渦扇發動機轉子軸向力預估計算與分析

龍 杰

（中國航發貴陽發動機設計研究所，貴陽 550081）

1 研究背景

在現代航空發動機中，特別是大、中等推力航空發動機中，作用于風扇、壓氣機和高低壓渦輪轉子上的軸向力都很大，如果四個轉子都單獨通過止推軸承來承受軸向力，每個轉子不但需要多個軸承才能承擔，而且結構難實現、重量增加、軸承壽命減小，對發動機承力件強度也更苛刻，這些都是航空發動機設計中所不能接受的。

2 基本方法和假設條件

2.1 計算原理

作用在轉子上的氣動軸向力，有流道軸向力和腔室軸向力兩部分。流道軸向力由氣流靜壓軸向力和氣流軸向速度產生的軸向力兩部分構成，腔室軸向力由空氣系統氣流靜壓或滑油腔各腔靜壓產生的軸向力構成。約定軸向力方向以順航向向前為正。

氣流靜壓軸向力及腔室軸向力計算公式如式（1）所示。

式中，ΔS為機匣壁面、腔室軸向作用面積；P為機匣壁面靜壓、腔室靜壓。

氣流軸向速度對葉片作用產生的軸向力簡化計算公式如式（2）所示。

式中，qa為進口流量；Δv為流道進出口速度差。

轉子總軸向力如式（3）所示

2.2 計算條件

為滿足發動機承力系統強度分析的邊界條件，轉子軸向力計算應至少選取表1中3個工況點的發動機狀態點進行計算。

表1 氣動驗算點

3 軸向力預估分析

3.1 設計點軸向力預估

根據多型發動機軸向力計算結果，影響發動機低壓轉子軸向力最大的是風扇卸荷腔或軸承封嚴腔，影響發動機高壓轉子軸向力最大的是壓氣機卸荷腔，通過對比，多型渦扇發動機設計點低壓轉子軸向力與風扇卸荷腔或軸承封嚴腔成正比，設計點高壓轉子軸向力與壓氣機卸荷腔壓力成正比，新設計發動機軸向力數量級如式（4）所示。

式中，FL′、FH′為低壓、高壓轉子軸向力；FL、FH為原型機低壓、高壓轉子軸向力；Ps′、Py′為風扇、壓氣機卸荷腔壓力；Ps，Py為原型機風扇、壓氣機卸荷腔壓力。

3.2 高空狀態軸向力預估

一般情況下，發動機性能參數表只給出了各部件進出口的總壓，缺少各流道、腔室的靜壓參數，因此軸向力預估全部采用出口總壓進行預估，計算按公式（3）進行，其中，流道軸向力中的流量qa如式（5）所示。

因此，腔室軸向力、流道軸向力均與總壓成正比。在已知某原型機設計點轉子軸向力FL，FH的條件下，其他各狀態點軸向力如式（6）所示。

4 試驗驗證

4.1 設計點軸向力對比

某渦扇發動機原型機低壓轉子軸向力為6kN，高壓轉子軸向力為13kN，其衍生發動機及結構類似發動機轉子軸向力及實測結果如表2所示。

表2 設計狀態軸向力預估對比

4.2 高空狀態軸向力對比

D-WS17發動機轉子軸向力計算結果如表3所示.

表2 設計狀態軸向力預估對比

根據表2可知，A型發動機設計點狀態低壓轉子軸向力和高壓轉子軸向力相對實測值誤差分別為6%和2.3%，B型發動機相對實測值誤差分別為6%和2.3%，C型發動機相對實測值誤差分別為6%和2.3%，誤差較小。

根據表3可知，A型發動機高空狀態點軸向力相對實測值較接近，誤差較大的主要是低壓轉子，但誤差數值很小，在可接受的范圍。高壓轉子軸向力預估較吻合，最大誤差為2%。

5 結論

本文給出了基于原型機設計點轉子軸向力預估衍生型發動機軸向力，其結果基本與實測值相同，誤差最大為6%。本文的預估方法僅對基于原型機設計的發動機有較高準確性，對其他不相關類型的發動機有待進一步研究。

轉子軸向力的預估對發動機初步設計階段空氣系統設計、壓力平衡、軸承選型、支點支承結構設計等具有非常重要的意義。后續將進一步完善預估方法，并基于發動機設計性能參數評估發動機的軸向力，為發動機正向設計提供重要依據。