詹軻倚，柴小亮，余麗平，劉文平，鄧博文

(1.中國航發(fā)貴陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，貴州貴陽 550081； 2.貴州楓陽液壓有限責(zé)任公司，貴州貴陽 553009；3.西門子工業(yè)軟件(北京)有限公司，北京 100020)

引言

空氣系統(tǒng)作為航空發(fā)動機(jī)重要組成部分，起到組織冷卻、封嚴(yán)、隔熱、調(diào)節(jié)軸向力、防冰等作用[1-2]，其從壓氣機(jī)中引氣會影響發(fā)動機(jī)的性能[3-4]。引氣轉(zhuǎn)換裝置是某型航空發(fā)動機(jī)中重要組成部件，引出后氣體供滑支承腔封嚴(yán)，其由俄系АJI-31Ф發(fā)動機(jī)的氣動轉(zhuǎn)換活門改進(jìn)而來。“小狀態(tài)”時采用壓氣機(jī)五級后引氣供滑油封嚴(yán)，“大狀態(tài)”時采用風(fēng)扇卸荷腔引氣供滑油封嚴(yán)，由風(fēng)扇卸荷腔壓力控制轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

該引氣轉(zhuǎn)換裝置在發(fā)動機(jī)試車過程中出現(xiàn)了引氣轉(zhuǎn)換不可靠的問題，表現(xiàn)為隨著發(fā)動機(jī)狀態(tài)提升，未能可靠轉(zhuǎn)換至風(fēng)扇卸荷腔引氣，使得發(fā)動機(jī)大狀態(tài)工作時仍然引五級高壓壓氣機(jī)后氣體(溫度較高)至氣腔封嚴(yán)滑油腔，過于高溫的氣體將造成滑油燒蝕，同時影響了發(fā)動機(jī)推力及耗油率等性能指標(biāo)。某型發(fā)動機(jī)中間狀態(tài)時，采用壓氣機(jī)后氣流封嚴(yán)較使用風(fēng)扇卸荷腔氣流封嚴(yán)，發(fā)動機(jī)推力偏小約300 kgf。故亟需對引氣轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，解決引氣轉(zhuǎn)換不可靠問題。

航空發(fā)動機(jī)試驗(yàn)具有風(fēng)險大、成本高、周期長的特點(diǎn)，若僅依靠試驗(yàn)對改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，將消耗大量人力、物力資源，同時極大影響航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制周期。采用仿真方法對問題進(jìn)行分析并對改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，越來越受到航空領(lǐng)域的青睞。AMESim仿真在汽車、船舶、航空航天等行業(yè)已具廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)[5-10]，依靠其功能強(qiáng)大的元件庫與數(shù)據(jù)庫可完成復(fù)雜度高、專業(yè)性耦合強(qiáng)的各類仿真工作，在氣動控制方面，AMESim仿真具有較為成熟的仿真方案與工程應(yīng)用效果[11-13]。

本研究通過對引氣轉(zhuǎn)換裝置活門作用面、節(jié)流面進(jìn)行分析，采用AMESim對其進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果為改進(jìn)設(shè)計提供了清晰方向，使得產(chǎn)品改進(jìn)一次成功，縮短了產(chǎn)品改進(jìn)周期，節(jié)約了試驗(yàn)成本，解決了“引氣轉(zhuǎn)換不可靠”問題。

1 引氣轉(zhuǎn)換裝置原理

引氣轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由活門、殼體、彈簧組成，其中P2口氣體引自壓氣機(jī)五級后，P1口氣體引自引風(fēng)扇卸荷腔，A口為引氣轉(zhuǎn)換裝置出口，彈簧為壓簧，受到活門壓力。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低狀態(tài)時，風(fēng)扇卸荷腔壓力不足以克服彈簧力作用，活門位于右止點(diǎn)，A口與P2口相通，引壓氣機(jī)五級后至支承封嚴(yán)系統(tǒng)；當(dāng)風(fēng)扇卸荷腔壓力上升時，風(fēng)扇卸荷腔壓力克服彈簧力作用，活門向右移動，轉(zhuǎn)換完成后通過A口與P1間環(huán)形間隙口相通，引風(fēng)扇卸荷腔至支承封嚴(yán)系統(tǒng)。

1.殼體 2.活門 3.彈簧 A.引氣轉(zhuǎn)換裝置出口P1.引風(fēng)扇卸荷腔壓力口 P2.引壓氣機(jī)五級后壓力口圖1 引氣轉(zhuǎn)換裝置功能結(jié)構(gòu)示意圖

2 建模分析

2.1 作用面分析

對引氣轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行作用力分析，其6個作用面構(gòu)成如圖2所示，作用面的合力是活門運(yùn)動的關(guān)鍵因素。

