航空发动机高压涡轮导向叶片定位分析

2020-10-27邓磊刘强军谢强

中国科技纵横 2020年10期

邓磊刘强军谢强

摘要：通过对某型航空发动机高压涡轮导向叶片不同工况变形特性分析，总结其变形特点及定位需求。通过对比国内外典型高压涡轮导向叶片定位结构，对发动机导向叶片与连接结构件的变形特性、导向叶片组件密封效率、连接件传力路径和叶片自由度预留及热膨胀裕度等定位控制要素进行总结，分析结果可作为航空发动机导向叶片定位设计参考。

关键词：导向叶片;定位;密封;变形

中图分类号：V232.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）10-0107-03

0引言

現代军用航空发动机对性能的极致追求，使得高压涡轮导向叶片工作环境日益恶劣。某型发动机高压涡轮导向叶片在最大工作状态下径向伸长量可达0.8mm，叶片定位点需提供良好刚度，同时需为叶片预留膨胀空间，并且应当控制定位接触面燃气泄露，连接件燃气泄露每增加1%，涡轮级效率将损失0.6%～0.9%，发动机推力损失0.8%[1]。在结构上还应当控制高压涡轮导叶在工作中的稳定性和可靠性。矛盾的设计需求导致涡轮导向叶片在发动机中的定位一直以来都是结构设计的技术难点。

1高压涡轮导向叶片变形特性分析

在飞机一个飞行循环中，巡航状态为导向叶片长时工作状态，工作温度1100K～1400K，在飞机做快速爬升等机动动作时，发动机最大状态燃烧室出口温度可达1800K～2200K，高压涡轮导向叶片工作环境的大温差导致热变形量较大且复杂，这使其冷热态定位设计具有一定难度。

1.1 典型高压涡轮导叶结构

现代航空发动机为了提高航空发动机涡轮的级效率，减少导叶缘板间的漏气损失，采用了双联导叶、三联导叶和多联导叶[2]。而在高压涡轮导向器上双联叶片应用最为广泛。为形成完整流道，双联整铸叶片通常都设有上下缘板，通过限制叶片缘板安装边自由度来定位叶片是现代发动机定位涡轮导向叶片的主要手段。通常缘板结构具有多样性，不同的装配接触面可以约束多个方向的自由度。典型涡轮高压涡轮导叶结构如图1所示。

1.1.1典型高压涡轮变形分析

高压涡轮导向叶片在工作过程中主要受燃气冲击所产生的周向力和热应力，在热态工况下轴向、周向和径向方向都会存在热膨胀，相对而言，导叶叶身温度较高，上下缘板温度较低，因此导叶整体的热膨胀是不均匀的。现以典型涡轮导向叶片为例，设A、B、C、D四个变形特征点，如图2所示。在温度载荷和气动载荷下，利用Ansys软件对叶片不同工况下的变形进行分析。

A、B、C、D四个变形特征点叶片的径向和轴向均有较大变形量，见表1、表2，在最大状态叶片最大变形量发生在A处△=0.764mm，故在叶片定位设计中在满足约束可靠性和稳定性的同时需考虑释放叶片变形。

1.1.2高压涡轮导向叶片定位设计

通常情况下高压涡轮导向叶片的定位有两条传力路径，外端通过主燃烧室外机匣传递到发动机主安装节，内端通过燃烧室火焰筒传递到压气机静子，再由压气机静子传递到发动机主安装节，导叶的定位框架均在此基础上设计。典型高压涡轮导叶传力路径如图3所示。

1.1.3涡轮导向叶片定位原则

任何定位框架的设计必须保证零件的特定工作要求，定位框架的外部或内部结构不致阻碍零件在任何工况下的凸起、运动[4]。

在保证定位可靠的前提下，优化封严间隙、简化约束。在空间直角坐标系中，叶片具有六个自由度，即沿X、Y、Z 轴移动的三个自由度和绕此三轴旋转的三个自由度。用六个合理分布的支承点限制工件的六个自由度，使叶片在涡轮叶片承力支架中占据正确的位置[5]。

实际上，涡轮导向叶片工作环境复杂，通常对单个支撑点自由度上采用欠约束，对涡轮叶片整体附加自由度或过定位，保证叶片定位的安全性和可靠性。由于有多余约束，局部载荷对整体结构的影响范围大，内力分布比较均匀，内力峰值较小。由于有多余约束，载荷作用下的结构变形要受到多余约束的进一步限制，结构的刚度和稳定性较好[6]。

叶片由主定位和辅助定位共同约束。主定位作为叶片的刚性支撑点，通常使用短螺栓、短销钉固定于承力框架，承受叶片主要的气动力，同时限制了叶片的膨胀方向。主定位可以在叶片上缘板，使叶片上端固定下端自由膨胀;也可以在叶片下缘板，使叶片下端固定上端自由膨胀，如图4所示。辅助定位施加在自由膨胀端提供一定的约束，根据1.1节高压涡轮导向叶片变形特点，辅助定位考虑到叶片最大变形处的自由伸长量。

1.2 国内外导叶典型定位设计分析

1.2.1俄系高压涡轮导向叶片定位

俄式高压导叶定位通常采用的是上端固定，下端可自由伸长的结构方案。主定位采用径向螺栓与固定环相连。固定环与外机匣之间采用刚性结构，并以整环的形式套入外机匣之中，如AL-31F等。如图5所示。

