楊帆，趙普揚(yáng)，葛長(zhǎng)闖

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

高壓壓氣機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速高，氣動(dòng)負(fù)荷大。伴隨著新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求，高壓壓氣機(jī)部件的壓比和負(fù)荷趨向更高，使用壽命要求更長(zhǎng)，可靠性要求更高[1]。同時(shí)，為了滿足推重比需要，對(duì)壓氣機(jī)質(zhì)量也提出更為苛刻的要求，因此，壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸向輕便化、簡(jiǎn)潔化和集成化方向發(fā)展。無(wú)螺栓高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等巨大優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向之一。

本文以無(wú)螺栓高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的典型結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，進(jìn)行針對(duì)無(wú)螺栓結(jié)構(gòu)技術(shù)難點(diǎn)的結(jié)構(gòu)分析和強(qiáng)度計(jì)算。

1 無(wú)螺栓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

早期的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子多級(jí)輪盤(pán)間采用長(zhǎng)螺栓連接（典型代表為RD33發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)后4級(jí)輪盤(pán)[1]，如圖1所示；當(dāng)前典型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子一般是在鼓筒上設(shè)置安裝邊并止口定心配合短螺栓連接或直接將多級(jí)輪盤(pán)焊接成為一體的連接形式（典型代表為M88發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)后3級(jí)輪盤(pán)的焊接形式[2]，如圖2所示）。但上述方法均有明顯缺點(diǎn)，使用長(zhǎng)螺栓連接的方法需在各級(jí)輪盤(pán)輻板上加工螺栓孔，從而削弱了輪盤(pán)的承載能力，也大大縮短了輪盤(pán)的使用壽命，因此已逐漸淘汰。而在鼓筒上設(shè)置安裝邊的方法雖然可以避免在輪盤(pán)輻板上加工螺栓孔，但有時(shí)受到壓氣機(jī)軸向長(zhǎng)度的限制，存在裝配困難的情況，并且每2級(jí)輪盤(pán)間均有安裝邊和螺栓，也不利于控制壓氣機(jī)質(zhì)量和成本。焊接結(jié)構(gòu)也有其局限性，對(duì)于多級(jí)整體葉盤(pán)來(lái)說(shuō)，焊接成為一體后顯然增加了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的維修和使用成本。綜合來(lái)看，傳統(tǒng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)明顯不能很好地滿足新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，需要開(kāi)發(fā)出1種新型低成本、易裝配、輕質(zhì)量和長(zhǎng)壽命的結(jié)構(gòu)形式。

由上述分析可知，多級(jí)壓氣機(jī)輪盤(pán)間的連接形式是限制壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件壽命和質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。如果去掉連接螺栓來(lái)延長(zhǎng)壽命和降低質(zhì)量，還能保證壓氣機(jī)多級(jí)輪盤(pán)間的可靠連接，同時(shí)降低裝配和維護(hù)成本，無(wú)疑是1種理想選擇。德國(guó)MTU公司設(shè)計(jì)出1種無(wú)螺栓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[3]（如圖3所示），輪盤(pán)（鼓）間采用止口定心，通過(guò)轉(zhuǎn)子盤(pán)腔中的長(zhǎng)軸實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)子的軸向壓緊和周向傳扭。由于轉(zhuǎn)子間采用無(wú)螺栓結(jié)構(gòu)，避免了螺栓孔處應(yīng)力過(guò)于集中而導(dǎo)致該處裂紋萌生從而影響使用壽命。另外，去掉螺栓孔后，能夠?qū)⑤啽P(pán)幅板設(shè)計(jì)得更薄，有利于控制轉(zhuǎn)子質(zhì)量。

MTU公司的無(wú)螺栓壓氣機(jī)試驗(yàn)件出口溫度達(dá)到了850 K[3]，其轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速也相對(duì)較高，因此整個(gè)轉(zhuǎn)子的離心載荷和熱負(fù)荷均很大。在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)子軸向力載荷水平進(jìn)行了測(cè)試，得到載荷變化曲線[3]（如圖4所示）。從圖中可見(jiàn)，在試驗(yàn)件啟動(dòng)階段的載荷水平較高，而在減速階段，存在轉(zhuǎn)子止口緊度不夠的情形。為了解決這2個(gè)問(wèn)題，需要1個(gè)更加高效的空氣系統(tǒng)和雙性能材料的連接軸，以保證轉(zhuǎn)子在運(yùn)行期間有足夠的止口緊度，避免轉(zhuǎn)子盤(pán)間脫開(kāi)；雙性能長(zhǎng)軸則克服了由于壓氣機(jī)進(jìn)、出口的較高溫差所引起的軸的強(qiáng)度和熱膨脹問(wèn)題，軸的連接方式采用了德國(guó)“Engine-3E Technology Program”計(jì)劃中的摩擦焊技術(shù)。

