基于關鍵結構特征的升力風扇結構布局方案設計

徐 雪，黃愛華，郭 捷

（1.中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015；2.成都航空職業技術學院，成都610100）

0 引言

總體結構布局方案設計是新型航空發動機的頂層設計基礎工作，對于后續設計具有極其重要影響，因此必須十分慎重，既要有足夠的方案設計繼承性又要能夠充分地適應新任務要求。目前，傳統的航空發動機總體結構布局方案設計多參考一型原準機，并適應性引入新結構、新技術。這種方式的繼承性較強，適用于傳統發動機的應用；但對于垂直起降動力系統和升力風扇等的創新型應用就難以產生布局新穎、充分適應新特點的方案，這在一定程度上限制了結構創新。

本文以某一型升力風扇的結構布局方案設計為對象，嘗試從新結構的設計需求出發，引出關鍵結構特征，并基于關鍵結構特征的組合開展多方案設計，通過對比分析選擇出最佳方案的方法。

1 設計目標與需求分析

升力風扇的基本參數：流量約為200kg/s、輸入軸功率約為20MW、2級風扇轉速約為6700r/min、傳動比為1.1、風扇直徑不大于1.3m。其所在的垂直／短距起降飛機動力系統方案與F-35B的動力系統方案[1-2]相似，如圖1所示。

結構布局方案的設計目標是在滿足升力風扇設計需求的前提下，實現質量最輕和設計難度較低。從以上參數和圖1中可見，升力風扇在功能和使用條件上與常規發動機風扇存在很大區別，可從中分析歸納出其中特別的設計需求[3-5]。

圖1 F-35B垂直起降動力系統主要部件結構[2]

（1）傳動系統需要盡可能簡單高效。

由于升力風扇的轉子旋轉軸線與傳動軸垂直，而且傳遞的功率和轉速較高，因此傳動齒輪系統必須要盡可能簡單高效；否則一方面會帶來較大的機械損失，進而影響推力；另一方面對于如此大的傳動功率而言，微小的機械功率損失就會產生過多的熱功率，增加了滑油系統或熱管理系統[6]的負擔。

（2）雙轉子需要反向旋轉。

由于在垂直起降狀態下，氣動舵面對飛機姿態的控制力幾乎為零，姿態控制全靠主發動機的3軸承偏轉噴管、升力風扇可調噴管和兩側的滾轉噴管協調進行推力矢量控制來實現。在這種環境下，高速旋轉的轉子所產生的陀螺力矩會使姿態控制變得更加復雜，所以發動機主機和升力風扇都要盡可能降低陀螺力矩的影響[7-8]，這就要求采用雙轉子反向旋轉形式使陀螺力矩相互抵消。

（3）潤滑和封嚴結構需要滿足垂直工作狀態。

由于升力風扇采用豎直安裝，因此其支點軸承系統的供油潤滑、軸承腔的回油和封嚴結構等的工況均與常規設計有一定的不同，例如：上方潤滑點噴出的滑油下落到油池的過程需要考慮受到下方高速旋轉的軸承、齒輪以及從下方的密封結構進入的封嚴空氣的影響。

（4）需要特別強調尺寸小質量輕。

由于升力風扇只在發動機的垂直起降狀態下使用，在飛機常規飛行時將變成毫無用處的“死重”，因此對于升力風扇的質量控制要比發動機本身更加嚴格。同時由于升力風扇位于飛機前機身進氣道處，其外廓尺寸直接影響到前機身的空間結構，因此對于尺寸的限制也十分重要。

除了上述的4點特殊設計需求外，結構方案還必須滿足常規的結構設計要求，例如：裝配性、可維護性、結構緊湊、零件少以及機匣應具備包容性等。

2 布局方案中的關鍵結構特征

根據上述4項特別的設計需求，在結構布局方案設計中，首先要考慮能夠滿足這些特別需求的關鍵結構特征，并開展初步的分析與取舍。這些關鍵結構特征相互交織，需要系統地考慮，并無設計工作上的先后順序之分。

2.1 傳動結構

盡管同軸反轉機械傳動已經在渦槳（或槳扇）發動機和直升機主減速器上取得了成熟的應用，但是由于升力風扇為垂直傳動且傳動比小、傳遞功率大，因此這些傳動系統并不適用，具體參數對比見表1[8-9]。

表1 幾種傳動系統的參數對比

對于傳動軸從垂直方向驅動同軸反轉的2個轉子而言，最簡單的布局就是1個主動錐齒輪帶動兩側的從動錐齒輪形成2個嚙合副，實現等速反向旋轉（如圖2所示）。由于傳動功率大轉速高，因此需要在結構布局的過程中著重考慮3方面的細節。

（1）將止推軸承（球軸承）設計在接近錐齒輪的位置，以保證嚙合間隙穩定[10]。

（2）根據詳細設計的需要，可以在2個從動錐齒輪之間增加“齒輪間支點”（具體結構見方案2），將從動錐齒輪的支撐形式由懸臂改為簡支，以限制轉子工作過程中的轉子撓曲變形造成齒輪旋轉軸線傾斜.

