大型客機發動機高壓壓氣機典型結構設計特征

曹傳軍, 徐峰, 陸曉鋒

(中國航發商用航空發動機有限責任公司, 上海 200241)

大型客機的定義通常是起飛重量大于100 t,乘坐人數超過百人的民用飛機。作為大型客機動力的大涵道比渦扇發動機技術,目前掌握在美國通用電氣、美國普惠、英國羅羅及其合資公司手中[1-2]。航空發動機被譽為工業皇冠上的“明珠”,代表了國家的工業水平,屬于大國重器。中國分別在2007年和2017年啟動了兩個國家重大科技專項,即“大型飛機重大專項”和“航空發動機及燃氣輪機重大專項”,開展大型客機和民用大涵道比渦扇發動機的研發,期望最終能發展出中國自主知識產權的大型客機和大涵道比渦扇發動機。

高壓壓氣機作為大涵道比渦扇發動機的核心部件,追求高性能、高可靠性、低成本等,涉及氣動、結構、強度、傳熱、材料、工藝等多個專業領域,技術難度極高[3]。國際標桿發動機公司基于強大的技術能力和工業基礎以及產品服役過程中積累的經驗,發展了具有各自特點且滿足市場需求的高壓壓氣機型號。PW公司發展了PW4000發動機11級高壓壓氣機、PW6000發動機6級高壓壓氣機、PW1000G發動機8級高壓壓氣機,GE公司發展了GE90發動機10級高壓壓氣機,尤其是發展的GE-9X發動機11級高壓壓氣機,壓比達到了驚人的27～28,成為世界之最。RR公司發展了RB211和TRENT系列的6級高壓壓氣機。CFMI公司成功發展了CFM56發動機9級高壓壓氣機和LEAP系列10級高壓壓氣機[4]。

中國在民用大涵道比渦扇發動機高壓壓氣機領域的技術基礎薄弱,無成熟經驗和數據積累,研發起步階段有必要去借鑒和參考標桿機型高壓壓氣機的設計特征。尤其是標桿機型高壓壓氣機結構設計,是在大量的、長期的產品運行和不斷改進的基礎上發展起來的高可靠性的設計特征。現對國際主流發動機公司高壓壓氣機典型結構設計特征進行了詳細的剖析并總結了結構設計的難點問題和建議措施,期望為國內的大型客機發動機高壓壓氣機的結構設計提供些許參考和幫助。

1 結構設計總體布局

大型客機采用大涵道比渦扇發動機作為其動力,如圖1所示為美國GE公司最新發展的GE-9X發動機[5],推力達到了60 t以上,采用了11級軸流式高負荷高壓壓氣機,壓比達到27以上。

高壓壓氣機結構設計需要滿足性能設計提出的各項要求,滿足強度、振動、壽命的要求,且要求結構簡單、重量輕、維修方便、成本低、可靠性高等。壓氣機主要的結構形式有軸流式、離心式和軸流離心混合式3種,軸流式可實現高通流、高壓比的需求,得到了廣泛的應用,目前投入運營的大型客機發動機的高壓壓氣機皆為軸流式。

高壓壓氣機作為單元體,主要包括轉子組件、靜子組件、支撐結構、角度調節機構等,實現與上下游單元體之間的連接、載荷和功率傳遞等。圖2所示為在單通道窄體客機動力領域占據半壁江山的

圖1 GE-9X發動機[5]Fig.1 GE-9X engine[5]

圖2 CFM56高壓壓氣機結構[6]Fig.2 Structural sketch of CFM56 high pressure compressor[6]