針對(duì)無(wú)螺栓高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的安全性，MTU公司還進(jìn)行了多種失效模式分析，其中最惡劣的情況是假設(shè)高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片飛逝[3]（如圖5所示），由此帶來(lái)了整個(gè)高壓轉(zhuǎn)子部件承載的瞬態(tài)劇變，但分析結(jié)果表明轉(zhuǎn)子部件在極限狀態(tài)下是安全的。

2 無(wú)螺栓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

進(jìn)行了級(jí)數(shù)較少的無(wú)螺栓高壓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的探索性研究。按照無(wú)螺栓結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)壓氣機(jī)（如圖6所示）做了適應(yīng)性修改，其改進(jìn)結(jié)構(gòu)為無(wú)螺栓轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖7所示。從圖中可見(jiàn)，布局1采用前后螺母壓緊的方式，在第1級(jí)盤(pán)前軸頸設(shè)有內(nèi)套齒，既可通過(guò)壓氣機(jī)軸傳遞轉(zhuǎn)子的扭矩，又可適量地改善前端壓緊螺母的受力情況。同時(shí)，第1級(jí)盤(pán)前軸頸上設(shè)計(jì)有用于和壓氣機(jī)軸定心的配合面，與軸之間采用過(guò)盈配合?？紤]到溫度場(chǎng)和變形的影響，壓氣機(jī)軸采取焊接方式實(shí)現(xiàn)2種材料的連接，前段采用鈦合金，后段采用高溫合金。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)軸的加工精度、前后支點(diǎn)的同心度和平衡精度都有很高的要求，因此壓氣機(jī)軸上設(shè)計(jì)有平衡去材料的凸臺(tái)，以保證整個(gè)壓氣機(jī)軸的平衡精度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。另外，為了達(dá)到轉(zhuǎn)子軸向力的平衡和各級(jí)盤(pán)心冷卻的目的，第1級(jí)盤(pán)前錐壁設(shè)計(jì)有通氣孔，引入前端冷卻氣，由壓氣機(jī)軸后端的通氣孔排出。壓氣機(jī)后的封嚴(yán)篦齒盤(pán)延展與轉(zhuǎn)子后錐壁采用一體化設(shè)計(jì)，其上帶有螺紋的安裝段。在整個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子裝配時(shí)，首先將長(zhǎng)軸和封嚴(yán)篦齒盤(pán)安裝在一起，然后逐級(jí)推入壓氣機(jī)輪盤(pán)，最后在前端旋入止動(dòng)螺母，實(shí)現(xiàn)鎖緊。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，布局1的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在盤(pán)間連接為無(wú)螺栓結(jié)構(gòu)，去掉了各級(jí)盤(pán)的軸向安裝邊，使整個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)得更緊湊，使轉(zhuǎn)子的裝配得到了簡(jiǎn)化。另外根據(jù)文獻(xiàn)[4]中有關(guān)傳力路徑的敘述，無(wú)螺栓高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力通過(guò)壓氣機(jī)軸傳遞給后錐壁和后端壓緊螺母，并由后錐壁與第4級(jí)整體葉盤(pán)的裝配止口向前傳遞給整個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，而且產(chǎn)生摩擦力來(lái)傳遞扭矩。同時(shí)通過(guò)壓氣機(jī)軸與后端螺母的螺紋預(yù)緊力來(lái)消除后錐壁與后端壓緊螺母之間的高摩擦力，使整個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的傳力路徑更便于設(shè)計(jì)和優(yōu)化。另外，由于取消了級(jí)間螺栓孔，使輪盤(pán)壽命得到極大提高。在載荷和強(qiáng)度等限制條件不變的情況下，各級(jí)輪盤(pán)也可以減薄，有利于減輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量（質(zhì)量估算結(jié)果見(jiàn)表1），同時(shí)也改善了輪盤(pán)的生產(chǎn)加工，提高了材料利用率，節(jié)約了成本。與鼓筒和輪盤(pán)焊接組合的方式比較，新結(jié)構(gòu)的材料選擇局限性更小，維修成本也將大幅度降低。

表1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和2種無(wú)螺栓轉(zhuǎn)子布局質(zhì)量和支點(diǎn)跨距對(duì)比%

