伏 宇，趙 丹，惠廣林，張 康

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

軸向力平衡與否對航空發(fā)動機軸承的使用壽命具有重要影響[1]。發(fā)動機壓力平衡系統(tǒng)提供合適的軸向載荷，以保證軸承在發(fā)動機工作包線內(nèi)的所有功率狀態(tài)不發(fā)生滑動損壞[2-3]。壓力平衡的任務(wù)，就是通過轉(zhuǎn)子軸向力計算、調(diào)整，使作用在滾珠軸承上的軸向力大小合適且不換向，而準確的軸向力計算方法是保證計算結(jié)果準確的關(guān)鍵因素。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，使得通過有限元數(shù)值分析開展軸向力計算成為可能[4]。但是由于航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時腔體流動無法準確掌握，目前只能對局部腔體開展數(shù)值仿真分析，因此暫時無法通過大規(guī)模有限元計算工作開展軸向力數(shù)值仿真分析，計算方法依舊較為傳統(tǒng)[5-6]。

傳統(tǒng)軸向力計算方法采用平均壓力乘以面積，未考慮相關(guān)影響因素，導(dǎo)致計算結(jié)果偏離較大，需要使用較為準確的試驗結(jié)果進行數(shù)值修正[7]。目前，國內(nèi)在航空發(fā)動機軸向力試驗上開展較多，但測試結(jié)果的準確性尚無法獲得認同，因此對軸向力計算方法的改進暫無支撐作用。

本文通過對軸向力測試的關(guān)鍵部件應(yīng)力環(huán)進行改進，通過在部件試驗器上開展應(yīng)力環(huán)標定試驗，獲取應(yīng)力環(huán)標定試驗結(jié)果；之后在整機上開展軸向力專項試驗，獲取整機條件下的應(yīng)力環(huán)測試結(jié)果，進而得到不同工況下的軸向力。

2 應(yīng)力環(huán)標定試驗

2.1 應(yīng)力環(huán)改進

軸向力測量的準確性取決于應(yīng)力環(huán)設(shè)計是否合理。應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，將導(dǎo)致軸向力試驗測量結(jié)果不準確。為此，借鑒國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗，對現(xiàn)有應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)進行改進。

改進前后的應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。改進前應(yīng)力環(huán)的上、下表面均有16 個大小相同的承載凸臺，改進后應(yīng)力環(huán)的上、下表面各8 個大小形狀不同的承載凸臺。大凸臺端受力不易變形，用來保證兩臺階之間的應(yīng)變計安裝位置內(nèi)、外弧長度相等；小凸臺端變形能力強，產(chǎn)生的應(yīng)力大，主要通過自身變形來測試軸向力，可獲得高的測試精度。

圖1 改進前后的應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.1 Stress ring before and after improvement

2.2 應(yīng)力環(huán)標定試驗原理

在特定結(jié)構(gòu)的彈性環(huán)上粘貼應(yīng)變片，利用彈性環(huán)在彈性變形范圍內(nèi)的軸向變形量與軸向載荷呈線性關(guān)系的原理，通過測量應(yīng)變量得到軸向力。應(yīng)變量由惠斯通電橋轉(zhuǎn)換成輸出電壓(計算式見式(1))，測量原理如圖2所示。

式中：U0為惠斯通電橋轉(zhuǎn)換輸出電壓，E為惠斯通電橋輸入電壓，K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)，ε1、ε3為拉應(yīng)變，ε2、ε4為壓應(yīng)變。

圖2 測量原理Fig.2 Measurement principle

2.3 試驗設(shè)備

試驗采用的應(yīng)力環(huán)見圖3，其中應(yīng)變計為BAB120-2AA-250，測試系統(tǒng)為Oros 動態(tài)采集系統(tǒng)。采用圖4 所示的液壓機模擬軸向預(yù)緊力，測量范圍0～55 kN，測試系統(tǒng)精度0.5%。

圖3 試驗用應(yīng)力環(huán)Fig.3 Test stress ring

2.4 應(yīng)力環(huán)標定結(jié)果

開展應(yīng)力環(huán)標定試驗，結(jié)果見圖5。圖中，F(xiàn)為應(yīng)力環(huán)軸向加載力，F(xiàn)max為應(yīng)力環(huán)最大軸向加載力。