圖2 引氣轉(zhuǎn)換裝置受力面分析

作用面1為圓形平面，其受到彈簧力與大氣壓力作用，作用力方程為：

F1=p0S1+Fspring+kx

(1)

(2)

式中，p0—— 大氣壓力，作用于彈簧腔

S1—— 作用面面積

Fspring—— 預(yù)設(shè)彈簧預(yù)緊力

k—— 彈簧剛度

x—— 活門位移

d1—— 作用面1處直徑

作用面2為帶桿圓錐面，可按照投影面積計算，作用力方程為：

F2=p2S2

(3)

(4)

式中，p2—— 引氣轉(zhuǎn)換裝置壓氣機(jī)五級后引氣(P2口)壓力

d2_pistion—— 作用面2處活塞直徑

d2_rod—— 作用面2處活塞桿直徑

作用面3為帶桿圓錐面，該作用面活塞直徑較作用面2不同，對氣體有一定節(jié)流作用，將該作用面簡化如圖3所示，作用力方程為：

圖3 帶桿圓錐面(帶節(jié)流面)示意圖

F3=p3S3_1+p5S3_2

(5)

(6)

(7)

式中，p3—— P2口節(jié)流前壓力

p5—— P2口節(jié)流后壓力，即作用面5壓力

S3_1—— 圖3中直徑ds與dr構(gòu)成的作用面積

S3_2—— 圖3中dpop與ds構(gòu)成的面積

d3_piston—— 作用面活塞直徑

d3_pop—— 作用面節(jié)流后活塞直徑

d3_rod—— 活塞桿直徑

作用面4為不帶桿圓錐面，該作用面與作用面3相比，活塞桿直徑為0，作用力方程為：

F4=p4S4_1+p6S4_2

(8)

(9)

(10)

式中,p4—— 風(fēng)扇卸荷腔(P1口)節(jié)流前壓力

p6—— P1口節(jié)流后壓力，即作用面6壓力

d4_pop—— 作用面節(jié)流后活塞直徑

d4_piston—— 作用面活塞直徑

作用面5，6為凸臺產(chǎn)生的圓環(huán)面，作用力方程為：

F5=p5S5

(11)

(12)

F6=p6S6

(13)

(14)

式中,d5與d6為活塞上凸臺直徑，二者相等。

2.2 節(jié)流面分析

對引氣轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行節(jié)流面分析，分析得到的5個節(jié)流面如圖4所示。

圖4 引氣轉(zhuǎn)換裝置節(jié)流面分析

節(jié)流A，B為圓錐面形成的節(jié)流通道，結(jié)構(gòu)簡化如圖5所示，節(jié)流面面積為：

SA=πxsinα(ds-xA×sinα)cosα

(15)

式中,x—— 活門與密封面位移

ds—— 活塞殼體內(nèi)徑

α—— 活門錐面半角，節(jié)流面B與節(jié)流面A類似

圖5 引氣轉(zhuǎn)換裝置圓錐面節(jié)流面

(16)

(17)

式中,x—— 活門與密封端面位移

D—— A出口直徑，節(jié)流面D與節(jié)流面C類似

節(jié)流面E為活門上凸臺與殼體所形成的環(huán)面，需除去(除出口)，節(jié)流面E面積為：

(18)

式中,dE_out—— 節(jié)流面E(凸臺)處殼體內(nèi)徑

dE_in—— 節(jié)流面E(凸臺)處直徑

D—— A口直徑

3 引氣轉(zhuǎn)換裝置建模與仿真

3.1 建模

利用AMESim建模仿真軟件中Pneumatic庫、Pneumatic Components Design庫、Mechanical庫、Signal庫及Control庫按照引氣轉(zhuǎn)換裝置物理結(jié)構(gòu)完成建模，選擇氣源為“Dry Air”，在草圖模式中完成模型搭建，如圖6所示，模型中為對活門上“凸臺”進(jìn)行模擬，將“不帶凸臺的活門”與“凸臺”單獨(dú)進(jìn)行建模，通過機(jī)械庫中的“LCON11”子模型將其聯(lián)合在一起。

圖6 引氣轉(zhuǎn)換裝置AMESim模型

完成草圖后，選定各模塊子模型，此處手工選擇“質(zhì)量塊”子模型為“MAS005RT-2”，其他模塊可采用首選子模型。在參數(shù)模式下完成對各項(xiàng)物理尺寸、彈簧規(guī)格參數(shù)、初始遮蔽量進(jìn)行設(shè)定，采用發(fā)動機(jī)試車過程中采集的風(fēng)扇卸荷腔壓力、溫度作為模型“P1口”，壓氣機(jī)五級后壓力、溫度作為模型“P2口”入口，環(huán)境壓力作為出口后壓力。在仿真模式中，設(shè)置仿真時間與步長，以實(shí)現(xiàn)對第2，3節(jié)中方程式進(jìn)行求解。