CFMI公司研發的CFM56系列發動機高壓壓氣機結構示意圖[6],共9級軸流式壓氣機,該壓氣機結構布局具有大型客機發動機高壓壓氣機的典型結構設計特征。轉子采用盤鼓式連接,第1和第2級盤鼓焊接一體,第4～9級盤鼓焊接一體,前軸與第3級盤采用螺栓連接,9級盤后鼓筒與篦齒盤螺栓連接,第1～3級葉片與輪盤采用軸向榫連接,第4至9級葉片與輪盤采用周向榫連接[7];靜子組件包括對開式前機匣組件,前機匣組件外設計有可調導葉調節機構(variable stator vane, VSV),前4排靜子葉片角度可調節。雙層后靜子機匣組件,內層形成氣流通道,外層承力,內外層機匣之間形成引氣腔結構,用來連接渦輪冷卻引氣、防冰和客艙引氣等。內層機匣為分半式,方便分解和裝配。

2 支承與傳力路徑設計

除了RR公司的RB211系列和Trent系列發動機采用了三轉子結構方案,其他的如CFM56、LEAP、GE90、GE-NX、PW4000系列、V2500、PW1000G均采用了雙轉子結構方案,其中PW1000G低壓轉子采用了齒輪傳動的形式。各大發動機公司都采用了衍生發展的思路,提高可靠性,降低成本[8-9]。

高壓壓氣機轉子和高壓渦輪轉子連接形成高壓轉子,通常采用2支點的結構設計方案。用兩條前后排列的橫線分別代表壓氣機轉子和渦輪轉子,兩條橫線前后及中間的數字表示支點的數目,目前大型客機發動機高壓轉子的支承有1-0-1和1-1-0兩種形式。1-1-0式是PW公司使用較多的方案,具有高低壓轉子間無振動耦合的特點,有良好的振動特性,如PW4000系列發動機即采用此支承結構,其他典型發動機高壓轉子幾乎都采用1-0-1的2支點支承方式,如圖3所示。考慮到止推軸承(即滾珠軸承)既要承受軸向載荷,又要承受徑向載荷,通常將其放在高壓壓氣機前面,工作環境溫度相對較低的區域,有時為了減輕滾珠軸承的載荷,在滾珠軸承旁邊并列設計一個滾棒軸承用來承受徑向載荷,而滾珠軸承只承受軸向載荷,如圖4所示[6]。為了降低臨界轉速,使得發動機工作轉速大于臨界轉速,高壓壓氣機前支承點通常采用彈性支承結構,減小轉子的支承剛性。進一步為控制高壓轉子的振動,吸收振動能量,可以在彈性支承結構處設置減振器,擠壓油膜阻尼器是一種簡單有效的常用結構形式,PW4000、V2500、GE90、LEAP等發動機高壓轉子前支點即采用了擠壓油膜阻尼器彈支結構(圖5)[6]。GE公司通常將高壓渦輪前后的支點設計成中介支點,此種設計省去了高壓渦輪前后的承力結構,使得發動機結構簡單、重量輕。但這種設計存在著高低壓轉子間的耦合振動問題,且中介支點滾棒軸承的潤滑變得困難。

高壓壓氣機轉子受到的軸向力從后往前傳遞到高壓轉子前支承點,由滾珠軸承傳遞至中介機匣承力框架后外傳至發動機。高壓壓氣機靜子上受到的軸向載荷,由靜子葉片傳遞至機匣,通過前后承力框架傳遞至發動機。

圖3 高壓轉子支承結構示意圖Fig.3 Structural sketch of supporting structure of high pressure rotor

圖4 CFM56-5高壓轉子前支承結構示意圖[6]Fig.4 Structural sketch of front supporting structure of CFM56-5 high pressure rotor[6]

圖5 PW4000高壓轉子前支承結構[6]Fig.5 Structural sketch of front supporting structure of PW4000 high pressure rotor[6]

3 轉子設計

3.1 結構形式

大型客機發動機高壓壓氣機轉子通常采用盤鼓式連接形式,盤鼓止口采用圓柱面定心,過盈連接,這種轉子兼有盤式轉子強度好及鼓式轉子抗彎、剛性好等特點。圖6為GE90高壓壓氣機結構圖,采用盤鼓焊接和短螺栓連接方式,無整體葉盤,葉片與盤之間采用軸向榫和周向榫連接形式[10]。