2.5 整機軸向力試驗

圖4 試驗用液壓設(shè)備Fig.4 Hydraulic equipment for testing

圖5 應(yīng)力環(huán)標定結(jié)果Fig.5 Calibration results of stress rings at different temperatures

在某型發(fā)動機上開展了高壓轉(zhuǎn)子軸向力專項測試，測量采用在3#主軸承外環(huán)和軸承座前擋邊之間加裝應(yīng)力環(huán)的方法進行。在裝有應(yīng)力環(huán)的情況下，3#主軸承能可靠定心，并能隨應(yīng)力環(huán)(變形)前后自由移動。發(fā)動機工作時，實時監(jiān)控并獲得有效數(shù)據(jù)，錄取慢車工況(有飛機引氣)下軸向力數(shù)據(jù)共7次(圖6)。分析認為，測量結(jié)果出現(xiàn)差異，主要是因為大氣進氣條件不同和停留的物理轉(zhuǎn)速略有不同。

圖6 慢車工況軸向力測量結(jié)果Fig.6 Measurement of axial force under idle condition

試驗分別錄取了有無飛機引氣時的軸向力大小，同時對無飛機引氣時的高壓轉(zhuǎn)子軸向力開展了計算，結(jié)果見表1。由表可以看出：有飛機引氣時高壓轉(zhuǎn)子軸向力測量值比無飛機引氣時的大，軸向力計算結(jié)果與測量值偏差較大。慢車工況，軸向力計算值比測量值約小14.8%；設(shè)計點工況，軸向力計算值比測量值偏大約16.1%。

3 軸向力計算分析

發(fā)動機軸向力由容腔軸向力和流道軸向力組成，而流道軸向力又由壓氣機流道軸向力和渦輪流道軸向力組成。為準確分析軸向力計算值與測量值的差異，為后續(xù)軸向力計算方法改進提供技術(shù)支撐，對高壓轉(zhuǎn)子軸向力計算公式及輸入?yún)?shù)等因素開展了分析，找出了影響計算結(jié)果的因素。經(jīng)分析復(fù)查，影響軸向力計算結(jié)果的主要因素為：①空氣系統(tǒng)標定誤差；②應(yīng)力環(huán)標定誤差；③軸向力計算所用面積誤差；④軸向力計算所用腔壓有效性誤差；⑤渦輪流道軸向力偏差。

3.1 空氣系統(tǒng)標定誤差

根據(jù)實測空氣系統(tǒng)腔壓對計算模型進行標定，空氣系統(tǒng)腔壓標定誤差在2%以內(nèi)，設(shè)計點軸向力計算誤差約300 N。

3.2 應(yīng)力環(huán)標定誤差

單環(huán)標定誤差的影響為：應(yīng)力環(huán)中小凸臺尺寸加工質(zhì)量不一致；應(yīng)力環(huán)的安裝位置不同，各組橋路受力存在差別。分析不同溫度下各組橋路的標定結(jié)果，應(yīng)力環(huán)單環(huán)標定產(chǎn)生的最大偏差約300 N。

3.3 軸向力計算所用面積誤差

軸向力計算過程中，采用腔壓乘以面積進行計算，因此計算過程中所用面積的合理性對計算結(jié)果的準確性影響較大。目前的計算過程中，采用冷態(tài)面積對軸向力進行分析計算，沒有考慮結(jié)構(gòu)熱變形對流道及盤腔面積的影響，因此計算過程存在如下差異：①容腔面積采用的是冷態(tài)尺寸，未考慮熱變形，導(dǎo)致計算所用的面積偏?。虎赟2 流面數(shù)據(jù)是設(shè)計點的計算值，導(dǎo)致不同工況下S2流面數(shù)據(jù)存在誤差。

為此，采取如下措施對計算軸向力所用面積進行修正：①考慮高壓轉(zhuǎn)子及壓氣機和渦輪流道面的熱態(tài)變形；②壓氣機和渦輪的S2流面數(shù)據(jù)按熱態(tài)變形重新計算；③空氣系統(tǒng)以熱態(tài)S2流面數(shù)據(jù)為輸入重新計算；④軸向力計算模板中的腔壓尺寸由冷態(tài)尺寸全部轉(zhuǎn)換為對應(yīng)狀態(tài)的熱態(tài)尺寸。

