徐 雪，黃愛華，郭 捷

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都610100）

0 引言

總體結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計(jì)是新型航空發(fā)動機(jī)的頂層設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工作，對于后續(xù)設(shè)計(jì)具有極其重要影響，因此必須十分慎重，既要有足夠的方案設(shè)計(jì)繼承性又要能夠充分地適應(yīng)新任務(wù)要求。目前，傳統(tǒng)的航空發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計(jì)多參考一型原準(zhǔn)機(jī)，并適應(yīng)性引入新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)。這種方式的繼承性較強(qiáng)，適用于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的應(yīng)用；但對于垂直起降動力系統(tǒng)和升力風(fēng)扇等的創(chuàng)新型應(yīng)用就難以產(chǎn)生布局新穎、充分適應(yīng)新特點(diǎn)的方案，這在一定程度上限制了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

本文以某一型升力風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計(jì)為對象，嘗試從新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，引出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，并基于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征的組合開展多方案設(shè)計(jì)，通過對比分析選擇出最佳方案的方法。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與需求分析

升力風(fēng)扇的基本參數(shù)：流量約為200kg/s、輸入軸功率約為20MW、2級風(fēng)扇轉(zhuǎn)速約為6700r/min、傳動比為1.1、風(fēng)扇直徑不大于1.3m。其所在的垂直／短距起降飛機(jī)動力系統(tǒng)方案與F-35B的動力系統(tǒng)方案[1-2]相似，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)布局方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足升力風(fēng)扇設(shè)計(jì)需求的前提下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量最輕和設(shè)計(jì)難度較低。從以上參數(shù)和圖1中可見，升力風(fēng)扇在功能和使用條件上與常規(guī)發(fā)動機(jī)風(fēng)扇存在很大區(qū)別，可從中分析歸納出其中特別的設(shè)計(jì)需求[3-5]。

圖1 F-35B垂直起降動力系統(tǒng)主要部件結(jié)構(gòu)[2]

（1）傳動系統(tǒng)需要盡可能簡單高效。

由于升力風(fēng)扇的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線與傳動軸垂直，而且傳遞的功率和轉(zhuǎn)速較高，因此傳動齒輪系統(tǒng)必須要盡可能簡單高效；否則一方面會帶來較大的機(jī)械損失，進(jìn)而影響推力；另一方面對于如此大的傳動功率而言，微小的機(jī)械功率損失就會產(chǎn)生過多的熱功率，增加了滑油系統(tǒng)或熱管理系統(tǒng)[6]的負(fù)擔(dān)。

（2）雙轉(zhuǎn)子需要反向旋轉(zhuǎn)。

由于在垂直起降狀態(tài)下，氣動舵面對飛機(jī)姿態(tài)的控制力幾乎為零，姿態(tài)控制全靠主發(fā)動機(jī)的3軸承偏轉(zhuǎn)噴管、升力風(fēng)扇可調(diào)噴管和兩側(cè)的滾轉(zhuǎn)噴管協(xié)調(diào)進(jìn)行推力矢量控制來實(shí)現(xiàn)。在這種環(huán)境下，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的陀螺力矩會使姿態(tài)控制變得更加復(fù)雜，所以發(fā)動機(jī)主機(jī)和升力風(fēng)扇都要盡可能降低陀螺力矩的影響[7-8]，這就要求采用雙轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)形式使陀螺力矩相互抵消。

（3）潤滑和封嚴(yán)結(jié)構(gòu)需要滿足垂直工作狀態(tài)。

由于升力風(fēng)扇采用豎直安裝，因此其支點(diǎn)軸承系統(tǒng)的供油潤滑、軸承腔的回油和封嚴(yán)結(jié)構(gòu)等的工況均與常規(guī)設(shè)計(jì)有一定的不同，例如：上方潤滑點(diǎn)噴出的滑油下落到油池的過程需要考慮受到下方高速旋轉(zhuǎn)的軸承、齒輪以及從下方的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)入的封嚴(yán)空氣的影響。

