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大涵道比涡扇发动机低压涡轮间隙分析与设计

发表时间: 2015-10-28  作者: 张清  郝勇  张大义  刘宝龙  洪杰  
航空发动机涡轮叶尖间隙的准确分析与合理设计对改善发动机性能有重要意义。对叶尖间隙的影响因素进行了详细分析,并指出在总体结构初步设计中,涡轮叶尖间隙分析和设计需要重点考虑的载荷因素;给出采用NX NASTRAN进行间隙计算的求解方法和详细步骤;以某大涵道比发动机低压涡轮的间隙分析为例,给出详细的求解过程,求解得到低压涡轮在地面起飞状态等8个工况下间隙变化值为-0.4~1.lmm,并指出间隙初始值的确定应当主要考虑设计点状态、起飞状态和地面慢车状态。

    涡轮叶尖间隙的合理设计对发动机的效率与安全性具有重要的影响。据估算1台先进的双转子涡轮发动机,其径向间隙若增加1mm,涡轮效率降低约2.5%,这将引起发动机耗油率增加约2.6%。因此在方案设计中,应尽量减小涡轮叶尖初始间隙的设计值,但初始间隙过小时,机动飞行与通过临界转速以及振动过大等状态下将引起间隙丧失,以致发生转、静子之间的碰摩,进而改变转子的动力特性甚至引起部件损坏.发生故障。就寿命周期费用而言,在运输机/民航机上通过减小涡轮叶尖间隙所获得的效益又是战斗机的2倍。可见,针对大涵道比涡扇发动机开展涡轮叶尖间隙的计算分析与设计工作具有重要工程意义。

    本文对叶尖间隙的影响因素进行详细分析,并指出在总体结构初步设计中,涡轮叶尖间隙分析和设计是需要重点考虑的载荷因素;给出采用NX NASTRAN进行间隙计算的求解方法和详细步骤;以某型大涵道比涡扇发动机低压涡轮的间隙分析为例,给出详细的求解过程和计算结果,并给出地面起飞状态等8个工况下叶尖间隙变化范围和变化趋势,指出间隙设计中应重点考虑的工况。

1 叶尖间隙影响因素

    叶尖径向间隙的设计是一项系统而又专业的综合设计工作,它涉及发动机结构的多个部分,同时又受到多种因素影响。

    由于发动机的叶尖间隙变化由初始装配状态以及工作中的静子变形、转子变形共同决定,见式(1),因此需要分别对可能引起静子、转子变形的力学因素进行全面分析。

          (1)

    式中:R0为初始叶尖间隙设计值;VRC、VRb、VRd分别为机匣、叶片及轮盘的径向位移。

1.1 静子变形影响因素

    引起静子变形的载荷主要为稳态载荷。

    (1)温度载荷:在各种工作状态下,温度载荷将引起机匣零、部件的热膨胀和变形。尤其是高压压气机机匣和涡轮机匣,这种变形是影响径向间隙十分重要的因素。

    (2)气动载荷:某些机匣组件内外壁气动载荷压力差较大时,将使机匣存在一定的膨胀变形。

    (3)机动飞行载荷:由于机动载荷以及不对称的安装节反作用力会使航空发动机机匣造成椭圆变形,椭圆变形程度主要取决于静子结构的周向比刚度。椭圆变形也会影响包括燃油、滑油和液压管路等外部附件,这些附件必须在它们的支撑位置之间承受相对挠度。这些机动载荷与振动载荷相比,其变化是很缓慢的,可以作用稳态载荷处理。

    (4)其他载荷:发动机自重、阵风载荷以及其他未知因素引起的机匣变形。

1.2 转子变形影响因素

    引起转子变形的载荷分为稳态载荷和振动载荷。

1.2.1 稳态载荷

    (1)温度载荷:在各种工作状态下,温度载荷引起叶片和轮盘的热变形。

    (2)离心载荷:叶片和轮盘在离心力作用下的径向伸长,在高速旋转机械中变形很大,也是影响径向间隙的重要因素。

    (3)机动飞行载荷:是飞机在机动飞行过程中,由于转子的惯性和陀螺效应,发动机内部产生的载荷。陀螺效应使转子在支承位置承受力偶作用,进而产生弯曲变形。

    (4)其他载荷:发动机自重引起的转子弯曲变形、气动载荷引起轴向变形带来的径向位移分量、非轴对称热膨胀带来的转子弯曲等。

 

责任编辑:郝秋红