鄭 彥，鐘明橋

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

喘振是由壓氣機(jī)的進(jìn)、出口氣流通道和下游節(jié)流裝置等構(gòu)成的整個(gè)壓縮系統(tǒng)的一種以氣流中斷為特征的不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)壓縮系統(tǒng)進(jìn)入喘振時(shí)，其通過的流量以及壓氣機(jī)出口壓力等參數(shù)都隨時(shí)間做低頻振蕩[1]。為避免發(fā)生喘振，有效措施之一是調(diào)節(jié)壓氣機(jī)前幾級(jí)整流葉片的安裝角，使流入的氣流具有合適的迎角，避免氣流分離。在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)上常采用多級(jí)可調(diào)靜子葉片(VSV)的方法使壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍更寬，進(jìn)而達(dá)到更好的防喘作用[2]。

國內(nèi)，多位專家對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)可調(diào)靜子葉片進(jìn)行了理論和仿真研究。如賀飛等[6]采用齊次坐標(biāo)分析法結(jié)合Matlab 軟件推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)方程的設(shè)計(jì)方法，改進(jìn)了模型航空發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。胡明等[7]使用CATIA三維設(shè)計(jì)軟件和ADAMS虛擬樣機(jī)仿真軟件，設(shè)計(jì)了一種單級(jí)可調(diào)靜子葉片并對(duì)其進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，提高了設(shè)計(jì)效率。楊偉等[8]將ADAMS 參數(shù)化分析方法初步應(yīng)用于高壓壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。趙雷等[9]基于UG NX三維設(shè)計(jì)軟件和Excel 軟件對(duì)可調(diào)葉片運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化拓?fù)浞抡娣治觥钣绖偟萚10]使用ADAMS 虛擬樣機(jī)仿真軟件對(duì)幾種搖臂和聯(lián)動(dòng)環(huán)的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。胡文杰等[11]利用ANSYS 創(chuàng)建搖臂柔性體模態(tài)中性文件，并將柔性體導(dǎo)入ADAMS 中進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型仿真分析，分析了搖臂的彈性變形對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的影響以及搖臂在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)阻力中的影響。但國內(nèi)的研究多集中在剛體模型領(lǐng)域，研究對(duì)象的各個(gè)零部件不會(huì)發(fā)生彈性變形，無法評(píng)估多級(jí)可調(diào)靜子葉片運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)零部件的彈性變形對(duì)靜子葉片調(diào)節(jié)精度的影響。

為研究多級(jí)可調(diào)靜子葉片各個(gè)零部件的彈性變形對(duì)靜子葉片調(diào)節(jié)精度的影響，本文將聯(lián)動(dòng)環(huán)先后設(shè)置為剛體和柔性體，使用ADAMS 虛擬樣機(jī)仿真軟件進(jìn)行剛?cè)峄旌蟿?dòng)力學(xué)模型仿真。利用UG NX創(chuàng)建三維CAD模型，再在ADAMS中創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)、載荷等模型要素，進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真。

2 多級(jí)可調(diào)靜子葉片虛擬樣機(jī)的建立

多級(jí)可調(diào)靜子葉片虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的主要要求是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活，在完成規(guī)定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)角誤差小[12]。多級(jí)可調(diào)靜子葉片進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，需要各個(gè)部件的質(zhì)量信息，因此需定義各個(gè)部件的材料屬性。將虛擬樣機(jī)模型導(dǎo)入ADAMS/View 中后，一旦給構(gòu)件賦予了材料屬性，ADAMS軟件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出構(gòu)件的質(zhì)量、質(zhì)心位置及構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并在質(zhì)心處自動(dòng)創(chuàng)建坐標(biāo)系，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算[7]。

2.1 VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的組成

某型發(fā)動(dòng)機(jī)的VSV 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由可調(diào)靜子葉片、搖臂、聯(lián)動(dòng)環(huán)、曲柄、連桿和作動(dòng)筒等組成，采用外操縱方案。其外部零組件包括安裝在延伸機(jī)匣上的兩套液壓驅(qū)動(dòng)組件，和安裝在高壓壓氣機(jī)外機(jī)匣上的曲柄、連桿、搖臂、聯(lián)動(dòng)環(huán)等組件；內(nèi)部零組件為高壓壓氣機(jī)機(jī)匣內(nèi)部的進(jìn)口導(dǎo)流葉片和可調(diào)靜子葉片。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略延伸機(jī)匣、銷子、銷軸、襯套、螺栓等零件。每級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖1 所示。每級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)上有6個(gè)聯(lián)動(dòng)環(huán)支架，沿聯(lián)動(dòng)環(huán)周向均布。