（4）需要特別強(qiáng)調(diào)尺寸小質(zhì)量輕。

由于升力風(fēng)扇只在發(fā)動機(jī)的垂直起降狀態(tài)下使用，在飛機(jī)常規(guī)飛行時將變成毫無用處的“死重”，因此對于升力風(fēng)扇的質(zhì)量控制要比發(fā)動機(jī)本身更加嚴(yán)格。同時由于升力風(fēng)扇位于飛機(jī)前機(jī)身進(jìn)氣道處，其外廓尺寸直接影響到前機(jī)身的空間結(jié)構(gòu)，因此對于尺寸的限制也十分重要。

除了上述的4點(diǎn)特殊設(shè)計(jì)需求外，結(jié)構(gòu)方案還必須滿足常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，例如：裝配性、可維護(hù)性、結(jié)構(gòu)緊湊、零件少以及機(jī)匣應(yīng)具備包容性等。

2 布局方案中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)上述4項(xiàng)特別的設(shè)計(jì)需求，在結(jié)構(gòu)布局方案設(shè)計(jì)中，首先要考慮能夠滿足這些特別需求的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，并開展初步的分析與取舍。這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征相互交織，需要系統(tǒng)地考慮，并無設(shè)計(jì)工作上的先后順序之分。

2.1 傳動結(jié)構(gòu)

盡管同軸反轉(zhuǎn)機(jī)械傳動已經(jīng)在渦槳（或槳扇）發(fā)動機(jī)和直升機(jī)主減速器上取得了成熟的應(yīng)用，但是由于升力風(fēng)扇為垂直傳動且傳動比小、傳遞功率大，因此這些傳動系統(tǒng)并不適用，具體參數(shù)對比見表1[8-9]。

表1 幾種傳動系統(tǒng)的參數(shù)對比

對于傳動軸從垂直方向驅(qū)動同軸反轉(zhuǎn)的2個轉(zhuǎn)子而言，最簡單的布局就是1個主動錐齒輪帶動兩側(cè)的從動錐齒輪形成2個嚙合副，實(shí)現(xiàn)等速反向旋轉(zhuǎn)（如圖2所示）。由于傳動功率大轉(zhuǎn)速高，因此需要在結(jié)構(gòu)布局的過程中著重考慮3方面的細(xì)節(jié)。

（1）將止推軸承（球軸承）設(shè)計(jì)在接近錐齒輪的位置，以保證嚙合間隙穩(wěn)定[10]。

（2）根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)的需要，可以在2個從動錐齒輪之間增加“齒輪間支點(diǎn)”（具體結(jié)構(gòu)見方案2），將從動錐齒輪的支撐形式由懸臂改為簡支，以限制轉(zhuǎn)子工作過程中的轉(zhuǎn)子撓曲變形造成齒輪旋轉(zhuǎn)軸線傾斜.

（3）在其他條件允許的情況下，盡可能為齒輪傳動的設(shè)計(jì)留出更大的設(shè)計(jì)空間。

圖2 同軸反向齒輪傳動

2.2 承力機(jī)匣

對于同軸反向旋轉(zhuǎn)的雙級風(fēng)扇，其承力機(jī)匣可以有單機(jī)匣、雙機(jī)匣和3機(jī)匣3種不同的結(jié)構(gòu)布局，如圖3所示，在具體的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)中需要著重考慮以下因素。

（1）如果承力機(jī)匣下方有轉(zhuǎn)子，就需要考慮支板尾跡對下游轉(zhuǎn)子葉片的氣動激振。

圖3 3種承力機(jī)匣布局

（2）出于質(zhì)量、成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等方面考慮，應(yīng)該在可能的情況下盡可能減少承力機(jī)匣的數(shù)目（由此直接排除3承力機(jī)匣設(shè)計(jì)）。

（3）需要考慮承力機(jī)匣對于氣動方面的作用，如：進(jìn)口的承力機(jī)匣結(jié)構(gòu)可以方便在進(jìn)口設(shè)計(jì)可調(diào)導(dǎo)葉[11]。

