)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(shè)計(jì)得相對(duì)較薄，可以在一定程度上減小熱應(yīng)力。

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，對(duì)于徑向的連接而言可靠性很高。軸向的定位由于導(dǎo)葉的上下端都有參與，因此可靠性有保證，導(dǎo)葉下端是兩個(gè)間隔較遠(yuǎn)的前后安裝邊來分別抑制導(dǎo)葉的前移和后移，從而在結(jié)構(gòu)上也有利于限制導(dǎo)葉的前后擺動(dòng)。

1.2.2美系高壓渦輪導(dǎo)向葉片定位

美式高壓渦輪導(dǎo)葉的徑向定位通常采用的是下端固定，上端自由伸縮的設(shè)計(jì)，如圖6、圖7所示。這種設(shè)計(jì)在美系發(fā)動(dòng)機(jī)中比較常見，如CFM系列、PW4000。

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

在導(dǎo)葉上緣板還安裝有整環(huán)結(jié)構(gòu)的外支撐環(huán)，在外支撐環(huán)和導(dǎo)葉上緣板安裝邊之間設(shè)計(jì)了整環(huán)的凹槽、凸臺(tái)結(jié)構(gòu)來限制導(dǎo)葉的周向位移，因此導(dǎo)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(dǎo)葉下安裝邊與內(nèi)支承進(jìn)行固定和定位，但徑向受燃?xì)鉀_擊較小，因而可靠性方面問題也不大。在熱態(tài)工況下如前所述，導(dǎo)葉的下端安裝邊固定于內(nèi)機(jī)匣上，熱膨脹時(shí)整體呈向上自由伸長的趨勢(shì)。而x→方向上，由于導(dǎo)葉下緣板的安裝邊大致處于導(dǎo)葉軸向的中間位置，所以導(dǎo)葉向前后兩個(gè)方向都會(huì)有比較明顯的熱膨脹，導(dǎo)葉的緣板前緣裝有內(nèi)、外掛環(huán)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(dǎo)葉緣板后部連接的外支撐環(huán)本身設(shè)計(jì)有彈性結(jié)構(gòu)，其剛度在周向較強(qiáng)而軸向較弱，也可以滿足導(dǎo)葉向后膨脹的需要。

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(nèi)支承的接觸面來傳遞。而導(dǎo)葉的軸向擺動(dòng)則通過內(nèi)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(jié)構(gòu)的可靠性。其在熱態(tài)工況下，外支撐環(huán)的后端會(huì)與低壓外機(jī)匣直接接觸，從而給導(dǎo)葉提供更好的軸向支撐。

1.3定位封嚴(yán)設(shè)計(jì)分析

1.3.1導(dǎo)葉的擺動(dòng)引起的泄露

導(dǎo)向葉片上下緣板與燃燒室筒體內(nèi)外壁相連，燃燒室內(nèi)外壁為薄壁件，隨溫度升高變形量大，且在發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下由于燃燒室內(nèi)外壁相對(duì)長度及所處溫度場(chǎng)有一定波動(dòng)，內(nèi)外壁伸長量不一致，導(dǎo)致葉片上下緣板輔助支點(diǎn)繞主定位點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，影響葉片定位接觸面貼合狀態(tài)。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(fēng)險(xiǎn)。

1.3.2上下緣板間間隙、轉(zhuǎn)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(yù)留周向間隙，利用封嚴(yán)片封嚴(yán)。

對(duì)葉片上端固定下端自由膨脹的定位方法，下緣板應(yīng)保留足夠的緣板件間間隙，避免葉片擠壓變形，同時(shí)還應(yīng)控制導(dǎo)葉和動(dòng)葉徑向間隙，避免轉(zhuǎn)靜子碰磨。對(duì)葉片下端固定上端自由膨脹的定位方法，導(dǎo)葉下緣板相對(duì)固定，與動(dòng)葉間隙只需考慮轉(zhuǎn)子伸長。

1.3.3葉片躥動(dòng)泄露

葉片輔助定位面相對(duì)躥動(dòng)，接觸面之間存在相對(duì)間隙，具有漏氣風(fēng)險(xiǎn)。常用的躥動(dòng)密封設(shè)計(jì)如圖10所示。

封嚴(yán)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(huì)大幅衰退。

直接接觸密封，密封性能較差，但能夠長時(shí)間保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

2結(jié)語

本文根據(jù)高壓渦輪導(dǎo)向葉片的變形特性，分析了導(dǎo)葉的定位原則，通過對(duì)比分析不同導(dǎo)葉定位方式，總結(jié)了導(dǎo)葉定位的原則，分析了導(dǎo)葉定位封嚴(yán)的方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳光.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2] 劉長福，鄧明.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

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

[4] 王俊才，何愛杰，劉明剛.四種雙聯(lián)氣冷渦輪導(dǎo)向葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，1999（2）：47-51.

[5] 胡鵬浩，費(fèi)業(yè)泰.六點(diǎn)定位法則的正確理解與應(yīng)用[J].工具技術(shù)，1999（1）：24-26.

[6] 王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.