圖1 VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 VSV adjustment mechanism diagram

2.2 VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的機(jī)械原理

VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。調(diào)節(jié)原理是活塞桿在作動(dòng)筒里做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂、傳動(dòng)桿和零級(jí)曲柄繞曲柄中心做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。零級(jí)曲柄帶動(dòng)零級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)做繞發(fā)動(dòng)機(jī)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)和沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線平動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。零級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)帶動(dòng)零級(jí)搖臂，零級(jí)搖臂與進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)流葉片(IGV)固連，進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)流葉片繞自身軸心做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，零級(jí)曲柄帶動(dòng)零一連動(dòng)桿和零二連動(dòng)桿，進(jìn)而分別帶動(dòng)一級(jí)曲柄和二級(jí)曲柄。類似地，第一、第二級(jí)曲柄分別通過帶動(dòng)各自級(jí)的聯(lián)動(dòng)環(huán)、搖臂，使第一、第二級(jí)可調(diào)葉片做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 VSV adjustment system mechanism diagram

以IGV 級(jí)為例，各級(jí)零部件之間的運(yùn)動(dòng)副設(shè)置如表1 所示。為模擬襯套彈性變形，各級(jí)可調(diào)靜子葉片與各級(jí)內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)副用襯套力代替。

表1 模型約束類型Table 1 Model constraint types

2.3 模型載荷和驅(qū)動(dòng)

VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真不僅需要給模型添加各種約束，還要添加載荷和驅(qū)動(dòng)。模型將葉片受到的氣動(dòng)載荷分解為葉片繞自身的扭矩、沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的軸向力和沿轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)方向的切向力。模型初始狀態(tài)下，各級(jí)可調(diào)靜子葉片處于中間位置，需要先將葉片復(fù)位。模型驅(qū)動(dòng)方式為活塞桿強(qiáng)制位移驅(qū)動(dòng)，總行程用時(shí)20 s。前5 s 模擬機(jī)構(gòu)復(fù)位過程，活塞桿在空載下從中間位置移動(dòng)到全關(guān)位置；后15 s 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)并逐漸加速到設(shè)計(jì)狀態(tài)，活塞桿從全關(guān)位置移動(dòng)至全開位置，氣動(dòng)載荷從0 逐漸增加到最大值。驅(qū)動(dòng)函數(shù)曲線如圖3所示。IGV葉片的氣動(dòng)扭矩曲線如圖4所示，前5 s氣動(dòng)扭矩為0，后15 s逐漸從0增加到最大值。轉(zhuǎn)子葉片受到的軸向力和切向力隨時(shí)間的變化規(guī)律也一樣，前5 s時(shí)力為0，后15 s從0逐漸增大到最大值。轉(zhuǎn)子葉片VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型最終效果如圖5所示。

圖3 活塞桿行程曲線Fig.3 Stroke curve of piston rod

圖4 IGV氣動(dòng)扭矩行程曲線Fig.4 Aerodynamic torque stroke curve of IGV vane

圖5 VSV虛擬樣機(jī)模型Fig.5 VSV virtual prototype model

2.4 聯(lián)動(dòng)環(huán)柔性體轉(zhuǎn)化

完成VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)剛體模型建模以后，將各級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)化為柔性體。ADAMS 中采用模態(tài)綜合法將剛體轉(zhuǎn)化為柔性體。模態(tài)綜合法是將一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解成若干個(gè)較為簡(jiǎn)單的子結(jié)構(gòu)，在清楚掌握各子結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)接面上的協(xié)調(diào)條件將這些子結(jié)構(gòu)合成一總體結(jié)構(gòu)，然后利用各子結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)得出總體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形態(tài)。圖6示出了轉(zhuǎn)化為柔性體后的聯(lián)動(dòng)環(huán)。

圖6 轉(zhuǎn)化為柔性體的各級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)Fig.6 Linkage rings converted to flexible bodies