2.3 轉(zhuǎn)子支承

轉(zhuǎn)子支承方案相對靈活，同樣的承力機(jī)匣設(shè)計(jì)也可以通過不同的細(xì)節(jié)以實(shí)現(xiàn)多樣的轉(zhuǎn)子支承布局。在升力風(fēng)扇的設(shè)計(jì)需求和其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征的限制下，轉(zhuǎn)子支承方案需要特別注意以下幾方面因素：

（1）采用轉(zhuǎn)子懸臂支撐的方案著重考慮盡可能增加支點(diǎn)軸承的跨距，以提升對于轉(zhuǎn)子的軸線擺動限制能力。

（2）針對傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要，還必須考慮支點(diǎn)的布置對于錐齒輪嚙合間隙的限制。

盡管支承方案對于整機(jī)的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性具有重要的影響[12-13]，但是在方案布局設(shè)計(jì)中，尤其是創(chuàng)新型應(yīng)用的布局設(shè)計(jì)中很難給出支撐剛性、轉(zhuǎn)子剛性和轉(zhuǎn)子質(zhì)量特性等參數(shù)，使得在這個階段很難開展準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性評估[14]。所以本階段暫不考慮轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的因素。

2.4 潤滑和封嚴(yán)結(jié)構(gòu)

針對縱向工作的需要，潤滑和封嚴(yán)結(jié)構(gòu)方面需要特別考慮以下因素：

（1）對于承力機(jī)匣中置的方案，一方面需要特別考慮下方轉(zhuǎn)子的甩油結(jié)構(gòu)，以防止積油帶來額外的不平衡量[15]，另一方面需要特別考慮下方的轉(zhuǎn)子密封和油池的設(shè)計(jì)。

（2）對于雙承力機(jī)匣方案，需要特別考慮機(jī)匣的轉(zhuǎn)子密封和油池的設(shè)計(jì)。

（3）采用中介支點(diǎn)的方案，需要特別考慮軸承的供油結(jié)構(gòu)。

3 多方案結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)與對比分析

3.1 結(jié)構(gòu)布局方案

在氣動流路和主要轉(zhuǎn)子部件強(qiáng)度基本符合現(xiàn)有設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的情況下，通過對上述幾方面的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行組合，并采用成熟的軸承、密封和聯(lián)軸器等部件結(jié)構(gòu)，開展了多方案結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。本文從設(shè)計(jì)結(jié)果中選出比較典型的3種類型共7個方案進(jìn)行具體分析。

（1）單承力機(jī)匣中置布局

這一類布局包括方案1和方案2，分別如圖4、5所示。二者的區(qū)別在于是否采用錐齒輪間支撐結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子間密封和第2級轉(zhuǎn)子上方的甩油結(jié)構(gòu)。

圖4 “單軸承機(jī)匣中置”方案1

圖5 “單軸承機(jī)匣中置”改進(jìn)方案2

（2）單承力機(jī)匣下置布局

布局方案3如圖6所示。與前2個方案相比，方案3通過采用軸套軸結(jié)構(gòu)和中介軸承，實(shí)現(xiàn)了單承力機(jī)匣下置的方案。由于第1級風(fēng)扇轉(zhuǎn)子較細(xì)長，為了防止轉(zhuǎn)子撓曲變形對錐齒輪的嚙合間隙產(chǎn)生影響，也采用方案2中的“齒輪間支撐結(jié)構(gòu)”。中介軸承需要通過第1級轉(zhuǎn)子內(nèi)部的軸心供油管自下而上地供油至軸承環(huán)下。

圖6 “單承力機(jī)匣下置”方案3

（3）雙承力機(jī)匣布局

雙承力機(jī)匣布局更加靈活，本文選擇了系列化的4個方案，分別為方案4～7（如圖7～10所示）。其中方案4是初始方案，在其基礎(chǔ)上增加“齒輪間支撐結(jié)構(gòu)”成為方案5，在方案5基礎(chǔ)上去掉第1級靜子成為方案6，在方案6基礎(chǔ)上采用中介軸承成為方案7。