（3）在其他條件允許的情況下，盡可能為齒輪傳動的設計留出更大的設計空間。

圖2 同軸反向齒輪傳動

2.2 承力機匣

對于同軸反向旋轉的雙級風扇，其承力機匣可以有單機匣、雙機匣和3機匣3種不同的結構布局，如圖3所示，在具體的結構布局設計中需要著重考慮以下因素。

（1）如果承力機匣下方有轉子，就需要考慮支板尾跡對下游轉子葉片的氣動激振。

圖3 3種承力機匣布局

（2）出于質量、成本和結構復雜性等方面考慮，應該在可能的情況下盡可能減少承力機匣的數目（由此直接排除3承力機匣設計）。

（3）需要考慮承力機匣對于氣動方面的作用，如：進口的承力機匣結構可以方便在進口設計可調導葉[11]。

2.3 轉子支承

轉子支承方案相對靈活，同樣的承力機匣設計也可以通過不同的細節以實現多樣的轉子支承布局。在升力風扇的設計需求和其他關鍵結構特征的限制下，轉子支承方案需要特別注意以下幾方面因素：

（1）采用轉子懸臂支撐的方案著重考慮盡可能增加支點軸承的跨距，以提升對于轉子的軸線擺動限制能力。

（2）針對傳動結構的設計需要，還必須考慮支點的布置對于錐齒輪嚙合間隙的限制。

盡管支承方案對于整機的轉子動力學特性具有重要的影響[12-13]，但是在方案布局設計中，尤其是創新型應用的布局設計中很難給出支撐剛性、轉子剛性和轉子質量特性等參數，使得在這個階段很難開展準確的轉子動力學特性評估[14]。所以本階段暫不考慮轉子動力學特性的因素。

2.4 潤滑和封嚴結構

針對縱向工作的需要，潤滑和封嚴結構方面需要特別考慮以下因素：

（1）對于承力機匣中置的方案，一方面需要特別考慮下方轉子的甩油結構，以防止積油帶來額外的不平衡量[15]，另一方面需要特別考慮下方的轉子密封和油池的設計。

（2）對于雙承力機匣方案，需要特別考慮機匣的轉子密封和油池的設計。

（3）采用中介支點的方案，需要特別考慮軸承的供油結構。

3 多方案結構布局設計與對比分析

3.1 結構布局方案

在氣動流路和主要轉子部件強度基本符合現有設計準則的情況下，通過對上述幾方面的關鍵結構特征進行組合，并采用成熟的軸承、密封和聯軸器等部件結構，開展了多方案結構布局設計。本文從設計結果中選出比較典型的3種類型共7個方案進行具體分析。

（1）單承力機匣中置布局

這一類布局包括方案1和方案2，分別如圖4、5所示。二者的區別在于是否采用錐齒輪間支撐結構、轉子間密封和第2級轉子上方的甩油結構。

圖4 “單軸承機匣中置”方案1

圖5 “單軸承機匣中置”改進方案2

（2）單承力機匣下置布局

布局方案3如圖6所示。與前2個方案相比，方案3通過采用軸套軸結構和中介軸承，實現了單承力機匣下置的方案。由于第1級風扇轉子較細長，為了防止轉子撓曲變形對錐齒輪的嚙合間隙產生影響，也采用方案2中的“齒輪間支撐結構”。中介軸承需要通過第1級轉子內部的軸心供油管自下而上地供油至軸承環下。

圖6 “單承力機匣下置”方案3

（3）雙承力機匣布局

雙承力機匣布局更加靈活，本文選擇了系列化的4個方案，分別為方案4～7（如圖7～10所示）。其中方案4是初始方案，在其基礎上增加“齒輪間支撐結構”成為方案5，在方案5基礎上去掉第1級靜子成為方案6，在方案6基礎上采用中介軸承成為方案7。

