■ 曾濤/中國航發(fā)商發(fā)

航空發(fā)動機(jī)地面關(guān)車后，內(nèi)部的熱不平衡會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子熱彎曲可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動超限和機(jī)械損傷，為解決轉(zhuǎn)子熱彎曲問題，須在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和運(yùn)行三方面采取相應(yīng)措施。

卡塔爾航空公司是配裝PW1000G發(fā)動機(jī)A320neo飛機(jī)原定的啟動用戶，但A320neo在交付前暴露的發(fā)動機(jī)問題，導(dǎo)致其拒絕接收配裝了PW1000G發(fā)動機(jī)的A320neo飛機(jī)。2016年2月15日，由漢莎航空公司作為啟動用戶接收了首架A320neo飛機(jī)（見圖1）。PW1000G初始運(yùn)行中出現(xiàn)了兩個(gè)主要問題，一是產(chǎn)生了大量的全權(quán)限數(shù)字式控制（FADEC）系統(tǒng)虛警信息，二是本文要重點(diǎn)討論的轉(zhuǎn)子熱彎曲問題。由于嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子熱彎曲問題，PW1000G發(fā)動機(jī)在地面重新起動發(fā)動機(jī)時(shí)要預(yù)先執(zhí)行4～5min的冷運(yùn)轉(zhuǎn)[1]，直接影響了航班的周轉(zhuǎn)。同時(shí)，由于熱彎曲導(dǎo)致的機(jī)械剮蹭改變了發(fā)動機(jī)高壓部件的間隙，使得發(fā)動機(jī)效率下降，導(dǎo)致航空公司運(yùn)營成本增加。面對航空公司的壓力，普惠公司不得不暫停交付發(fā)動機(jī)并對發(fā)動機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。為了解決PW1000G發(fā)動機(jī)的熱彎曲問題，普惠公司對PW1000G發(fā)動機(jī)碳封嚴(yán)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，在壓氣機(jī)葉尖增加高強(qiáng)度的立方氮化硼（CBN）涂層，并在壓氣機(jī)軸承增加了阻尼裝置。相關(guān)問題解決后，PW1000G發(fā)動機(jī)才得以恢復(fù)交付。無獨(dú)有偶，CFM國際公司的LEAP發(fā)動機(jī)也出現(xiàn)了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的問題。為了解決轉(zhuǎn)子熱彎曲的問題，CFM國際公司在發(fā)動機(jī)起動過程中增加了30s左右的冷運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 漢莎航空成為配裝PW1000G的A320neo啟動用戶

現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)對于輕質(zhì)量、高效率的要求越來越高。更輕的質(zhì)量要求導(dǎo)致了更薄的機(jī)匣和葉盤設(shè)計(jì)。更高的熱效率要求導(dǎo)致了更高的發(fā)動機(jī)運(yùn)行溫度。同時(shí)，大涵道比設(shè)計(jì)帶來不同的發(fā)動機(jī)整體振動特性。這幾種因素使得新型大涵道比發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子熱彎曲問題遠(yuǎn)比傳統(tǒng)中低涵道比發(fā)動機(jī)更為嚴(yán)重。本文綜合參考國內(nèi)外研究成果和國產(chǎn)民機(jī)型號設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的現(xiàn)象特征、運(yùn)行影響和設(shè)計(jì)解決措施進(jìn)行討論。

轉(zhuǎn)子熱彎曲現(xiàn)象

對于完全冷卻或者正常運(yùn)行的發(fā)動機(jī)而言，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的重心位置與發(fā)動機(jī)軸線保持一致。發(fā)動機(jī)地面關(guān)車后，內(nèi)部存在余熱，高溫部件會從工作溫度逐漸冷卻下來。由于冷卻過程受到發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳熱設(shè)計(jì)等因素影響，發(fā)動機(jī)各截面的溫度出現(xiàn)不均勻分布。

圖2 關(guān)車90min后高壓壓氣機(jī)溫度分布

圖3 發(fā)動機(jī)核心機(jī)轉(zhuǎn)子偏心量隨關(guān)車時(shí)間的變化示意圖

發(fā)動機(jī)關(guān)車后，存在兩個(gè)溫度梯度：發(fā)動機(jī)垂直方向的溫度梯度和發(fā)動機(jī)軸向的溫度梯度。發(fā)動機(jī)內(nèi)部自然對流換熱，熱空氣上升，形成了垂直方向的溫度梯度。同時(shí)，發(fā)動機(jī)高溫部件熱量沿流路的傳遞，導(dǎo)致了發(fā)動機(jī)軸向的溫度梯度。

