基于TRIZ的渦輪部件性能試驗件防漏油改進設計

2022-11-30 05:29:08何春萌陳睿元

現代制造技術與裝備 2022年10期

何春萌陳睿元李嬋

（1.中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412002；2.中小型航空發動機葉輪機械湖南省重點實驗室，株洲 412002）

渦輪是航空發動機中的熱端部件，需要在高溫高壓環境中工作。在航空發動機研制過程中，為了驗證渦輪氣動設計，需進行渦輪部件模擬氣動性能試驗，以獲取渦輪部件實際工作的氣動參數特性[1]。渦輪部件性能試驗件主要由工作轉子、導向器、進排氣轉接段、軸承座、滑油系統和封嚴結構等部分組成，如圖1所示。按功率輸出方式不同，渦輪部件性能試驗件可分為功率前輸出試驗件和功率后輸出試驗件。

圖1 渦輪部件性能試驗件

模擬試驗在一定的溫度和壓強環境中進行，工作氣流進口溫度可達800 K，壓強可達0.9 MPa。試驗時常出現漏油現象，增加了試驗車臺滑油消耗量。部分漏油嚴重的試驗件在試驗過程中需要多次加注滑油，不僅增加了試驗成本，而且會污染試驗現場，如油霧干擾試驗觀察、地面油污存在安全隱患等，甚至在某些情況下容易出現滑油斷供現象，嚴重影響試驗安全。因此，有必要針對性地進行試驗件防漏油改進設計技術研究，以期從設計層面改善試驗件漏油現象。

1 問題描述

1.1 滑油系統簡介

渦輪部件性能試驗時，通常轉子工作轉速超過10 000 r·m-1，轉子軸承需通過循環供給滑油進行潤滑冷卻。圖2為典型渦輪部件性能試驗件的滑油系統圖。軸承位于軸承腔內，由外部（車臺）供給滑油，然后通過滑油接口對轉子軸承進行冷卻。軸承腔底部設計有回油孔，用于回油泵抽吸滑油。軸承腔上方設有通大氣孔，用于平衡軸承腔壓強。

圖2 試驗件滑油系統簡介

為減少氣體泄漏和滑油泄漏，軸承腔兩側通常設有密封封嚴結構。渦輪部件性能試驗件中最常用的軸承腔密封結構為篦齒封嚴結構[2]，而刷式密封和碳環密封等高效密封結構應用較少。

1.2 漏油分析

總結分析多臺試驗件漏油情況發現，試驗件漏油情況與試驗件的工作參數有關。如果試驗件進口截面氣流壓強高，容易出現試驗件軸頭漏油和通大氣孔噴油的現象。

進氣壓強較高的渦輪部件性能試驗件通常是雙級或者多級渦輪部件試驗件。為滿足氣體膨脹要求，進口總壓較高。如果軸承腔的密封結構設計不合理，主流高壓氣體過多進入軸承腔，會導致軸承腔中的滑油在高壓氣體作用下從通大氣孔處泄漏。下面針對這一泄漏過程進行分析，如圖3所示。

圖3 液滴泄漏示意圖

滑油液滴處于通大氣管，同時從主流道中泄漏至軸承腔的氣體也從通大氣管排至大氣環境，則通大氣管中的氣體流速的計算公式為

式中：V為氣體流速，m·s-1；Q為氣體泄漏流量，kg·s-1；ρ1為空氣密度，kg·m-3；D為通大氣管內徑，m。

將液滴簡化為具有等效直徑d的球形顆粒，問題則轉化為標準的球形顆粒繞流問題[3]。設液滴的體積為Vd，則有

取空氣為繞流流體，溫度T=293 K，流體密度ρ1=1.29 kg·m-3，黏度μ=1.79×10-5Pa·s。滑油牌號為飛馬2號，密度ρ2=997 kg·m-3。假設氣體泄漏量為Q0，球形顆粒在重力G和空氣阻力Fd的作用下保持平衡，則有