3 仿真分析

3.1 剛體模型仿真分析

在開展VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)剛?cè)峄旌戏抡嬷?，先進(jìn)行了多剛體動(dòng)力學(xué)仿真。圖7示出了進(jìn)口導(dǎo)流葉片和可調(diào)靜子葉片調(diào)節(jié)角度隨時(shí)間的變化規(guī)律?？煽闯?，同級(jí)不同角向位置角度曲線基本重合，不存在角度一致性問題。

圖7 葉片調(diào)節(jié)角度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.7 The variation of the angles of the adjustable vane at each stage with time

以IGV 級(jí)葉片角度為基準(zhǔn)，取每級(jí)葉片調(diào)節(jié)角度的平均值。將IGV級(jí)葉片調(diào)節(jié)角度平均值作為基準(zhǔn)，查看S1葉片和S2葉片調(diào)節(jié)角度的平均值，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比。為研究VSV 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)剛體模型的精度，計(jì)算了S1葉片和S2葉片的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，結(jié)果見表2。表中的相對(duì)誤差等于絕對(duì)誤差除以該級(jí)靜子葉片的可調(diào)角度范圍。分析表2 可知，S1葉片和S2葉片調(diào)節(jié)角度的絕對(duì)誤差的絕對(duì)值均在0.1°以內(nèi)，誤差較小。

表2 剛體模型中S1和S2葉片調(diào)節(jié)角度誤差Table 2 Errors of S1 and S2 in rigid body models

3.2 剛?cè)峄旌夏Ｐ头抡娣治?/h3>

VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中，聯(lián)動(dòng)環(huán)的半徑最大，非常容易發(fā)生變形，從而對(duì)VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度造成很大影響。為此，把各級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)化為柔性體，探究聯(lián)動(dòng)環(huán)柔性對(duì)各級(jí)可調(diào)靜子葉片調(diào)節(jié)精度的影響。剛體模型中，每級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)支架數(shù)目均為6個(gè)，每級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣間的間隙均為0.20 mm。為研究聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣之間徑向間隙以及支架數(shù)量對(duì)調(diào)節(jié)精度的影響，改變聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣間的徑向間隙和周向分布數(shù)量，對(duì)比分析不同情況下的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性，最終得出一組合理的聯(lián)動(dòng)環(huán)支架結(jié)構(gòu)方案。本節(jié)用各級(jí)可調(diào)靜子葉片全開位置角度的最大絕對(duì)誤差反映調(diào)節(jié)角度精度，用各級(jí)可調(diào)靜子葉片調(diào)節(jié)角度標(biāo)準(zhǔn)差反映調(diào)節(jié)角度的一致性。

3.2.1 聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣間徑向間隙對(duì)調(diào)節(jié)精度的影響

保持聯(lián)動(dòng)環(huán)支架數(shù)量不變，改變聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣間的徑向間隙，分別得出不同徑向間隙下的仿真結(jié)果，見表3。由表可知，隨著間隙增大，各級(jí)可調(diào)靜子葉片調(diào)節(jié)角度標(biāo)準(zhǔn)差的最大值也不斷增大。顯然隨著間隙增大，各級(jí)可調(diào)靜子調(diào)節(jié)角度一致性變差。

圖8采用折線圖方式直觀地表示了不同徑向間隙下的仿真結(jié)果。可看出，各級(jí)可調(diào)靜子葉片中，IGV的全開位置角度最大絕對(duì)誤差和調(diào)節(jié)角度標(biāo)準(zhǔn)差的最大值最小，S2的最大。分析VSV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理和誤差來源，其原因是：本文使用的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)屬于多級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)，液壓作動(dòng)筒通過搖臂和驅(qū)動(dòng)臂直接帶動(dòng)零級(jí)曲柄和零級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)運(yùn)動(dòng)，零級(jí)曲柄離原動(dòng)件活塞作動(dòng)筒距離最近，中間傳動(dòng)部件少，累積誤差最??；零級(jí)曲柄通過零二連動(dòng)桿帶動(dòng)二級(jí)曲柄和二級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，而零二連動(dòng)桿長(zhǎng)度比零一連動(dòng)桿約長(zhǎng)一倍，同等截面和材料條件下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，再加上各個(gè)運(yùn)動(dòng)副間隙誤差帶來的影響，使得S2的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性最差。根據(jù)表3和圖8可得出，當(dāng)聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣間的徑向間隙小于0.05 mm時(shí)，各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性變化較小，如S2 全開位置最大絕對(duì)誤差均小于1.4°，調(diào)節(jié)角度標(biāo)準(zhǔn)差的最大值均在0.5°以下，調(diào)節(jié)精度改善有限。徑向間隙在0.10～0.40 mm 時(shí)，各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性都隨徑向間隙的增加而變差。仍以S2為例，全開位置最大絕對(duì)誤差從1.227 074°增加到2.182 901°，增大了1.78倍；標(biāo)準(zhǔn)差最大值從0.391 369°增加到0.718 952°，增大了1.84 倍。當(dāng)徑向間隙超過0.40 mm 后，除S2的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性隨徑向間隙的增大不斷變差外，其余兩級(jí)可調(diào)靜子葉片的變化不大，趨于穩(wěn)定。據(jù)此，各級(jí)可調(diào)靜葉的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性跟聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣間的徑向間隙呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。綜合考慮調(diào)節(jié)精度要求和機(jī)匣工作時(shí)的受熱膨脹變形，各級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)支架和機(jī)匣間的徑向間隙應(yīng)控制在0.05～0.10 mm之間。

