基于孔探輔助轉動裝置的發動機建模研究

常博森 張晨陽 王浩廷 張家碩 武佳昱

摘要：航空發動機建模是開展仿真和半物理實驗的重要組成部分，對降低試驗風險、減少成本具有重要作用。為研制一款用于航空發動機孔探工作的低壓轉子輔助轉動裝置，本文采用CFM56-7B發動機部件法模型，采用UG軟件，分別對發動機的風扇段、壓氣機段、燃燒室段和渦輪段進行三維建模，再進行組裝，建模的成果可以用來計算發動機的轉動慣量、扭矩等參數，并滿足精度的需求。

關鍵詞：航空發動機 ?低壓轉子 ?建模 ?UG

中圖分類號：V23文獻標識碼：A ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2021）10（c）-0000-00

Research on Engine Modeling Based on Borescope Auxiliary Rotation Device

CHANG Bosen1 ? ZHANG Chenyang2 ?WANG Haoting1

ZHANG Jiashuo1 ?WU Jiayu3

（1. Civil Aviation University of China， Tianjin， 300300 China; 2.Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan Province， 610031 China; 3.Chaoyang Flight Training Base of Tianjin Jepson International Flight Academy Co.，

Ltd. Chaoyang， Liaoning Province， 122000 China）

Abstract： Aeroengine modeling is an important part of simulation and semi physical experiment， which plays an important role in reducing test risk and cost. In order to develop a lowpressure rotor auxiliary rotating device for borescope detection for aeroengine， in this paper， the CFM56-7B engine component method model and UG software are used to carry out three-dimensional modeling of the fan section， compressor section， combustion chamber section and turbine section of the engine， and then assembled. The modeling results can be used to calculate the rotational inertia， torque and other parameters of the engine， and meet the requirements of accuracy.

KeyWords： Aeroengine; Low pressure rotor; Modeling; UG

發動機孔探廣泛地應用在航空發動機維護與檢修工作當中，是防空停的重要措施之一[1]，它可以在不拆卸發動機的無損狀態下，對發動機內部進行檢查，尤其是發動機的葉片損傷狀態[2-3]。為了便于設計一款用于孔探工作的低壓轉子輔助轉動裝置[4]，對孔探工作的對象，即航空發動機結構特點進行必要的了解很有必要，尤其是其結構尺寸、重量、轉動慣量、扭矩等參數。航空發動機建模是開展仿真和半物理實驗的重要組成部分，對降低試驗風險、減少成本具有重要作用[5]。該文采用UG建模軟件，對CFM56-7B航空發動機進行三維建模研究。

UG擁有許多功能模塊，可以滿足不同的建模需求，其配備了一個統一的數據庫，允許在各種模塊間無縫交換數據;同時UG在曲面的建模方面擁有優勢，可以用來創建復雜的曲面[6]，比如：發動機的渦輪葉片，汽車的幾何形狀等復雜曲面。因為UG擁有將三維模型導為二維草圖的功能，在后續的優化更改以及對三維模型的檢查都具有很大的幫助。

1航空發動機結構分析

CFM56-7B發動機系列是用于波音737NG的發動機型號，它是雙轉子軸流式高涵道比渦輪風扇發動機。從結構上主要可以分為風扇段、壓氣機段、燃燒室段和渦輪段。CFM56-7B雙轉子結構如圖1所示，低壓轉子由4級低壓壓氣機LPC（含1級風扇）和4級低壓渦輪LPT組成，高壓轉子由9級高壓壓氣機HPC和1級高壓渦輪HPT組成。

CFM56-7B發動機風扇段采用了24個鈦合金寬弦風扇葉片，低壓壓氣機是整體鈦合金鍛件，高壓壓氣機進口導流葉片和前3級靜子葉片可調，靜子機匣為分半式結構，6～9級機匣為雙層結構，外層設有空氣引氣出口，燃燒室采用雙環預混合旋流器（TAPS），渦輪段采用主動間隙控制技術等，這些技術的采用使得CFM56-7B比CFM56-3噪聲和污染顯著降低，維護成本降低約15%。

2航空發動機模型的建立

將發動機拆解為各個小部件按順序進行建模，即可以保證減少建模的差錯，又可以減輕工作量以及心理負擔。拆解出來的建模順序，基本按照后續的安裝順序進行，依次是風扇段、低壓壓氣機段、高壓壓氣機段、燃燒室段、高壓渦輪段和低壓渦輪段。

2.1風扇段

風扇段主要由整流錐、整流錐安裝環、風扇軸、風扇葉片和外機匣組成;考慮到輔助裝置將與整流錐連接，需要通過對整流錐的建模來研究連接部件的選取。

整流錐并不是傳統意義上的圓錐體，其側面為帶有一定弧度的曲面，所以對于整流錐的建模重心，應放在如何才能通過建模還原出現實中整流錐的弧形側表面。整流錐安裝環用于整流錐的固定，是整個發動機中比較重要的一環，但其建模過程并不復雜。整理錐安裝環可以視為一個圓臺殼體與9個圓環相貫而成的實體，圓臺殼體可通過旋轉直角梯形得到。靜子葉片部分最為復雜的部分是如何將靜子葉片固定在靜子機匣上，即如何在靜子機匣上設置一個可以繪制靜子葉片草圖的平面。可以采取在靜子機匣外表面建立一個新平面，避免靜子葉片與靜子機匣間產生縫隙。