Cd為單顆粒標準曳力系數，表達式為

式中：Rep為顆粒雷諾數，且有Rep=dρ1V/μ。

對于渦輪性能試驗件來說，它的主氣流進氣流量通常不小于2 kg·s-1。按氣體泄漏率0.1%進行估計，氣體泄漏流量通常不小于0.002 kg·s-1。若要觀察到明顯的漏油現象，泄漏滑油液滴直徑應不小于0.004 m，通大氣管內徑通常取D=0.02 m，結合式（1）和Rep=dρ1V/μ，可計算得到

因此，可取Cd=0.44。

于是，可得

可見，滑油液滴直徑越大，維持滑油液滴受力平衡的臨界泄漏量Q0越大。取d=d0=0.004 m，此時Q0=0.392 kg·s-1。當通大氣管的氣體泄漏量大于Q0時，直徑小于d0的滑油液滴在通大氣管中的氣動曳力將大于液滴本身的重力，滑油液體在合力的作用下將向正上方運動，表現為液滴從通大氣孔噴出；當通大氣管的氣體泄漏量小于Q0時，直徑大于等于d0的滑油液滴合力作用方向向下，此時液滴將無法從通大氣管中泄漏。

2 TRIZ相關內容

研究采用發明問題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）[4]來解決防漏油改進設計的技術問題。TRIZ是一種指導人們進行發明創新、解決工程問題的系統化的方法學體系，由ALTSHULLER及其研究團隊通過對250萬件高水平發明專利進行分析和提煉之后總結出來的。

相對于傳統的創新方法，TRIZ成功揭示了創造發明的內在規律和原理，將實際中的具體問題轉換表達為TRIZ中的問題模型，然后通過TRIZ和工具方法獲得解決方案模型-發明原理[5]，最后根據發明原理得到最終實施方案，如圖4所示。

圖4 使用TRIZ解決問題的邏輯圖

2.1 待解決的問題

根據前述的分析，防漏油改進設計的關鍵在于降低通大氣孔的氣體泄漏量。

2.2 問題模型

根據TRIZ將待解決的問題轉化為通用問題模型，即提取出實際問題中的技術矛盾（改善某一參數卻導致另一參數惡化），或提取出實際問題中的物理矛盾（對某一參數的兩種相反的要求）。為了方便定義技術矛盾，TRIZ總結了39個通用技術參數。利用39個通用技術參數，足以描述工程領域中出現的絕大部分技術矛盾。

研究采用技術矛盾來描述問題模型，選擇通大氣孔的氣體泄漏量作為欲改善的參數。此外，改善泄漏需采用更復雜的封嚴結構，系統的復雜性有所增加。因此，選擇通用技術參數物質損失（No.23）和系統的復雜性（No.36）作為系統的一對技術矛盾。

2.3 求通用解-發明原理

在確定通用技術參數后，從矛盾矩陣表表1中可以得到推薦的發明原理。

表1 TRIZ矛盾矩陣表

從表1可以得到推薦的發明原理編號，對應的發明原理如下：35為物理或化學參數改變原理；10為預先作用原理；28為機械系統替代原理；24為借助中介物原理。

2.4 發明原理分析

編號35代表物理或化學參數改變原理，具體描述包括改變聚集態（物態）、改變濃度或密度、改變柔度以及改變溫度。

編號10代表預先作用原理，具體描述包括兩部分：一是預先對物體（全部或部分）施加必要的改變；二是預先安置物體，使其在最方便的位置發揮作用而不浪費運送時間。

編號28代表機械系統替代原理，具體描述包括4部分：用光學系統、聲學系統、電磁學系統或影響人類感覺的系統替代機械系統；使用與物體相互作用的電場、磁場和電磁場；用運動場替代靜止場、時變場替代恒定場、結構化場替代非結構化場；把場與場作用和鐵磁粒子組合使用。