表3 聯(lián)動(dòng)環(huán)支架在不同徑向間隙下的仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of different radial clearances of the linkage ring bracket

圖8 調(diào)節(jié)精度和一致性與徑向間隙的關(guān)系Fig.8 Adjustment accuracy and consistency in relation to radial clearance

3.2.2 聯(lián)動(dòng)環(huán)支架周向分布數(shù)量對(duì)調(diào)節(jié)精度的影響

保持聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣間的間隙為0.20 mm，改變聯(lián)動(dòng)環(huán)支架周向分布數(shù)量，分別得出不同周向分布數(shù)量下的仿真結(jié)果，見表4。

不同聯(lián)動(dòng)環(huán)支架周向分布數(shù)量下調(diào)節(jié)精度和一致性的仿真結(jié)果見圖9。由圖可知，在三級(jí)可調(diào)靜子葉片中，IGV的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性最好，S2 的最差。當(dāng)支架少于4 個(gè)時(shí)，各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性趨于穩(wěn)定，無大幅度變化。支架從4個(gè)增加到8個(gè)過程中，各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性隨聯(lián)動(dòng)環(huán)支架數(shù)量的增加而變好。以S2為例，全開位置絕對(duì)誤差最大值從3.761 989°減小到0.872 764°，降低了76.8%；標(biāo)準(zhǔn)差的最大值從1.299 180°減小到0.299 600°，降低了76.9%。當(dāng)支架超過8個(gè)后，各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性變化幅度不大，趨于穩(wěn)定。據(jù)此，各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性與聯(lián)動(dòng)環(huán)支架數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系。綜合考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和成本因素，建議聯(lián)動(dòng)環(huán)支架周向分布數(shù)量為8個(gè)。

表4 不同聯(lián)動(dòng)環(huán)支架數(shù)量下的仿真結(jié)果Table 4 Simulation results with different number of linkage ring brackets

圖9 調(diào)節(jié)精度和一致性與聯(lián)動(dòng)環(huán)支架周向分布數(shù)量的關(guān)系Fig.9 Adjustment accuracy and consistency in relation to the number of linkage ring brackets

4 結(jié)論

以高壓壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，計(jì)算了剛體模型的調(diào)節(jié)精度，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。通過改變聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣間的徑向間隙及支架周向分布數(shù)量，探究了二者對(duì)調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性的影響。主要得出以下結(jié)論：

(1) 在VSV 系統(tǒng)剛體模型中，各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性非常高，符合設(shè)計(jì)要求。

(2) 在VSV 剛?cè)峄旌夏Ｐ椭校骷?jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性均比VSV 系統(tǒng)剛體模型的差。

(3) 聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣間的徑向間隙對(duì)各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性有很大影響。徑向間隙越小，各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性越好。綜合考慮機(jī)匣的受熱膨脹，建議聯(lián)動(dòng)環(huán)支架與機(jī)匣間的徑向間隙在0.05～0.10 mm范圍。

(4) 聯(lián)動(dòng)環(huán)支架周向分布數(shù)量對(duì)各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性有很大影響。支架數(shù)量越多，各級(jí)可調(diào)靜子葉片的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)一致性越好；但當(dāng)支架數(shù)量超過8個(gè)后，調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)角度一致性改善并不明顯。建議聯(lián)動(dòng)環(huán)支架周向分布數(shù)量為8個(gè)。