圖7所示為GE-NX發動機高壓壓氣機結構,轉子共有3級采用整體葉盤,分別是第1級、第2級和第5級,其中第3和第4級盤鼓為焊接一體式,后5級盤鼓為焊接式后鼓筒,前軸后端與第2級整體葉盤

圖6 GE90高壓壓氣機結構示意圖[10]Fig.6 Structural sketch of GE90 HPC[10]

圖7 GE-NX高壓壓氣機結構示意圖[11]Fig.7 Structural sketch of GE-NX HPC[11]

連接,前軸前端與高壓壓氣機前支點止推軸承連接,傳遞轉子軸向載荷;后錐鼓筒與篦齒封嚴盤連接。轉子通過止口圓柱面定心,通過短螺栓連接提供預緊力進行傳力傳扭。整個轉子共有三處通過短螺栓進行連接,分別在第2級盤、5級盤和篦齒盤處[11]。RR公司的高壓壓氣機習慣于用圓弧端齒的連接形式進行傳扭和定心,如圖8所示[12]。部分機型的高壓壓氣機轉子后鼓筒采用電子束焊連接形式,隨著工藝水平的提高,慣性摩擦焊連接得到了廣泛應用,可以提高焊接組件的強度和壽命。LEAP高壓壓氣機轉子的前軸與第1級盤連接,而GE-NX高壓壓氣機轉子的前軸與第2級盤連接,前軸與第2級盤連接,有利于提高轉子鼓筒的剛性,提高轉子動力學特性,而與第1級盤連接,其裝配過程更簡易。PW1000G高壓壓氣機采用8級軸流式無螺栓連接的轉子形式,具有結構簡單、成本低、質量輕等優勢[13],但也存在著轉子盤鼓之間不同材料和不同工況下的熱變形協調問題,影響了轉子動力學特性。

圖8 BR710高壓壓氣機一級盤圓弧端齒[12]Fig.8 Circular gear couplings of first disk of BR710 high pressure compressor[12]

為了給渦輪盤和渦輪轉子葉片進行冷卻,多數高壓壓氣機會在后面級鼓筒設計引氣孔,氣流經過盤腔至渦輪葉盤。為了減小引氣壓力損失,通常盤間設計有減渦器,GE-NX高壓壓氣機在7級盤與8級盤之間設計了減渦器,用來從7級輪轂處引氣對渦輪轉子葉片進行冷卻;圖9為BR710高壓壓氣機第6、7級盤之間的減渦器[12]。

3.2 轉子葉片

現役民機發動機高壓壓氣機前面級轉子葉片部分仍然采用大展弦比細長帶凸肩分離式葉片,如CFM56-3/5型高壓壓氣機第一級轉子葉片。大展弦比細長葉片是為了控制流道上下端區的附面層的影響,帶凸肩是為了減小細長葉片振動能量,凸肩之間的相互摩擦起到振動阻尼作用。自從Wennerstrom[14]發展并驗證了小展弦比葉片之后,現代先進壓氣機都采用了無凸肩小展弦比葉片[15],如圖10所示。

葉片上另外一個特征是葉尖削薄(或稱squealer),通常將葉片壓力面側葉尖部分材料去除(圖11)。由于葉尖削薄,當萬一葉尖與機匣相碰時,也不會引起嚴重后果,葉尖與機匣間可以采用相對較小的徑向間隙,提升壓氣機的性能,標桿機型尤其是GE公司的高壓壓氣機,廣泛應用了這種設計特征。

圖9 BR710高壓壓氣機級間減渦器[12]Fig.9 Vortex reducer of BR710 high pressure compressor[12]