MTU公司對關(guān)車90min后的高壓壓氣機(jī)溫度分布進(jìn)行了測量，如圖2所示[2]，可見溫度在垂直方向和軸向均存在梯度，并呈現(xiàn)出越靠近燃燒室，垂直高度越高，溫度越高的特點(diǎn)。

發(fā)動機(jī)關(guān)車后，其溫度是一個(gè)逐漸下降的過程。關(guān)車后較短時(shí)間內(nèi)，發(fā)動機(jī)各部件仍處于較高溫度水平，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子偏心水平也較低。隨著關(guān)車時(shí)間增加，由于發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和自然對流換熱的影響，轉(zhuǎn)子上部溫度偏高，下部溫度相對較低，形成垂直方向的溫度梯度，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子重心上移。同時(shí)，發(fā)動機(jī)軸向的余熱又導(dǎo)致了各級轉(zhuǎn)子在軸向的溫度梯度。在垂直方向和軸向雙重溫度梯度，以及因結(jié)構(gòu)形成的復(fù)雜換熱路徑的影響下，發(fā)動機(jī)內(nèi)溫度不均勻性隨關(guān)車時(shí)間逐漸增大，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子偏心量也隨之增加。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子到達(dá)最大不平衡狀態(tài)后，發(fā)動機(jī)各部件趨于冷卻狀態(tài)，各級轉(zhuǎn)子的偏心量也逐漸減小，直至發(fā)動機(jī)冷卻到冷機(jī)狀態(tài)，發(fā)動機(jī)內(nèi)部恢復(fù)均勻溫度場，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲消失。因此，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲呈現(xiàn)出先增加后減小的時(shí)間特性?；谶\(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得到的轉(zhuǎn)子彎曲隨時(shí)間變化示意圖如圖3所示。

需注意的是，空中停車時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子在風(fēng)車效應(yīng)下持續(xù)轉(zhuǎn)動，不會出現(xiàn)內(nèi)部熱不平衡，也就不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子熱彎曲現(xiàn)象。因此，轉(zhuǎn)子熱彎曲問題通常發(fā)生在發(fā)動機(jī)地面關(guān)車之后。

綜上所述，航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲是一種由熱不平衡導(dǎo)致的可恢復(fù)的轉(zhuǎn)子軸彎曲現(xiàn)象，可視作發(fā)動機(jī)地面關(guān)車后由熱態(tài)到冷態(tài)轉(zhuǎn)換過程的中間產(chǎn)物。

轉(zhuǎn)子熱彎曲影響

轉(zhuǎn)子熱彎曲通常會帶來振動和間隙兩方面的問題。

彎曲模態(tài)帶來的發(fā)動機(jī)振動問題

圖4 轉(zhuǎn)子熱彎曲形態(tài)受支撐結(jié)構(gòu)影響示意圖

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲形態(tài)會受發(fā)動機(jī)支撐形式等因素影響，不同的支撐方案將帶來不同的彎曲形態(tài)，如圖4所示。轉(zhuǎn)子熱彎曲振動特性為一階振型[4]，若在轉(zhuǎn)子熱彎曲的狀態(tài)下執(zhí)行發(fā)動機(jī)重新起動，發(fā)動機(jī)運(yùn)行的振動值會明顯上升。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行到共振轉(zhuǎn)速時(shí)，有可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動嚴(yán)重超限甚至機(jī)械損傷。若共振轉(zhuǎn)速高于發(fā)動機(jī)慢車轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)可以通過起動后熱機(jī)運(yùn)行消除轉(zhuǎn)子熱彎曲。但若共振轉(zhuǎn)速低于發(fā)動機(jī)慢車轉(zhuǎn)速，則將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)起動過程中出現(xiàn)振動超限甚至機(jī)械損傷，發(fā)動機(jī)無法起動。

