淺談民用大涵道比發動機風扇轉子葉尖間隙控制

白志剛，印雪梅

（中國航發沈陽航空發動機研究所，遼寧 沈陽 110015）

航空發動機間隙控制是指對轉靜子軸向間隙和徑向間隙的控制，合理的設計間隙對降低發動機排氣溫度與提高使用可靠性有著十分重要的影響。資料顯示，轉子徑向間隙增大，導致壓氣機流量、壓比、效率和喘振裕度下降，每增大1%轉子葉尖相對間隙，級效率下降1．5%；葉尖間隙過小會引起發動機抱軸、轉靜子碰磨等故障。因此，合理控制葉尖間隙對發動機效率和可靠性有著十分重要的影響。

1 徑向間隙的設計

葉尖間隙設計研究工作是一項系統而又專業的綜合設計工作，它涉及發動機的多個部件和多個專業，同時又受到多種使用因素的影響，如果考慮不全，設計的間隙可能和實際相差很大。

式中：pS—工作間隙；mS—安裝間隙，即冷態設計間隙；

cδ—機匣徑向變形；dδ—盤徑向變形；bδ—葉片徑向變形；yδ—盤、葉片軸向變形對徑向間隙的影響。

以圖1所示大涵道比發動機風扇葉尖間隙設計為例，風扇轉子葉片的設計間隙為1．4～2．0mm，按照1式計算所得工作間隙最小為0．05mm。

表1為該大涵道比發動機裝配的間隙，從表中可以看出，間隙的平均值為1．82mm，符合設計要求1．4～2．0mm，但從測量的正上、水平右、正下、水平左四個位置上的間隙值可以看出，局部間隙大于2．0，間隙周向差異大，局部存在超差，另外，試車后風扇機匣涂層出現局部磨損。

表1 裝配間隙值

圖1 風扇部分的轉靜子連接結構簡圖

2 問題分析

發動機的葉尖工作間隙由安裝間隙、穩態載荷、振動載荷等因素共同決定，針對發動機葉尖間隙周向不均和機匣涂層磨損，結合大涵道比發動機結構特點，對重點影響葉尖間隙因素進行分析，具體如下。

2.1 葉尖間隙周向局部超差復查

安裝間隙是影響發動機工作間隙pS重要因素之一，風扇機匣變形，轉靜子同軸等因素會影響葉尖間隙的周向均勻性，分別予以考慮，具體如下。（1）風扇機匣變形復查。風扇機匣裝在中介機匣前部，風扇機匣為大尺寸薄壁件，懸臂長，裝配狀態測量風扇機匣涂層柱面跳動將近1mm，復測新加工機匣的跳動，發現跳動普遍大于0．5mm，超過圖紙要求的0．2mm。復查加工工藝發現，新件加工完成，直接在機床上檢查跳動。分析認為：由于加工應力、輔助支撐等因素存在，機匣自由狀態放置一段時間后，應力釋放，機匣發生較大變形，導致跳動增大。（2）轉靜子同軸度復查。為了掌握發動機承力構件的變形、裝配中支點同軸度的實際情況，以承力機匣后止口為基準測量前、后支點軸承座跳動，測量結果見表2。從表中可以看出，前支點跳動0．03，符合設計要求，后支點跳動為0．05，超差0．01；經計算分析，前支點位置度為0．01，后支點位置度為0．02，轉靜子同軸度在0．02內，符合設計要求，對葉尖周向間隙的影響可忽略不計。

表2 前后支點跳動值

2.2 風扇機匣涂層磨損復查

為查明風扇機匣涂層磨損的原因，對設計間隙、發動機工作可靠性進行復查，具體如下：（1）設計間隙復查。首先復查風扇轉子葉片冷態間隙，風扇葉片葉尖帶一定的傾斜角，安裝間隙計算需考慮徑向和軸向影響因素，首先固定風扇葉片與風扇機匣的相對軸向位置，在徑向方向上考慮影響間隙的因素，然后，在軸向方向上，考慮軸向串動對徑向間隙的影響，通過尺寸鏈計算，風扇葉片的安裝間隙在1．4～2．0mm之間，與圖紙要求相同，根據公示（1）計算的熱態間隙準確無誤。（2）可靠性復查。對影響發動機工作可靠性的重要因素進行復查，低壓渦輪帶動低壓風扇工作，風扇軸需將渦輪輸出的功傳遞給風扇盤，進而帶動低壓風扇工作，因此，需對風扇軸與風扇盤工作的可靠性進行復查。