布局1的前后支點(diǎn)跨距相對(duì)較大，為此，衍生出布局2的結(jié)構(gòu)形式。與布局1相比，布局2的變化在于前支點(diǎn)的安裝位置，其前錐壁由第1級(jí)盤(pán)后端引出，這樣可以將前支點(diǎn)后移，即將第1級(jí)盤(pán)由簡(jiǎn)支改為懸臂。雖然支點(diǎn)跨距得到了一定改善（從表1中支點(diǎn)跨距估算結(jié)果可知），但是卻給空氣系統(tǒng)和前支點(diǎn)傳動(dòng)、潤(rùn)滑裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新難度。并且從安裝空間來(lái)說(shuō)，第1級(jí)盤(pán)盤(pán)心需要抬高，而按照強(qiáng)度準(zhǔn)則的要求輪轂厚度需要加大，這樣修改后的第1級(jí)盤(pán)的質(zhì)量相應(yīng)增大。前端止動(dòng)螺母也存在裝配困難的問(wèn)題，需要制造專用工具。不過(guò)從加工角度來(lái)看，布局2中的第1級(jí)盤(pán)比布局1的更易于制造。

為詳細(xì)了解有、無(wú)螺栓孔對(duì)輪盤(pán)壽命的影響程度，這里取如圖7所示的第3級(jí)整體葉盤(pán)作為研究對(duì)象，葉盤(pán)材料統(tǒng)一定義為T(mén)C4合金。利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行分析，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)第3級(jí)整體葉盤(pán)周向應(yīng)力如圖8所示；無(wú)螺栓結(jié)構(gòu)第3級(jí)整體葉盤(pán)周向應(yīng)力如圖9所示。計(jì)算結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下，有螺栓孔葉盤(pán)結(jié)構(gòu)輪盤(pán)上孔邊周向應(yīng)力最大值約為718 MPa，而對(duì)于無(wú)螺栓結(jié)構(gòu)的整體葉盤(pán)，由于取消了輻板螺栓孔，輪盤(pán)的整體應(yīng)力水平有較大降低，輪盤(pán)上的最大周向應(yīng)力位置出現(xiàn)在葉盤(pán)盤(pán)心，約為490 MPa。并且輻板上原螺栓孔位置的周向應(yīng)力僅為330 MPa，減小幅度很大。根據(jù)TC4合金室溫的SN曲線[5]（如圖10所示，R=0.1時(shí)）可見(jiàn)，在室溫下，帶螺栓孔第3級(jí)葉盤(pán)疲勞壽命約為3×104次，而取消了螺栓孔的第3級(jí)輪盤(pán)疲勞循環(huán)壽命則非常高。另外，根據(jù)應(yīng)力云圖可知，葉盤(pán)壽命的薄弱位置由傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的螺栓孔邊變?yōu)闊o(wú)螺栓結(jié)構(gòu)中葉盤(pán)的其他位置，因此，無(wú)螺栓結(jié)構(gòu)更利于結(jié)構(gòu)完善，實(shí)現(xiàn)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的可靠性增長(zhǎng)和壽命提高。

3 無(wú)螺栓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)難點(diǎn)分析

無(wú)螺栓高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子布局1和布局2在結(jié)構(gòu)上有共同的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，即止口配合緊度的選取和多級(jí)葉盤(pán)變形協(xié)調(diào)的問(wèn)題以及前、后端止動(dòng)螺紋的設(shè)計(jì)。

首先，輪盤(pán)間配合止口的緊度如果選取不合適，在轉(zhuǎn)子工作時(shí)，由于離心力、氣動(dòng)力和溫度場(chǎng)等因素的影響，各級(jí)盤(pán)的連接止口存在脫開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，止口設(shè)計(jì)成輪盤(pán)壓鼓筒的形式，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，鼓筒的徑向變形數(shù)值會(huì)大于該處輪盤(pán)的，因此設(shè)計(jì)成鼓筒止口在下，輪盤(pán)止口在上的形式。但在減速或拉停階段，鼓筒的徑向變形的變化會(huì)更加明顯，快于輪盤(pán)的變化，存在變形不協(xié)調(diào)的可能，導(dǎo)致止口脫開(kāi)。MTU公司的研究表明：一般在減速階段會(huì)發(fā)生止口脫開(kāi)的情形，可能引發(fā)比較嚴(yán)重的故障。