轉(zhuǎn)子葉尖間隙改變導(dǎo)致的機(jī)械損傷

轉(zhuǎn)子熱彎曲狀態(tài)下的發(fā)動機(jī)運(yùn)行可以視為一個(gè)彎曲的轉(zhuǎn)軸以固定支點(diǎn)為圓心進(jìn)行周向運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)子熱彎曲導(dǎo)致的偏心，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖間隙分布發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)過程可能與機(jī)匣發(fā)生剮蹭，從而導(dǎo)致葉尖間隙增大，發(fā)動機(jī)性能衰退，嚴(yán)重情況下甚至可能導(dǎo)致葉片和機(jī)匣的機(jī)械損傷進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)安全運(yùn)行。

轉(zhuǎn)子熱彎曲的數(shù)值建模分析

為了在設(shè)計(jì)中對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子熱彎曲特性進(jìn)行評估和檢查，有必要對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值建模?；趯釓澢^程的分析，轉(zhuǎn)子熱彎曲的數(shù)值建模應(yīng)考慮轉(zhuǎn)子幾何特征、初始溫度場、轉(zhuǎn)子溫度場的垂直方向和軸向梯度、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫降曲線等因素。通過數(shù)值建模，應(yīng)能確定彎曲轉(zhuǎn)子狀態(tài)下的發(fā)動機(jī)軸彎曲形態(tài)和彎曲轉(zhuǎn)子狀態(tài)下的振動特性，包括共振轉(zhuǎn)速、振動幅值。

萊昂納多和米歇爾在文獻(xiàn)[3]中給出了一種轉(zhuǎn)子熱彎曲的數(shù)值模擬方法。結(jié)合數(shù)學(xué)模型、有限元分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，萊昂納多和米歇爾給出了發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲敏感性公式，并認(rèn)為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲受到支撐結(jié)構(gòu)、溫度梯度和對流換熱特性等關(guān)鍵因素的影響。

轉(zhuǎn)子熱彎曲的解決方法

轉(zhuǎn)子熱彎曲是葉輪機(jī)械中的普遍現(xiàn)象?，F(xiàn)代渦扇發(fā)動機(jī)對于輕質(zhì)量、高效率的要求，使得現(xiàn)代高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子熱彎曲問題變得愈加突出。如同PW1000G發(fā)動機(jī)運(yùn)行體現(xiàn)出的，轉(zhuǎn)子熱彎曲已經(jīng)成為現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)必須重視的一個(gè)問題?；谇笆鰧D(zhuǎn)子熱彎曲產(chǎn)生過程和影響機(jī)理的分析，并結(jié)合已有型號經(jīng)驗(yàn)，分別就發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和運(yùn)行使用給出建議解決措施如下。

發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)子熱彎曲考慮

發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮發(fā)動機(jī)傳熱、強(qiáng)度和葉尖間隙設(shè)計(jì)三方面因素對發(fā)動機(jī)彎曲轉(zhuǎn)子特性進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

一是優(yōu)化關(guān)車后傳熱設(shè)計(jì)。發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)開展關(guān)車后熱特性分析，對封嚴(yán)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低發(fā)動機(jī)關(guān)車后的垂直溫度梯度。以PW1000G為例，為解決彎曲轉(zhuǎn)子問題對第3級高壓壓氣機(jī)軸承的空氣碳封嚴(yán)進(jìn)行了改進(jìn)[1]，以改善發(fā)動機(jī)關(guān)車后的熱不平衡狀態(tài)。

二是優(yōu)化轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮兩方面因素：一是在發(fā)動機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮轉(zhuǎn)子熱彎曲的影響，對彎曲模態(tài)和共振轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；二是在支撐系統(tǒng)上增加阻尼裝置，降低轉(zhuǎn)子熱彎曲運(yùn)行的振動值。以PW1000G項(xiàng)目為例，普惠公司在第3級壓氣機(jī)和第4級壓氣機(jī)軸承上增加了阻尼裝置[1]。

三是優(yōu)化葉尖間隙設(shè)計(jì)。葉尖間隙設(shè)計(jì)中預(yù)先考慮轉(zhuǎn)子熱彎曲問題，改進(jìn)葉尖涂層，保證碰磨后的效率。以PW1000G項(xiàng)目為例, 普惠公司在高壓壓氣機(jī)葉尖增加了高強(qiáng)度的立方氮化硼（CBN）涂層，使葉尖碰磨機(jī)匣耐磨層后仍可保持封嚴(yán)[1]。