表1 主要模塊對應(yīng)子模型

按照引氣轉(zhuǎn)換裝置未改進(jìn)前狀態(tài)，根據(jù)臺架試車數(shù)據(jù)引氣轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換與未轉(zhuǎn)換測得的裝置出口壓力，在參數(shù)模式下對墊片厚度、摩擦力系數(shù)進(jìn)行修正，使得在風(fēng)扇卸荷腔壓力與壓氣機(jī)五級后壓力相當(dāng)?shù)那闆r下，模型計算的引氣轉(zhuǎn)換裝置出口壓力與實(shí)際測得的壓力偏差在10%范圍內(nèi)，認(rèn)為模型可用，將模型校正后，各穩(wěn)態(tài)點(diǎn)誤差在5%～10%范圍內(nèi)，模型可用。

3.2 仿真算例

推測一：引氣裝置的原型產(chǎn)品與現(xiàn)有產(chǎn)品差異項(xiàng)為取消了凸臺附件的引氣口。如果有引氣口相當(dāng)于凸臺兩側(cè)存在1個均壓槽，活門上凸臺為引氣轉(zhuǎn)換不可靠的關(guān)鍵因素。

推測二：引氣轉(zhuǎn)換裝置在承制廠進(jìn)行試驗(yàn)時未出現(xiàn)轉(zhuǎn)換不可靠現(xiàn)象，且轉(zhuǎn)換非常迅速，由于承制廠氣源能力限制，裝置出口為死腔，而其在發(fā)動機(jī)上使用時與大氣相通，裝置后節(jié)流面積為引氣轉(zhuǎn)換不可靠的關(guān)鍵因素。

根據(jù)上述推測，制定仿真算例：

算例一：已知活門凸臺高度為4 mm，對原凸臺、凸臺直徑減小2 mm、凸臺直徑減小4 mm進(jìn)行仿真計算，分析其對引氣轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換情況的影響。

圖7 仿真中壓力輸入情況

算例二：已知活門后節(jié)流面直徑為30 mm，對原節(jié)流面、節(jié)流面直徑為15 mm、節(jié)流面直徑為7.5 mm、節(jié)流面直徑為3.5 mm進(jìn)行仿真計算，分析其對引氣轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換情況的影響。

3.3 仿真與結(jié)果分析

1) 凸臺尺寸對轉(zhuǎn)換影響

模擬活門上凸臺對轉(zhuǎn)換過程的影響，根據(jù)實(shí)際發(fā)動機(jī)在10 s內(nèi)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速(n2)由70%上升至85%過程，通過受力面分析，對作用面1～6受力計算結(jié)果進(jìn)行提取以直觀呈現(xiàn)，如表2所示，結(jié)果表明：作用面5、作用面6(活門上凸臺)間壓力差對活門轉(zhuǎn)換起到阻礙作用，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增大，風(fēng)扇卸荷腔壓力增大，該阻礙力略有減小，但仍有阻礙活門打開作用。

表2 原活門隨轉(zhuǎn)速上升受力結(jié)果(慢車至最大)

表3 活門凸臺直徑減小2 mm后隨轉(zhuǎn)速上升受力結(jié)果(慢車至最大)

表4 活門凸臺直徑減小4 mm(無凸臺)后轉(zhuǎn)速上升受力結(jié)果(慢車至最大)

將凸臺直徑減小2，4 mm進(jìn)行在相同條件下進(jìn)行仿真，受力如表3、表4所示，活門移動情況如圖8所示。仿真結(jié)果表明：

(1) 隨著凸臺直徑減小，其與殼體間隙越小，兩側(cè)壓力更易于均衡，使得凸臺兩側(cè)壓力差越小，同時兩側(cè)受力面積減小，活門更易于轉(zhuǎn)換；

(2) 活門上凸臺尺寸是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換點(diǎn)的重要手段，隨著凸臺直徑減小，活門轉(zhuǎn)換對應(yīng)的n2將顯著提前，根據(jù)設(shè)計要求，某型發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換點(diǎn)對應(yīng)n2轉(zhuǎn)速應(yīng)為80%作用，故將凸臺直徑減小2 mm能夠符合設(shè)計要求；

(3) 若將活門上凸臺直徑減小過多，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換提前(慢車狀態(tài)即轉(zhuǎn)換)，同時將導(dǎo)致活門反向轉(zhuǎn)換不可靠，主要原因是凸臺與活門節(jié)流面積減小的過多，反向轉(zhuǎn)換時不足以平衡氣體沖擊的影響，故不應(yīng)將活門凸臺減小過多。

2) 節(jié)流面對轉(zhuǎn)換影響

模擬活門上凸臺對轉(zhuǎn)換過程的影響，根據(jù)實(shí)際發(fā)動機(jī)在10 s內(nèi)，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速n2由70%上升至85%，10～20 s轉(zhuǎn)速維持85%不變，各設(shè)定的節(jié)流面直徑對引氣轉(zhuǎn)換裝置活門位移影響如圖9所示。