本文設計的風扇軸與風扇盤選擇止口定心，螺栓壓緊的連接形式。過盈聯接的可靠性取決于實際過盈量、傳遞載荷所需的最小過盈量和聯接件不發生塑性變形或斷裂所允許的最大過盈量之間的關系，過盈配合的失效包括工作時配合面上產生相對滑動、風扇盤塑性變形、風扇軸產生塑性變形三種形式。如果分別用T1(X)、T2(X)和T3(X)來表示這三個事件不發生的概率(可靠性)，則整個配合系統的可靠性可表示為：T(X)=T1(X)·T2(X)·T3(X)。假設它服從正態分布，通過分析計算，將止口配合設計為過盈量為0．106～0．19mm的基孔制配合。風扇盤和風扇軸壓緊力的設計，需考慮扭矩，氣動力，機動飛行引起的慣性力和陀螺力力矩等各種載荷引起的軸向松弛力和壓緊力，保證裝配擰緊力矩全狀態滿足摩擦傳扭的要求，經過計算，周向分布30個螺栓，預緊力不小于100N·M時，可滿足發動機摩擦傳扭的需求。

查閱國外成熟民用大涵道比發動機，如CMF56系列發動機，風扇盤和風扇軸的配合方式及螺栓數量與本文方案相同，預緊力不小于80N·M，止口過盈量多在0．06～0．19之間。另外，本方案發動機試車過程，發動機工作穩定，振動符合設計要求，因此認為，本文風扇軸和風扇盤的連接方案可靠。

2.3 小結

風扇機匣的跳動值與葉尖間隙周向差異接近，轉靜子的同心度較好，對周向間隙的影響可忽略不計，因此認為，葉尖間隙周向不均勻主要由風扇機匣變形引起。通過風扇機匣涂層磨損原因的復查可知，間隙設計正確，發動機工作可靠，涂層磨損的原因應為熱態間隙計算時，影響葉尖的間隙因素考慮的不全，熱彎曲、振動等因素，對葉尖間隙的影響目前還難以量化，后續應根據試車情況進行適當優化。

3 問題解決

增加風扇機匣放置時間和自由狀態測量跳動的要求，控制機匣跳動，將風扇機匣裝配狀態的跳動控制在0．5mm以內。因涂層磨損的程度輕，試車發動機臺份少，葉尖間隙暫不優化。表3為采用控制葉尖間隙措施后，測量得到的3臺發動機的風扇葉片葉尖間隙，從表中可以看出，風扇葉片葉尖裝配間隙周向相差均在0．5mm內，葉尖間隙周向不均的現象得到很大程度的控制，因此認為，控制葉尖間隙周向不均的措施有效。

表3 采用控制措施后的風扇葉片葉尖間隙

4 結語

通過對影響葉尖間隙因素的復查，得出對間隙設計有工程指導價值的經驗，具體如下：（1）安裝間隙是影響發動機工作間隙pS重要因素之一，通過控制葉尖間隙相關的軸向、徑向尺寸及公差，保證各臺發動機葉尖間隙好的一致性，性能更穩定。（2）葉尖間隙周向不均同樣對發動機的性能和可靠性有重要影響，需注意控制機匣變形、控制轉靜子同軸度，保證間隙周向均勻。（3）風扇軸和風扇盤的連接方案是影響發動機工作可靠性的重要因素之一，需保證風扇軸和風扇盤工作可靠。（4）發動機工作存在熱彎曲、振動等難以定量計算的因素，理論計算所得的間隙與實際情況會有差別，可根據后續試車進行適應性調整。

參考文獻：

[1]陳炳貽． 航空發動機轉子葉尖間隙測量[J]，測控技術 ．2001．23(1):5-7．

[2]Scott B, Lattime, Burce M, et al ．Turbine engine clearance control systems: current practices and future directions．NASA/TM-211794,2002．