圖10 不同展弦比葉片對比Fig.10 Comparision of different aspect ratio blade

圖11 葉尖squealer設計Fig.11 Squealer design of blade tip

傳統的葉片和盤之間采用盤片分離式結構形式,有軸向榫和周向榫兩種結構形式。20世紀80年代出現了整體葉盤的結構形式,轉子葉片和輪盤做成一體,結構大大簡化,具有質量輕、結構簡單、零件少、效率高、可靠性高等特點。現代先進民機發動機高壓壓氣機大量采用整體葉盤的形式,GE-9X高壓壓氣機前6級即采用了這種整體葉盤結構,如圖12所示[5]。

后面級由于葉片數較多、稠度較大,葉片與盤通常采用周向榫槽盤片分離式結構(圖13)[12],相比軸向榫槽葉盤結構,周向榫槽形式加工簡單、裝配方便,甚至只需打開壓氣機機匣就可以進行拆裝葉片。

比較例外的是現役先進的Trent1000發動機6級高壓壓氣機均采用了盤片分離式結構形式[16],第1級軸向榫結構,第2～6級周向榫結構,如圖14所示。但后來發展的Trent XWB高壓壓氣機前3級又采用了整體葉盤的結構形式[17]。

圖12 GE-9X前六級焊接一體整體葉盤結構[5]Fig.12 Front six Blisks of friction welding of GE-9X[5]

圖13 燕尾榫頭分離式葉片[12]Fig.13 Swallow tailed blade[12]

圖14 Trent1000分離式葉盤結構[16]Fig.14 Disks and blades of Trent1000[16]

3.3 材料選擇

材料選取成熟材料和工藝標準,并盡可能壓縮材料牌號、品種和規格,降低成本。轉子前面級的溫度較低,葉片和盤(或者整體葉盤)選用輕質的鈦合金材料、如Ti6242、Ti64、Ti17等,后面級的盤和葉片選用高溫合金材料,如盤鼓選擇IN718、Rene65等,葉片選取IN718、IN718+等,出口級由于溫度很高,盤鼓選用高溫粉末合金材料,如Rene88DT等。溫度水平不高時,壓氣機后面級盤鼓也有采用高溫鈦合金,形成全鈦合金轉子,RR公司的Trent700是第一個在高壓壓氣機轉子盤鼓上全部采用鈦合金的發動機,所使用的是IMI834高溫鈦合金。

4 靜子設計

4.1 機匣

機匣有分半式機匣和整環機匣兩種,分半式機匣裝配和維修性好,分拆時一般不需要分解轉子,但周向剛性弱,周向變形不均,導致機匣與轉子之間形成的葉尖間隙周向不均勻,影響壓氣機的性能。整環機匣沒有分半機匣的缺點,但裝配困難,需要轉子葉片設計成可拆卸式。結合前文介紹的壓氣機轉子前面級一般采用整體葉盤,后面級采用盤片分離式,因此高壓壓氣機前面級靜子機匣通常設計成分半式,后面級機匣設計成軸向分段整環式。同時后面級溫度高,變形大,為了保證壓氣機氣動性能穩定,通常設計成雙層機匣,外層機匣承力,內層機匣形成氣流通道。PW公司的PW4000(圖15)、PW1000G[18],GE公司的GE90[19]、GE-NX[20],CFMI公司的CFM56、LEAP等高壓壓氣機都采用了這種雙層機匣結構設計。在高壓壓氣機機匣上,對應工作葉片葉尖處開槽[21],用來減少流動損失,提高壓氣機喘振裕度[22],如圖16所示,這種機匣處理方法在CF6-80C2、RB211-535E4、PW4000上皆有應用[23]。

圖15 PW4000高壓壓氣機結構Fig.15 Structural sketch of PW4000 high pressure compressor

圖16 不同種類的機匣處理結構[22]Fig.16 Different configurations of casing treatments[22]