圖8 活門凸臺直徑減小后對活門移動影響(仿真結(jié)果)

圖9 節(jié)流面直徑對活門位置影響(仿真結(jié)果)

從圖9可知，將裝置出口節(jié)流面積減小可使得活門更為可靠的轉(zhuǎn)換，節(jié)流面直徑越小，活門轉(zhuǎn)換的越迅速，如把出口完全堵死，活門將瞬間完成轉(zhuǎn)換，該結(jié)果與在承制廠內(nèi)現(xiàn)象一致。

引氣轉(zhuǎn)換裝置在發(fā)動機(jī)試車中存在加速性檢查能轉(zhuǎn)換，操縱性檢查不轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，該現(xiàn)象也可從節(jié)流面角度進(jìn)行分析，進(jìn)行加速性檢查(1 s內(nèi)油門位置由MC至ZD)時轉(zhuǎn)換節(jié)流面較操縱性檢查(6～8 s內(nèi)油門位置由MC至ZD)時要小，故能夠轉(zhuǎn)換。

4 改進(jìn)設(shè)計與驗(yàn)證

通過仿真分析，將凸臺尺寸減小或?qū)⒁龤廪D(zhuǎn)換裝置后節(jié)流面積減小均有助于裝置轉(zhuǎn)換；然而對節(jié)流面積進(jìn)行改動勢必影響發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)，改動風(fēng)險較大。直接對活門凸臺進(jìn)行改進(jìn)對其他系統(tǒng)影響較小，同時，結(jié)合設(shè)計指標(biāo)要求，將活門凸臺直徑減小2 mm，在發(fā)動機(jī)上進(jìn)行驗(yàn)證。

隨著發(fā)動機(jī)狀態(tài)上升，引氣轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換由五級壓氣機(jī)(P2口，試驗(yàn)未測，下同)引氣轉(zhuǎn)換至風(fēng)扇卸荷腔引氣(對應(yīng)發(fā)動機(jī)n2為78%)，如圖10所示。轉(zhuǎn)換前，引氣轉(zhuǎn)換裝置出口A口為壓氣機(jī)五級后氣體，溫度TA持續(xù)上升，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，風(fēng)扇卸荷腔P1口壓力上升，當(dāng)足以使裝置轉(zhuǎn)換后，引氣轉(zhuǎn)換裝置迅速轉(zhuǎn)換為風(fēng)扇卸荷腔引氣，P1口壓力克服彈簧力，略有下降，但始終高于A口壓力，轉(zhuǎn)換完成后A口溫度降低。

圖10 改進(jìn)后隨發(fā)動機(jī)狀態(tài)上升轉(zhuǎn)換情況

隨著發(fā)動機(jī)狀態(tài)下降，引氣轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換由風(fēng)扇卸荷腔引氣轉(zhuǎn)換至壓氣機(jī)五級后引氣(對應(yīng)發(fā)動機(jī)n2為79%)，如圖11所示。轉(zhuǎn)換前，引氣轉(zhuǎn)換裝置出口A口為風(fēng)扇卸荷腔氣體，溫度持續(xù)穩(wěn)中有降，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，風(fēng)扇卸荷腔P1口壓力下降，當(dāng)小于彈簧力時，引氣轉(zhuǎn)換裝置迅速轉(zhuǎn)換為P2口引氣，A口溫度逐漸上升，轉(zhuǎn)換完成后A口壓力大于P1口壓力。

圖11 改進(jìn)后隨發(fā)動機(jī)狀態(tài)下降轉(zhuǎn)換情況

5 結(jié)論

(1) 通過仿真計算及試驗(yàn)驗(yàn)證，引氣轉(zhuǎn)換裝置活門上凸臺與裝置后節(jié)流面是影響裝置轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵原因。通過減小活門上凸臺直徑或裝置節(jié)流后面積均可解決轉(zhuǎn)換不可靠問題，但改變裝置后節(jié)流面積將對潤滑系統(tǒng)造成一定影響，故改進(jìn)方案中通過將活門凸臺減小2 mm以解決轉(zhuǎn)換不可靠問題，通過發(fā)動機(jī)整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證有效，性能指標(biāo)滿足要求；

(2) 減小活門凸臺直徑會帶來減小面積差與增大節(jié)流面積的效果，該處理方法加工簡單，但該種加工方式最大程度的減小了節(jié)流面積，將節(jié)流面積減小過多可能會導(dǎo)致裝置反向轉(zhuǎn)換不可靠的問題，后續(xù)可探索對活門凸臺不同補(bǔ)充加工形式對裝置轉(zhuǎn)換的影響。