渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸功率提取方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

王輝坪 羅智浩

摘 要：根據(jù)某型推進(jìn)系統(tǒng)研制的需要，以某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，提出采用水力測(cè)功器替代升力風(fēng)扇進(jìn)行功率提取的原理方案，進(jìn)而提出了低壓轉(zhuǎn)子軸功率提取方法。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓風(fēng)扇軸通過(guò)前輸出傳動(dòng)軸組件、中間軸承座和疊片聯(lián)軸器與測(cè)功器連接，組成功率提取的低壓傳動(dòng)軸系。為確保方案可行，對(duì)低壓傳動(dòng)軸系的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，確定其臨界轉(zhuǎn)速分布區(qū)間與原渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相同，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了臨界轉(zhuǎn)速分布。隨后展開(kāi)功率提取試驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)各工作點(diǎn)提取出了對(duì)應(yīng)的軸功率，與升力風(fēng)扇的需求功率相當(dāng)，驗(yàn)證了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸功率提取方法的可行性。

關(guān)鍵詞：渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；低壓轉(zhuǎn)子；軸功率；提取方法；試驗(yàn)驗(yàn)證

短垂飛機(jī)具備短距起飛和垂直著陸能力，在普通飛機(jī)的基礎(chǔ)上，其主要增加了可換向矢量噴管，或著增加了升力系統(tǒng)、三軸承旋轉(zhuǎn)噴管和滾轉(zhuǎn)控制噴管等部件，從而實(shí)現(xiàn)特定場(chǎng)所的起降要求。從國(guó)外的使用經(jīng)驗(yàn)看，第二種方式的發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)更加優(yōu)秀，因此本文僅對(duì)該形式的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)展開(kāi)相關(guān)試驗(yàn)研究。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)采用外部專(zhuān)用設(shè)備或裝置對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子前輸出軸功率提取的研究成果，亦無(wú)相關(guān)方法及技術(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)功率提取的研究多為附件或機(jī)載設(shè)備對(duì)功率的需求。國(guó)外對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)前輸出軸功率提取技術(shù)及試驗(yàn)方法研究及應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，并已經(jīng)成功用于F135-PW-600等發(fā)動(dòng)機(jī)上。因此，急需開(kāi)展對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子前輸出軸功率提取方法及試驗(yàn)驗(yàn)證的研究工作。

2 低壓轉(zhuǎn)子軸功率提取方法

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供前輸出軸功率以驅(qū)動(dòng)升力風(fēng)扇工作，但升力風(fēng)扇開(kāi)始工作時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)高于發(fā)動(dòng)機(jī)慢車(chē)狀態(tài)，為保證安全，發(fā)動(dòng)機(jī)需在零負(fù)載狀態(tài)下起動(dòng)。使用吸功功率范圍與升力風(fēng)扇耗功相近的水力測(cè)功器作為替代裝置。

經(jīng)研究后提出渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸功率提取方案：經(jīng)改裝后的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸通過(guò)前輸出傳動(dòng)軸組件與中間軸承座連接，軸承座輸出端通過(guò)疊片聯(lián)軸器與測(cè)功器連接，以上五部分組成渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子功率提取的主體結(jié)構(gòu)。可按照如下方法進(jìn)行軸功率提取：試驗(yàn)前將水力測(cè)功器調(diào)整至零負(fù)載狀態(tài)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)零負(fù)載起動(dòng)，起動(dòng)成功后在慢車(chē)狀態(tài)運(yùn)行3min，然后將發(fā)動(dòng)機(jī)上推至第一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定后緩慢調(diào)節(jié)水力測(cè)功器進(jìn)、排水閥門(mén)來(lái)逐步增加負(fù)載，提取該工作點(diǎn)低壓轉(zhuǎn)子能輸出的最大功率值，然后依次進(jìn)行第二、三、四......工作點(diǎn)的軸功率提取。

3 低壓傳動(dòng)軸系動(dòng)力學(xué)特性分析

3.1 幾何結(jié)構(gòu)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸組件和軸承組成低壓傳動(dòng)軸系，低壓轉(zhuǎn)子和傳動(dòng)軸組件間通過(guò)花鍵連接傳扭。

3.2 支承剛度

傳動(dòng)軸組件的三個(gè)軸承剛度見(jiàn)表1，發(fā)動(dòng)機(jī)本體低壓轉(zhuǎn)子為0-3-1支承方案，1#支承、2#支承、4#支承、5#支承共同支承，軸承剛度見(jiàn)表2。1#支承裝在間隙環(huán)式阻尼支承上，正常情況下并無(wú)支承作用，計(jì)算中按零剛度處理；4#支承為中介支承，本文考慮了不同剛度大小（0.3×108 N/mm和0.8×108 N/mm）對(duì)臨界轉(zhuǎn)速的影響；5#支承裝在彈性環(huán)上，實(shí)際的支承剛度為彈性環(huán)剛度，剛度值為6.266×106N/m。