4.2 靜子葉片

靜子葉片有角度可調節和不可調節兩種,角度可調節靜子葉片帶有上下軸頸(圖17),分別安裝在前靜子機匣和內環中。壓氣機后面級靜子葉片角度通常不可調節,采用靜葉扇形段的形式,由多個靜子葉片組合成靜葉扇形段結構(圖18),扇形段頂端安裝在機匣內壁環形槽中,扇形段底端安裝在封嚴環中。靜葉扇形段可通過直接機械加工完成(如整環加工后線切割),也可采用鈑金釬焊的加工工藝,葉片通過輥軋或精鍛加工,上下緣板通過鈑金成型后,與葉片釬焊一體形成靜葉扇形段。靜葉輪轂處通常設計有內環和封嚴結構,與轉子鼓筒篦齒配合,減小級間泄漏損失。大型客機發動機高壓壓氣機也有采用懸臂靜葉結構形式,例如,PW1000G和BR710高壓壓氣機后面級的靜子葉片,如圖19所示[12]。與采用蜂窩和篦齒配合形式相比,懸臂靜子的根部與鼓筒之間需要留有一定的間隙,這會帶來根部氣流泄漏摻混的損失,但懸臂靜子結構可以保證轉子輪轂處流道連續,沒有靜葉根部前后容腔泄漏造成的氣流損失。

圖17 可調靜子葉片Fig.17 Variable stator vane

圖18 靜葉扇形段示意圖Fig.18 Schematic diagram of stator vane sector

圖19 BR710高壓壓氣機結構示意圖[12]Fig.19 Structural sketch of BR710 HPC[12]

4.3 靜葉調節機構

高壓壓氣機級數較多時,通常設計多排的角度可調節的靜子葉片,通過多排靜葉的角度聯動,改變轉子葉片的來流攻角,達到改善壓氣機中低轉速性能的目的[24]。靜葉調節機構有曲柄連桿和扭力桿兩種結構形式。圖20為曲柄連桿式角度調節機構示意圖,安裝在對開機匣兩側。主要包括作動筒、曲柄操縱組件、連桿、聯動環等,工作時通過作動筒的線位移驅動曲柄的轉動,通過連桿拉動聯動環,帶動搖臂,轉動靜子葉片,從而改變葉片角度。工作前,需要通過打壓標定試驗,確認作動筒線位移與靜葉旋轉角度之間的關系,通過控制線位移來控制葉片轉動的角度,目前的角度調節精度可以達到0.5°～1.0°。曲柄連桿式角度調節機構應用較為廣泛,在CFM56、LEAP發動機高壓壓氣機中都有應用。扭力桿式調節機構包括作動筒、扭力桿、連桿、聯動環等[25],如圖21所示,扭力桿式具有傳力路徑短、結構簡單、可實現非線性角度規律等優勢,但其空間占用大,目前主要應用在雙通道客機發動機高壓壓氣機中,如GE-NX。

圖20 曲柄連桿式角度調節機構示意圖Fig.20 Sketh of crank connecting rod VSV

圖21 扭力桿式角度調節機構[25]Fig.21 Sketh of torsion bar VSV[25]

4.4 材料選擇

高壓壓氣機前面級溫度較低,分半式機匣通常采用不銹鋼材料,如M152,考慮轉子前面級采用了鈦合金材料,為了防止轉靜子刮磨后產生鈦火,通常分半式機匣不使用鈦合金材料。后面級機匣溫度較高,采用高溫合金材料,如IN903、IN907、IN718等。

前面級靜子葉片采用不銹鋼,如17-4PH,也有的機型為了減重,在合理設計軸向間距避免產生刮磨發生鈦火的基礎上,采用鈦合金靜子葉片,與轉子鈦合金葉片成對使用。零級靜葉所處的溫度較低,也可使用鋁合金材料,減輕重量。后面級靜葉一般采用高溫合金,如IN718等。用于封嚴的蜂窩一般采用Hastelloy X合金材料。