發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)子熱彎曲考慮

發(fā)動機(jī)試驗(yàn)中建議開展彎曲轉(zhuǎn)子特性摸底，并在試驗(yàn)操縱程序中考慮防護(hù)措施。

首先，開展核心機(jī)和整機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲特性檢查，對不同關(guān)車時(shí)間后發(fā)動機(jī)重新起動過程中的振動、葉尖間隙特性進(jìn)行試驗(yàn)測量；其次，發(fā)動機(jī)試驗(yàn)操作程序中應(yīng)增加充分的冷運(yùn)轉(zhuǎn)或者熱車程序以降低發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)子彎曲水平。

發(fā)動機(jī)運(yùn)行使用中的轉(zhuǎn)子熱彎曲解決措施

發(fā)動機(jī)的裝機(jī)運(yùn)行使用中，也可采用進(jìn)一步措施處理轉(zhuǎn)子熱彎曲問題。

一是起動中冷運(yùn)轉(zhuǎn)。若在起動過程中遭遇轉(zhuǎn)子熱彎曲問題，可通過在起動過程中增加一定時(shí)間的冷運(yùn)轉(zhuǎn)（干運(yùn)轉(zhuǎn)）來消除轉(zhuǎn)子熱彎曲，然后執(zhí)行正常起動程序。以雙軸發(fā)動機(jī)為例，正常起動過程的N2變化示意如圖5所示，增加冷運(yùn)轉(zhuǎn)起動過程的N2變化示意如圖6所示。圖中起動時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)天條件下的參考值；N2進(jìn)行了無量綱化，為發(fā)動機(jī)核心機(jī)轉(zhuǎn)速N與慢車狀態(tài)核心機(jī)轉(zhuǎn)速Nidle的比值。以LEAP發(fā)動機(jī)為例，在起動過程中增加了30s左右的冷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間以消除轉(zhuǎn)子熱彎曲保證正常起動。此方案會增加發(fā)動機(jī)起動時(shí)間，但就總體而言對發(fā)動機(jī)航線使用影響較小，建議在設(shè)計(jì)中按需使用。

圖5 無轉(zhuǎn)子熱彎曲起動過程N(yùn)2變化示意圖

圖6 轉(zhuǎn)子熱彎曲狀態(tài)下起動過程N(yùn)2變化示意圖

二是關(guān)車前低功率熱機(jī)。在條件允許的情況下，可以在關(guān)車前執(zhí)行一定時(shí)間慢車熱機(jī)，降低發(fā)動機(jī)內(nèi)溫度水平，進(jìn)而改善轉(zhuǎn)子熱彎曲問題。PW1500G發(fā)動機(jī)的試車指南中，要求停車前在低于70%N2的狀態(tài)至少運(yùn)轉(zhuǎn)10min，其主要目的是為了減輕轉(zhuǎn)子熱彎曲問題。該措施對航線運(yùn)行會產(chǎn)生影響，需與飛機(jī)方及航空公司充分溝通后采用。

三是關(guān)車后冷運(yùn)轉(zhuǎn)。在條件允許的情況下，可以在發(fā)動機(jī)關(guān)車后補(bǔ)充執(zhí)行冷運(yùn)轉(zhuǎn)，通過強(qiáng)制通風(fēng)手段降低發(fā)動機(jī)內(nèi)余溫，改善轉(zhuǎn)子熱彎曲問題。與關(guān)車前熱機(jī)相似，該措施也需與飛機(jī)方及航空公司充分溝通后采用。

結(jié)束語

對于航空發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)子熱彎曲是指由發(fā)動機(jī)關(guān)車后熱不平衡導(dǎo)致的可恢復(fù)的轉(zhuǎn)子軸彎曲現(xiàn)象。該現(xiàn)象主要發(fā)生在地面關(guān)車后，受到關(guān)車后溫度梯度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子支撐結(jié)構(gòu)等因素的影響。轉(zhuǎn)子熱彎曲可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動超限和機(jī)械損傷。因此須在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中充分考慮熱彎曲的影響。本文綜合已有研究成果和型號經(jīng)驗(yàn)，在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和運(yùn)行三方面給出了處理轉(zhuǎn)子熱彎曲問題的建議措施，希望為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考。