3.3 計(jì)算結(jié)果

本文中某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子慢車(chē)轉(zhuǎn)速為0.25額定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速范圍為（0.25～0.95）額定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子在不同剛度組合下的前3階臨界轉(zhuǎn)速及裕度計(jì)算結(jié)果列于表3。表中臨界轉(zhuǎn)速低于0.25額定轉(zhuǎn)速的裕度按0.25額定轉(zhuǎn)速計(jì)算；臨界轉(zhuǎn)速高于0.95額定轉(zhuǎn)速的裕度按0.95額定轉(zhuǎn)速計(jì)算，“—”表示0.95額定轉(zhuǎn)速以下不存在對(duì)應(yīng)該振型的臨界轉(zhuǎn)速。

3.4 分析結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速裕度不應(yīng)低于20%；傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速裕度不應(yīng)低于10%。從表1中計(jì)算數(shù)據(jù)分析可知：

在第1組剛度組合下，帶前輸出傳動(dòng)軸組件的某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子1階臨界轉(zhuǎn)速為4744r/min，振型為風(fēng)扇擺動(dòng)；2階臨界轉(zhuǎn)速為7981 r/min，振型為低壓渦輪擺動(dòng)；3階臨界轉(zhuǎn)速為13774 r/min，振型為傳動(dòng)后軸一彎。此時(shí)，轉(zhuǎn)子工作時(shí)跨越風(fēng)扇擺動(dòng)和渦輪擺動(dòng)兩階臨界轉(zhuǎn)速。

在第5組剛度組合下，原渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子1階臨界轉(zhuǎn)速為2511r/min，振型為風(fēng)扇擺動(dòng)；2階臨界轉(zhuǎn)速為7973 r/min，振型為低壓渦輪擺動(dòng)。由于1#支承處的間隙環(huán)設(shè)計(jì)，第6組剛度組合下1階風(fēng)扇擺動(dòng)振型臨界轉(zhuǎn)速被抑制，2階渦輪擺動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速變?yōu)?972r/min，3階傳動(dòng)后軸一彎臨界轉(zhuǎn)速變?yōu)?3740r/min。

1、5和6組數(shù)據(jù)對(duì)比可知，相比原渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，接入前輸出傳動(dòng)軸組件的某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)1階風(fēng)扇擺動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速由2511r/min變?yōu)?744r/min，2階渦輪擺動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速基本不變。

1和4組數(shù)據(jù)對(duì)比可知，對(duì)彈性軸臺(tái)階支架處與中心拉桿作等效處理對(duì)臨界轉(zhuǎn)速基本不產(chǎn)生影響；1、2和3組數(shù)據(jù)對(duì)比知4#支承剛度大小對(duì)轉(zhuǎn)子各階臨界轉(zhuǎn)速影響很小。

由以上分析可獲得如下結(jié)論：由于帶前輸出傳動(dòng)軸組件的某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子與原渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作轉(zhuǎn)速范圍完全一致，兩者在穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均存在2階渦輪擺動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速，且數(shù)值基本相同。因此，在給定的軸承剛度下，改裝后某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速分布滿足使用要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)前，將前輸出傳動(dòng)軸組件和水力測(cè)功器與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子相連接，按零載荷進(jìn)行起動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、慢車(chē)運(yùn)行均正常。上推油門(mén)桿使低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速NL至4800r/min附近時(shí)，前支點(diǎn)振動(dòng)較慢車(chē)時(shí)增大，繼續(xù)上推快速越過(guò)該狀態(tài)，當(dāng)NL超過(guò)4900r/min時(shí)，振動(dòng)減小。當(dāng)NL達(dá)到8000r/min附近時(shí)，后支點(diǎn)振動(dòng)明顯增大，繼續(xù)上推狀態(tài)后振動(dòng)減小，直至額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行正常。這種現(xiàn)象與計(jì)算結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速分布。

按提取方法展開(kāi)低壓轉(zhuǎn)子軸功率提取試驗(yàn)，本文中以NL為0.42額定轉(zhuǎn)速為例完成該狀態(tài)的軸功率提取試驗(yàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速NL=0.42額定轉(zhuǎn)速、NH<0.79額定轉(zhuǎn)速（防止放氣活門(mén)突然關(guān)閉產(chǎn)生波動(dòng)）時(shí)，從低壓轉(zhuǎn)子提取出軸功率Pdn為260kW，與升力風(fēng)扇此轉(zhuǎn)速下需求功率269kW相當(dāng)，試驗(yàn)曲線如圖1。

5 結(jié)論

本文以經(jīng)改制后的某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，按照功率提取方法成功實(shí)現(xiàn)了功率提取，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明：

（1）對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)前輸出軸功率提取的嘗試和探索取得了成功。

（2）本文提出的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子前輸出軸功率提取方法可行，具有可操作性和通用性。

（3）經(jīng)改制后的某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)連接輸出傳動(dòng)軸組件后的臨界轉(zhuǎn)速分布與原渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)一致。

（4）由前輸出傳動(dòng)軸組件和水力測(cè)功器組成的功率提取裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工作狀態(tài)的不同數(shù)量等級(jí)的功率提取。

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