因此，有必要對(duì)配合緊度和變形協(xié)調(diào)開(kāi)展瞬態(tài)計(jì)算分析，但是，由于沒(méi)有典型任務(wù)剖面和相應(yīng)狀態(tài)瞬態(tài)溫度場(chǎng)，故無(wú)法進(jìn)行減速或拉停狀態(tài)止口脫開(kāi)分析，也無(wú)法評(píng)估安裝緊度。只利用ANSYS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)狀態(tài)穩(wěn)態(tài)變形分析。轉(zhuǎn)子止口緊度計(jì)算結(jié)果如圖11所示，輪盤(pán)的止口根部倒圓位置普遍存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其結(jié)果顯示，接觸面均為壓應(yīng)力，最大應(yīng)力位置在第1級(jí)盤(pán)和第2級(jí)盤(pán)的連接位置，計(jì)算結(jié)果符合最初的設(shè)計(jì)假設(shè)，在設(shè)計(jì)狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，止口不會(huì)發(fā)生脫離。盤(pán)間各止口處擠壓應(yīng)力的估算結(jié)果如圖12所示，應(yīng)力依照壓氣機(jī)從前到后逐級(jí)減小，當(dāng)然上述計(jì)算僅僅為估算結(jié)果，邊界條件也并不完全真實(shí)，計(jì)算得到的數(shù)值偏高，但應(yīng)力集中位置和止口間擠壓應(yīng)力的變化趨勢(shì)可以直觀顯示。在設(shè)計(jì)止口緊度時(shí)，可以考慮將4個(gè)輪盤(pán)之間的緊度設(shè)置成不同數(shù)值，這樣在滿足止口不分離的情況下，方便現(xiàn)場(chǎng)裝配，而且不單純地將止口緊度無(wú)限制增加，以免損害轉(zhuǎn)子部件壽命。這個(gè)環(huán)節(jié)的計(jì)算還有繼續(xù)細(xì)化和發(fā)展的空間，本次計(jì)算僅僅為了分析應(yīng)力變化趨勢(shì)，驗(yàn)證計(jì)算之初的各種猜想，為下一步深入研究指明初步方向。

其次要解決的另一個(gè)使用問(wèn)題是前、后端止動(dòng)螺紋的選取，這是另一個(gè)影響新結(jié)構(gòu)可靠使用的關(guān)鍵問(wèn)題。從圖7中可見(jiàn)，前、后端螺紋的主要作用是排除軸向裝配間隙和承受軸向力，起到壓緊整個(gè)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的功能，與盤(pán)間配合止口共同保證轉(zhuǎn)子安全運(yùn)轉(zhuǎn)。為了合理選取螺紋參數(shù)，需要先計(jì)算出轉(zhuǎn)子軸向力，并按照冷態(tài)尺寸鏈計(jì)算的結(jié)果，結(jié)合溫度場(chǎng)的變化得到轉(zhuǎn)子軸向串動(dòng)量，在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)[6]中螺紋聯(lián)接的介紹，可以等效簡(jiǎn)化為螺栓和螺母配合的問(wèn)題，按照如下公式可以計(jì)算出螺紋參數(shù)，并以此選擇軸頸所需材料。

式中：σ為靜載苛；F0為總載荷；d1為螺紋小徑；σs為屈服點(diǎn)；Ss為安全系數(shù)。

式中：σa為變載荷FC為軸向載荷；[σa]為許用應(yīng)力。

另外，從壓氣機(jī)軸向載荷等級(jí)來(lái)看，軸向的微量串動(dòng)并不會(huì)給螺紋帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p傷，雖然此處的計(jì)算比較粗略，但可以滿足基本的設(shè)計(jì)需求，當(dāng)然最終的結(jié)構(gòu)布局也需通過(guò)完整、詳細(xì)的強(qiáng)度計(jì)算校核。

4 無(wú)螺栓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用展望和啟示

通過(guò)分析可知，新型無(wú)螺栓高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有其優(yōu)勢(shì)，也有其技術(shù)難點(diǎn)和瓶頸，國(guó)外在大量部件試驗(yàn)基礎(chǔ)上應(yīng)用到核心機(jī)試驗(yàn)階段，但個(gè)別結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)問(wèn)題還未完全解決，如空氣系統(tǒng)的調(diào)整，瞬態(tài)載荷工況下轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和變形分析等，因此，目前還不具備在整機(jī)中應(yīng)用的條件，特別是在整機(jī)中高、低壓轉(zhuǎn)子匹配等問(wèn)題還需要詳細(xì)規(guī)劃。

另外，這種先進(jìn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也有一些固有的局限性，例如前支點(diǎn)只能裝配在壓氣機(jī)第1級(jí)輪盤(pán)的錐壁上，這樣就導(dǎo)致高壓轉(zhuǎn)子前、后支點(diǎn)間距不會(huì)無(wú)限制縮短。而且高壓轉(zhuǎn)軸會(huì)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高壓軸長(zhǎng)，加大了該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，這些問(wèn)題都會(huì)影響此類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。但考慮到其可觀的質(zhì)量和成本優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)今壓氣機(jī)整體葉環(huán)技術(shù)還未成熟使用的條件下，無(wú)螺栓高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)將會(huì)成為國(guó)內(nèi)外先進(jìn)高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無(wú)螺栓高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量低、便于加工、裝配簡(jiǎn)便、節(jié)省空間、使用壽命長(zhǎng)和維護(hù)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，可滿足軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)不同類型高壓壓氣機(jī)的需求，具有一定的結(jié)構(gòu)通用性。國(guó)外多家知名發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)公司均有類似布局，可以看出是作為新一代壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)模式來(lái)研究和發(fā)展的，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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