5 設計難點

5.1 徑向間隙設計

徑向間隙包括機匣與葉片之間的葉尖間隙和蜂窩與篦齒之間的間隙。徑向間隙尤其葉尖間隙對高負荷的民機壓氣機性能的影響非常明顯[26-28],但過小的葉尖間隙對安全帶來風險,葉尖間隙設計時,需要在性能與安全之間進行迭代。間隙設計過程中影響因素需要考慮全面,如轉子和機匣的冷熱變形、機匣軸向變形帶來的徑向差異、葉尖和機匣的尺寸公差、葉尖和機匣涂層的跳動、軸承座同心度、軸承的游隙、穩態的不平衡響應、彈性支承的變形等。

為了控制機匣與葉尖刮磨風險,機匣與葉尖對應的表面會噴涂一層可磨耗的涂層,涂層厚度為1.2～1.5 mm。涂層粗糙度相比無涂層金屬表面要大得多,會帶來性能上的下降,尤其在發動機服役一段時候后,還會產生涂層掉塊,使得發動機的性能衰退。因此一些標桿機型,如CFM56、LEAP發動機,將壓氣機后面級的機匣設計成無涂層的金屬表面,且允許一定量的刮入深度。但對于前面級鈦合金轉子葉片,對應的機匣通常是要噴涂可磨耗涂層,且前面級葉片較長,葉尖間隙的影響相對較弱,可以適當放大葉尖間隙,不讓葉尖刮入涂層,可以將熱態的最小葉尖間隙設計在0.1～0.2 mm。考慮了冷熱變形差異之后,某標桿機型轉靜子的冷態葉尖間隙范圍在0.76～1.60 mm[29]。葉尖間隙設計即使考慮因素全面,由于在設計過程中一些壓力場和溫度場計算不準確,加工和裝配一些偏差,會導致最終葉尖間隙偏離原先設計,需要根據孔探和分解檢查結果進行多次的迭代,商發公司的某型整機,高壓壓氣機葉尖間隙即經過了三個臺份的調整迭代。在結構和材料構型發生改變時,僅僅針對這些改變的構型計算變形的差異,快速更新葉尖間隙的設計。篦齒間隙的設計與葉尖間隙類似,標桿機型允許篦齒刮入蜂窩0.5～1 mm。

5.2 預防鈦火設計

鈦合金轉子葉片與鈦合金機匣或者靜子葉片進行相互磨蹭時,產生大量摩擦熱量,引起鈦合金燃燒。著火后極短時間之內,即能將鈦合金機匣燒穿。鈦合金葉片與鋼機匣嚴重磨蹭也能引起鈦著火,RB211-524發動機高壓壓氣機發生多起鈦著火問題。鈦合金著火,與通過它周圍空氣的壓力、溫度、速度等有關,較高的壓力和溫度下,容易著火[30]。壓力越高,鈦合金能點燃的溫度將會低一些。高壓壓氣機前幾級流過的空氣壓力與溫度恰好落在易使鈦著火的參數范圍內,高壓壓氣機一定要關注防鈦火的設計。

針對鈦著火,設計時首先不要成對使用鈦合金,靜子機匣和靜子葉片設計成不銹鋼或高溫合金機匣,或者在鈦合金機匣內設置不銹鋼隔離襯套并在機匣流道面噴涂阻燃可磨耗涂層[31],如PW4000高壓壓氣機第一級工作葉片對應的機匣,多種原先使用鈦合金機匣的機型后來都改成了不銹鋼機匣,如CF6、CFM56等。其次,防止鈦轉子與靜子之間的嚴重刮磨,如轉子和機匣在工作過程中不發生大變形,零件不脫落產生大的不平衡量,鈦合金葉片不會脫落并卡滯在機匣處等。最后還需要開展充分的試驗驗證,獲得鈦合金葉片在運行工況中的著火邊界[32]、喘振過程中的轉靜子軸向間隙變化、機匣的著火包容性等。