2.2壓氣機段

高壓壓氣機段由轉子部分與靜子部分組成，在建模的過程中，應首先構建出高壓壓氣機軸的模型，為靜子葉片與轉子葉片提供位置參照處，隨后通過手冊上提供的高壓壓氣機葉片的參數，并且參考實物照片的形狀，模擬出葉片的外形，最后，將這些放置于壓氣機軸上，構成高壓壓氣機部分。同時，低壓壓氣機部分的模型也按照相同的方法進行搭建，最后與高壓壓氣機部分連接。

低壓壓氣機段建模過程與高壓壓氣機相同，通過維修手冊得知，CFM-7B發動機低壓壓氣機轉子有3級，每級分別有74、78、74個葉片，在得到一個靜子葉片模型之后，通過圓形陣列命令復制即可。低壓靜子葉片數量分別為108、136、136、136，每級靜子葉片間偏轉120°以確保第一級靜子葉片的平衡。確定數據后按相同步驟進行建模。

2.3燃燒室段建模

根據CFM公司提供的燃燒室的結構圖，燃燒室有20個燃油噴嘴。查詢發動機維護手冊，得知進口導向葉片數為44個，出口導向葉片數為35個。

首先計算壓氣機出口導向葉片所處的燃燒室機匣直徑和燃燒室出口導向葉片所處的渦輪機匣直徑，并大致估算燃燒室段長度。

建模時使用先繪制草圖后創建實體的辦法。燃燒室機匣構造復雜，難以通過幾次命令直接建好模型，所以，將機匣分為多個簡單的回轉體，分別繪制草圖，使用“旋轉”命令得到每段的實體，再通過“加厚”功能使壁面符合實際的尺寸要求，最后將各部分合并，最終得到燃燒室機匣。同樣，首先完成火焰筒的建模。其次在燃燒室外機匣上建立基準平面，使得該平面與外機匣壁面相切，在新的基準平面上繪制燃油管路基座草圖并拉伸出實體。再次回到初始基準平面繪制燃油管路走向，并使用“管”命令建出燃油管路模型。然后，在燃燒室機匣進口與出口分別建立基準面，繪制出葉片草圖后將其拉伸為實體，并“陣列”出相應的葉片數目。最后在安裝邊上繪制出螺紋孔，并對一些細節進行了處理，這樣就得到了燃燒室的模型。燃燒室半剖面圖如圖2所示。

2.4渦輪段

高壓渦輪的前端是燃燒室，并通過高壓軸與高壓壓氣機相連。在進行建模的工作中的工作中，通過手冊提供的CFM56-7B的剖簡圖，以風扇直徑為標準，確定了高壓渦輪的各個部位的比例尺寸，先繪制高壓渦輪的剖面圖。通過手冊中的剖面簡圖，利用UG中的繪制直線曲線等工具，盡量還原出高壓渦輪輪廓以及盤式結構的細節，再通過回轉和拉伸等操作完成高壓渦輪主體的繪制。

低壓渦輪導向器機匣與低壓渦輪外機匣相連，所以先繪制低壓渦輪外機匣。最后繪制低壓渦輪軸，低壓渦輪軸穿過整個發動機，呈圓柱形且內部中空，所以可以選擇上述繪制草圖輪廓，再通過繞Y軸旋轉拉伸的方式得到低壓渦輪軸實體。

3結語

最后對所有的分段進行組裝，該文使用UG建立的CFM56-7B發動機三維模型尺寸、精度符合要求，為后續的重量、扭矩的計算提供了依據，對基于孔探工作的低壓轉子輔助轉動裝置研制具有重要作用。

參考文獻

[1] 岳霆，張海林.飛機智慧維修的思考[J].航空維修與工程，2021（9）：16-19.

[2] 李龍浦.基于孔探數據的航空發動機葉片損傷識別研究[D].天津：中國民航大學，2020.

[3] YUAN Z D.Borescope Inspection for HPT Blade of CFM56-7B Engine[J].IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2018，382（3）：032028.

[4] 張銘，羅欣衛，吳英杰，等.用于孔探的航空發動機低壓轉子輔助轉動裝置設計研究[J]. 中國機械，2021（3）：44-45.

[5] 付強.數值仿真助推航空發動機研制模式革新[J].航空動力，2021（2）：45.

[6] 袁忠大，程秀全，劉藝濤，等.基于UG有限元模型的航空發動機高壓渦輪盤蠕變壽命計算[J].機床與液壓，2021，49（6）：137-141.

基金項目：中國民航大學大學生創新創業訓練計劃優秀培育項目（項目編號： ?IEKCAUC2021013）;中國民航大學大學生“互聯網+”創新創業競賽2021培育項目。 作者簡介：常博森（2001—），男，本科，研究方向為飛行器動力工程。