圖7 “雙軸承機匣”方案4

圖8 “雙軸承機匣”改進方案5

圖9 方案5的基礎上改無靜葉對轉結構6

圖10 方案5的基礎上采用中介軸承的方案7

3.2 多方案對比分析

由于在布局方案設計階段尚無法確定具體結構細節，因此很難定量地表征質量和設計難度2個設計目標。為了能夠更客觀全面地對上述不同的方案作出評判，本文采用定量對比和定性分析2種方法對上述方案進行對比；以期通過對長度、單元體數目和承力機匣的數目等項目的定量對比，間接地評估方案的質量因素；并通過對于方案優缺點的定性分析，間接地評估設計難度。

3.2.1 定量分析

不同方案的相對長度、轉子支點數目和單元體數目等在方案布局中涉及的定量結構參數見表1，以方案5為例的各單元體結構組成和其裝配爆炸展開如圖9所示。

表1 不同方案的結構參數對比

圖11 方案5的爆炸展開

從上述定量對比可以得到如下結論：

（1）采用第1級無靜葉設計可以顯著降低升力風扇的長度，有利于降低質量。

（2）采用單軸承機匣設計可以降低單元體數目和主承力機匣單元體中大組件數目有利于簡化結構，提高裝配性。

（3）前2個方案雖然只采用了1個機匣，在長度上并沒有帶來優勢。

3.2.2 定性分析

（1）單承力機匣中置的方案特點

單承力機匣中置的方案與其他2類方案相比優勢在于：結構設計簡單，轉子之間沒有交叉。但這種布局方案存在以下3個問題：

a.根據升力風扇的設計參數，初步設計傳動軸直徑約為85mm，顯著高于一般航空發動機中央傳動桿的直徑，這使得傳動軸所通過的承力機匣支板厚度較大，對下游的第2級轉子將產生較大的氣動激振，這增加了第2級轉子的設計難度。

b.由于承力機匣位于2轉子中間，此處氣流尚未經過充分壓縮，流路寬度較大，這就造成：一方面，在外徑一定的情況下給軸承腔設計的空間就更小；另一方面，在葉型厚度一定的情況下機匣的軸向更長（第1類方案長度較大的原因）。

c.由于主承力機匣下方的油池位于第2級轉子盤心，設計空間狹小限制了油池容量，而且此處還需要布置轉靜子間的密封結構，因此結構設計更加困難。

（2）單承力機匣下置的方案特點

單承力機匣下置方案與中置方案相比的優勢：

a.將承力機匣置于葉片排的下方排除了厚支板的氣動影響問題。

b.油池布置在機匣底部空間更充裕。

c.由于機匣布置在第2級風扇之后，氣流的壓力較高，流路較窄，為機匣內的齒輪傳動結構提供了更大的空間。

這種方案的問題主要體現在中介軸承上：

a.不僅中介軸承的DN值較高，而且由于2個轉子等速旋轉造成其滾子公轉轉速和保持架轉速為零，這使軸承的設計更加困難。

b.中介軸承使得2個轉子的振動相互影響，轉子動力學特性更加復雜[12]。

c.中介軸承需要通過中央供油管克服重力向上供油，存在著滑油在中央供油管內積累帶來額外的不平衡量的風險，從而造成整機振動問題[13]。

（3）雙承力機匣的方案特點

雙承力機匣布局的4個方案大體思路相同，區別體現在具體結構的取舍上。其繼承了單承力機匣下置的主要優點，并且通過引入上承力機匣，使布置進口可調葉片成為可能，有利于風扇承受由升力風扇進氣口及其活門帶來的氣流畸變。

上軸承機匣也存在滑油池與密封結構設計空間小的問題；不過考慮到此處軸承直徑和載荷較小，相應的潤滑需求也小，因此解決該問題應比方案1容易。

在4個方案中是否采用無靜葉方案取決與氣動設計的難度，但是從結構角度看無靜葉設計無疑在長度、轉子剛性和質量方面更具優勢。

3.3 方案選擇

綜合定量和定性分析，方案6在尺寸、單元體數目等方面具有一定的優勢，且其問題相對較少，在所有的方案中實現了質量、尺寸和設計難度等更好的平衡，因此作為首選方案。如果在后續的詳細設計中，無靜葉對轉風扇的氣動設計難度無法克服，也可以在結構改動不大的情況下退回到方案5。

4 結論

（1）以關鍵結構特征作為設計需求和方案橋梁，以不同結構特征的組合為基礎形成一系列布局方案，并通過定量和定性2方面的對比分析優選出最終方案。

（2）與傳統方法相比，本文方法更加有利于拓展結構創新思路，而且有利于在方案設計之初就針對日后可能出現的技術難關儲備多種“備份方案”，因此更加適合設計難度和風險較大的創新型項目。

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