5.3 高可靠性設計

可靠性是民機發動機的重要指標,影響發動機的返修率、空停率和成本等,高壓壓氣機在結構設計之初,必須要考慮部件的高可靠性設計。故障模式、影響與危害分析(failure mode effects and criticality analysis, FMECA)是可靠性設計的根本措施之一[33]。對高壓壓氣機各零組件進行分層可靠性建模[34],對可能發生的故障進行模式、影響及危害性分析,并針對分析的結果,采取相應的措施。中國在軍機發動機領域積累了一定的經驗,但在民機發動機領域的研究剛剛起步,故障模式積累和數據庫還未建立,這是高壓壓氣機高可靠性設計的一大難題。

結合商發公司在民機高壓壓氣機領域的初步研究,可靠性設計方面可以從幾個方面去完善提升。一是借鑒和調研,充分借鑒中國軍機發動機高壓壓氣機在服役過程中出現的可靠性相關問題和解決措施,通過文獻調研國內外發動機高壓壓氣機可靠性相關問題,走訪航空公司和維修單位,對民機高壓壓氣機的故障和解決措施進行收集,歸納整理。二是采用系統工程正向設計的思路,充分識別高壓壓氣機設計的需求,識別運行場景,利益相關方的需求,落入到設計中并進行充分驗證。三是成熟設計與驗證的新技術設計原則,大量采用現役先進發動機壓氣機的成熟結構方案,簡化零件結構[35],減少零件數量,采用經過大量試驗驗證的新技術,提高可靠性,如早期采用盤片分離螺栓連接的轉子組件結構形式,零件多,制造和裝配復雜,經過設計改進和工藝攻關,目前先進的轉子結構都采用了焊接一體的盤鼓結構,減少了大量零件,顯著提高了結構可靠性。四是準確預測高壓壓氣機結構件的疲勞壽命,疲勞破壞是結構件失效的重要模式,選用合適的壽命預測方法和材料疲勞參數是關鍵,開槽、開孔等缺口構件存在局部的應力、應變集中,即使承受小的應力也會發生塑性變形,在循環載荷作用下,導致裂紋萌生,進一步構件會斷裂失效[36]。

5.4 性能與成本平衡

高壓壓氣機的發展離不開先進技術的應用,如復合彎掠葉型設計、整體葉盤以及整體靜子葉環結構特征等。然而新技術的應用,會導致其全壽命周期費用攀升。復雜葉型會增加加工難度,帶來制造成本的增加;整體葉盤、整體葉環不但制造成本高,后續使用過程中,也會因為修復技術的發展滯后,出現“只換不修”的現象,帶來維護成本的大幅攀升。

因此,高壓壓氣機結構設計開發過程中,在保證性能的同時也要充分考慮其經濟性和成本,確保全壽命周期內成本可控[37-38]。例如,控制整體葉盤使用級數;基于當前整體葉盤修復技術滯后現狀,最容易受外物損傷的進口級采用盤片分離結構;針對性能影響較小的靜子葉環,由常規的整體鍛造加工調整為鈑金釬焊工藝生產;葉片葉型控制基于采用無余量精鍛工藝加工方式進行要求等。

6 結語

高壓壓氣機作為大涵道比渦扇發動機的核心部件,追求高性能、高可靠性、低成本等,涉及氣動、結構、強度、傳熱、材料、工藝等多個專業領域,技術難度極高。中國在民用大涵道比渦扇發動機高壓壓氣機領域的技術基礎薄弱,無成熟經驗和數據積累。尤其結構設計,是在大量的、長期的產品運行和不斷改進的基礎上發展起來的高可靠性的設計特征,研發起步階段有必要去借鑒和參考標桿機型高壓壓氣機的設計特征。對民用大涵道比渦扇發動機高壓壓氣機典型結構設計特征進行了分析,包括結構總體布局、支承傳力、轉靜子典型結構特征和選材,提出了結構設計的難點和建議措施,期望為國內大型客機發動機高壓壓氣機的結構設計提供些許參考和幫助。