采用修正后的計算面積開展軸向力分析計算，結(jié)果見表2、表3。由表可知，慢車工況的熱態(tài)軸向力計算值比冷態(tài)計算值大500 N，設(shè)計點工況的熱態(tài)軸向力計算值比冷態(tài)計算值小2 900 N，軸向力計算所用面積對軸向力計算結(jié)果影響較大。

表2 慢車工況軸向力分析結(jié)果NTable 2 Analysis results of axial force on idle condition

表3 設(shè)計點工況軸向力分析結(jié)果NTable 3 Analysis results of axial force on design point

3.4 腔壓測量值代表性分析

發(fā)動機內(nèi)部存在較大的腔體，同時也有較多的旋轉(zhuǎn)盤腔。由于軸向力計算采用的腔體壓力為進出口壓力的均值，因此對于流動復(fù)雜且盤腔容積較大的腔體，采用上述方法可能會造成較大的計算誤差。

以發(fā)動機中較為典型的旋轉(zhuǎn)盤腔(卸荷腔)作為分析對象，使用CFX 對卸荷腔進行數(shù)值仿真，求解采用Navier-Stockes 方程，湍流模型為k-ε模型[8-10]，獲取作用在高壓轉(zhuǎn)子上的壓力分布，結(jié)果如圖7 所示。圖中，r為卸荷腔半徑。采用投影積分方法獲取數(shù)值仿真下的軸向力，其僅比采用進出口壓力平均值計算的軸向力偏大200 N。由于卸荷腔為發(fā)動機流動較為復(fù)雜且盤腔容積較大的腔體，因此采用平均腔壓計算軸向力帶來的誤差可以接受。

3.5 渦輪流道軸向力偏差

試驗過程中壓氣機流道性能偏離設(shè)計較小，而渦輪流道軸向力大小受高壓渦輪膨脹比的影響明顯，因此軸向力計算需要考慮渦輪流道軸向力偏差的影響。

圖7 卸荷腔內(nèi)壓力分布Fig.7 Pressure distribution in unloading cavity

由于慢車工況點流道參數(shù)評估復(fù)雜，計算模型較難確定，因此本文僅考慮設(shè)計點下的渦輪流道軸向力偏差。數(shù)據(jù)及計算模型分析表明，渦輪流道軸向力設(shè)計工況修正可引入修正因子kTH進行。

式中：p3為壓氣機出口設(shè)計總壓，為試驗壓氣機出口實際總壓。

根據(jù)設(shè)計及試驗數(shù)據(jù)分析，本次試驗修正因子kTH為0.057，因此渦輪流道軸向力對轉(zhuǎn)子軸向力合力的影響為0.057F計算，具體為計算偏大2 953 N。

3.6 誤差分析

對影響軸向力計算結(jié)果的5 個原因進行分析。由于空氣系統(tǒng)標定偏差、應(yīng)力環(huán)標定誤差及腔壓測量值代表性對軸向力計算偏差影響較小，影響程度可忽略不計，因此軸向力計算通過熱態(tài)面積及渦輪流道軸向力偏差進行修正，計算分析結(jié)果見表4。由分析結(jié)果可知，采用修正后計算的軸向力與測量值較為接近，已能滿足工程計算分析需要。

表4 軸向力數(shù)值修正分析NTable 4 Numerical correction analysis of axial force

4 結(jié)論

(1) 對應(yīng)力環(huán)結(jié)構(gòu)進行了改進，提高了應(yīng)力環(huán)的測試精度，有效減小了應(yīng)力環(huán)自身剛度不足導(dǎo)致的測量結(jié)果偏差；

(2) 影響軸向力計算精度的主要因素為計算時所使用的有效面積及渦輪膨脹比，考慮實際工作中盤腔和流道尺寸及渦輪膨脹比影響獲取的軸向力計算結(jié)果與整機測量結(jié)果一致性較好；

(3) 通過使用有限元數(shù)值仿真分析方法獲得了發(fā)動機典型盤腔的軸向力，為后續(xù)提高軸向力計算精度進行了技術(shù)儲備。