編號24代表借助中介物原理，具體描述包括使用中介物實現所需的動作和把一個物體與另一個容易去除的物體暫時結合。

3 解決方案

結合推薦的發明原理，進行以下分析。

方案1：發明原理35可以啟發人們改變主氣流的物態參數，通過改進結構布局降低主氣流的溫度和壓強。

方案2：發明原理28可以啟發人們替換現有篦齒封嚴結構，采用高效的封嚴結構，如航空發動機近年來應用較多的碳環密封和刷絲密封。

方案3：發明原理10可以啟發人們對主氣流進入軸承腔之間進行旁通排氣。

方案4：發明原理24可以啟發人們借助車臺的封嚴氣進行封嚴。

方案4雖然可以減少主氣流的泄漏量，但通入的封嚴氣仍從通大氣管排出，故無法達到減少通大氣管的氣體泄漏量的作用，故不予實施。下面將就對方案1、方案2和方案3進行分析。

3.1 方案1

改變結構布局可以降低封嚴入口處氣流的溫度和壓強參數。主氣流經過渦輪級做功后，氣流的部分內能轉化為渦輪的機械能，故做功后的氣流溫度和壓強參數較做功前會明顯降低。表2統計了4個渦輪試驗件渦輪工作級前后的溫度和壓強參數，可以看出渦輪工作級后的溫度和壓強參數降低較多。

表2 渦輪工作級前后工作參數

若試驗件采用轉子懸臂、功率后輸出支承布局，則所有支點的軸承座和軸承腔可布置在渦輪工作級之后，如圖5所示。相比其他結構布局形式（至少一處支點位于渦輪工作級之前），該結構布局下的軸承腔均位于渦輪工作級之后。軸承腔封嚴結構采用三級臺階篦齒，篦齒間隙均為0.15 mm，如圖6所示。分別將渦輪工作級前工作參數和渦輪工作級后參數作為封嚴輸入參數，基于液壓仿真軟件AMESim對氣體泄漏量進行一維計算，得到的氣體泄漏量參數如表3所示。計算結果表明，采用轉子懸臂、功率后輸出支承布局可使氣體泄漏量至少減少50%。

圖5 轉子懸臂、功率后輸出布局

圖6 封嚴結構圖（單位：mm）

表3 渦輪工作級前后氣體泄漏量計算

在滿足車臺要求的情況下，應優先采用試驗件轉子懸臂、功率后輸出布局方案。目前，新設計的某型號單級渦輪和動力渦輪性能試驗件均采用了該結構布局，試驗過程沒有出現漏油現象。

3.2 方案2

碳環密封和刷式密封是近年來在航空發動機中得到廣泛應用的新型密封結構，其封嚴效率較篦齒密封有較大提升。其中，氣浮式碳環密封屬于非接觸式密封，由碳密封環和環形跑道組成。石墨密封環的內孔與環形跑道的外圓之間有0.01～0.04 mm的徑向間隙，跑道外表面涂有耐磨層[4]。根據文獻研究，碳環密封的泄漏量僅為篦齒密封的7%[6-7]。刷式密封是一種具有優良密封性能的接觸式密封。設計狀態下，刷絲與轉子之間有一定的過盈量。工作狀態下，刷絲自由端和轉子表面發生接觸摩擦，泄漏量為篦齒密封的1/10～1/2[8-9]。典型碳環密封和刷式密封結構圖，分別如圖7和圖8所示。

圖7 典型碳環密封結構圖

圖8 典型刷式密封結構圖

考慮碳環密封通用性和可靠性更好，對軸承腔封嚴入口氣體壓強較高的試驗件可引入高效的氣浮式碳環密封封嚴結構，與多級篦齒組成組合式篦齒-碳環密封方案來提高封嚴效率，減小由主氣流泄漏至軸承腔的質量流量。

3.3 方案3

房通排氣是指在流體流動過程中通過旁通通道將一部分流體直接排出至大氣環境中。旁通排氣在壓強管道設計中比較常見，同時在航空發動機壓氣機防喘調節中有所應用[9]。為進一步降低氣體泄漏量，可在碳密封結構后設置卸壓腔連通大氣環境，則氣流經過組合式篦齒-碳環密封后一部分經卸壓腔旁通流出，剩余部分經一級篦齒進入軸承腔，如圖9所示。