导叶的周向定位依靠的是导叶与固定环的连接方式，在导叶与固定环相连的两排径向螺栓中，前排螺栓套有一衬套，其分别与固定环和导叶上缘存在配合关系，从而在周向方向上将导叶进行定位。

在轴向定位上，导叶的上、下端都有起到一定的作用，其中与上端相连的固定环后端和外机匣接触，限制了导叶和固定环这一整体部件的向后移动。导叶的下端存在前后两个安装边，前安装边直接与内机匣接触，限制导叶的前移;后安装边通过封严绳与内机匣接触，与导叶上端的固定环一起限制导叶的后移。

在热态工况下，导叶上端被径向螺钉固定住，下端在径向上没有任何限制，有足够的空间用于热膨胀。轴向上，在导叶上端与固定环之间，由于前两排连接螺栓中，只有前排通过衬套将两者进行配合定位，而后排螺栓与固定环的螺栓孔之间是存在足够的间隙的，因此导叶与固定环之间的热膨胀不均匀量可以被吸收，不至于产生过大的热应力;导叶下端的前后安装边都与内机匣接触，其中后端是通过封严绳间接接触内机匣的，其与机匣间是存在一定间隙来吸收热膨胀不均匀量的，但是此间隙有过小的嫌疑，因此安装边设计得相对较薄，可以在一定程度上减小热应力。

在结构强度方面，对于径向的连接而言可靠性很高。轴向的定位由于导叶的上下端都有参与，因此可靠性有保证，导叶下端是两个间隔较远的前后安装边来分别抑制导叶的前移和后移，从而在结构上也有利于限制导叶的前后摆动。

1.2.2美系高压涡轮导向叶片定位

美式高压涡轮导叶的径向定位通常采用的是下端固定，上端自由伸縮的设计，如图6、图7所示。这种设计在美系发动机中比较常见，如CFM系列、PW4000。

主定位：涡轮导向叶片下安装边与内支承之间通过两个周向分布短销钉过渡配合，连接方式限制导向叶片y→、z→、x、z4个自由度。

在导叶上缘板还安装有整环结构的外支撑环，在外支撑环和导叶上缘板安装边之间设计了整环的凹槽、凸台结构来限制导叶的周向位移，因此导叶在周向上的定位可靠性是比较高的。径向方向虽仅靠销钉将导叶下安装边与内支承进行固定和定位，但径向受燃气冲击较小，因而可靠性方面问题也不大。在热态工况下如前所述，导叶的下端安装边固定于内机匣上，热膨胀时整体呈向上自由伸长的趋势。而x→方向上，由于导叶下缘板的安装边大致处于导叶轴向的中间位置，所以导叶向前后两个方向都会有比较明显的热膨胀，导叶的缘板前缘装有内、外挂环用于连接燃烧室火焰筒，其与火焰筒之间不存在轴向约束，因而可以自由膨胀;而导叶缘板后部连接的外支撑环本身设计有弹性结构，其刚度在周向较强而轴向较弱，也可以满足导叶向后膨胀的需要。

在结构强度方面，其连接销钉只承受径向力和轴向力，轴向力靠安装边与内支承的接触面来传递。而导叶的轴向摆动则通过内支承上安装的前挡板来限制，其受力不依赖于销钉，有助于提高销钉连接结构的可靠性。其在热态工况下，外支撑环的后端会与低压外机匣直接接触，从而给导叶提供更好的轴向支撑。

1.3定位封严设计分析

1.3.1导叶的摆动引起的泄露

导向叶片上下缘板与燃烧室筒体内外壁相连，燃烧室内外壁为薄壁件，随温度升高变形量大，且在发动机不同工况下由于燃烧室内外壁相对长度及所处温度场有一定波动，内外壁伸长量不一致，导致叶片上下缘板辅助支点绕主定位点旋转，影响叶片定位接触面贴合状态。如图8、图9所示，将叶片与接触面件由面接触改为线接触，可以明显降低漏气风险。

1.3.2上下缘板间间隙、转静子间隙引起的泄露

由于叶片在周向方向上也有明显热膨胀，在叶片分布上需预留周向间隙，利用封严片封严。

对叶片上端固定下端自由膨胀的定位方法，下缘板应保留足够的缘板件间间隙，避免叶片挤压变形，同时还应控制导叶和动叶径向间隙，避免转静子碰磨。对叶片下端固定上端自由膨胀的定位方法，导叶下缘板相对固定，与动叶间隙只需考虑转子伸长。

1.3.3叶片蹿动泄露

叶片辅助定位面相对蹿动，接触面之间存在相对间隙，具有漏气风险。常用的蹿动密封设计如图10所示。

封严绳等柔性密封性能较好，但长期使用后，柔性接触面磨损，密封及定位性能会大幅衰退。

直接接触密封，密封性能较差，但能够长时间保持较为稳定的状态。

2结语

本文根据高压涡轮导向叶片的变形特性，分析了导叶的定位原则，通过对比分析不同导叶定位方式，总结了导叶定位的原则，分析了导叶定位封严的方式。

参考文献

[1] 陈光.航空发动机结构设计分析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[2] 刘长福，邓明.航空发动机结构分析[M].西安：西北工业大学出版社，2006.