圖7 “雙軸承機(jī)匣”方案4

圖8 “雙軸承機(jī)匣”改進(jìn)方案5

圖9 方案5的基礎(chǔ)上改無靜葉對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)6

圖10 方案5的基礎(chǔ)上采用中介軸承的方案7

3.2 多方案對比分析

由于在布局方案設(shè)計(jì)階段尚無法確定具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，因此很難定量地表征質(zhì)量和設(shè)計(jì)難度2個設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了能夠更客觀全面地對上述不同的方案作出評判，本文采用定量對比和定性分析2種方法對上述方案進(jìn)行對比；以期通過對長度、單元體數(shù)目和承力機(jī)匣的數(shù)目等項(xiàng)目的定量對比，間接地評估方案的質(zhì)量因素；并通過對于方案優(yōu)缺點(diǎn)的定性分析，間接地評估設(shè)計(jì)難度。

3.2.1 定量分析

不同方案的相對長度、轉(zhuǎn)子支點(diǎn)數(shù)目和單元體數(shù)目等在方案布局中涉及的定量結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，以方案5為例的各單元體結(jié)構(gòu)組成和其裝配爆炸展開如圖9所示。

表1 不同方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

圖11 方案5的爆炸展開

從上述定量對比可以得到如下結(jié)論：

（1）采用第1級無靜葉設(shè)計(jì)可以顯著降低升力風(fēng)扇的長度，有利于降低質(zhì)量。

（2）采用單軸承機(jī)匣設(shè)計(jì)可以降低單元體數(shù)目和主承力機(jī)匣單元體中大組件數(shù)目有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高裝配性。

（3）前2個方案雖然只采用了1個機(jī)匣，在長度上并沒有帶來優(yōu)勢。

3.2.2 定性分析

（1）單承力機(jī)匣中置的方案特點(diǎn)

單承力機(jī)匣中置的方案與其他2類方案相比優(yōu)勢在于：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，轉(zhuǎn)子之間沒有交叉。但這種布局方案存在以下3個問題：

a.根據(jù)升力風(fēng)扇的設(shè)計(jì)參數(shù)，初步設(shè)計(jì)傳動軸直徑約為85mm，顯著高于一般航空發(fā)動機(jī)中央傳動桿的直徑，這使得傳動軸所通過的承力機(jī)匣支板厚度較大，對下游的第2級轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生較大的氣動激振，這增加了第2級轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)難度。

b.由于承力機(jī)匣位于2轉(zhuǎn)子中間，此處氣流尚未經(jīng)過充分壓縮，流路寬度較大，這就造成：一方面，在外徑一定的情況下給軸承腔設(shè)計(jì)的空間就更?。涣硪环矫?，在葉型厚度一定的情況下機(jī)匣的軸向更長（第1類方案長度較大的原因）。

c.由于主承力機(jī)匣下方的油池位于第2級轉(zhuǎn)子盤心，設(shè)計(jì)空間狹小限制了油池容量，而且此處還需要布置轉(zhuǎn)靜子間的密封結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加困難。

（2）單承力機(jī)匣下置的方案特點(diǎn)

單承力機(jī)匣下置方案與中置方案相比的優(yōu)勢：

a.將承力機(jī)匣置于葉片排的下方排除了厚支板的氣動影響問題。

b.油池布置在機(jī)匣底部空間更充裕。

c.由于機(jī)匣布置在第2級風(fēng)扇之后，氣流的壓力較高，流路較窄，為機(jī)匣內(nèi)的齒輪傳動結(jié)構(gòu)提供了更大的空間。

這種方案的問題主要體現(xiàn)在中介軸承上：

a.不僅中介軸承的DN值較高，而且由于2個轉(zhuǎn)子等速旋轉(zhuǎn)造成其滾子公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和保持架轉(zhuǎn)速為零，這使軸承的設(shè)計(jì)更加困難。

b.中介軸承使得2個轉(zhuǎn)子的振動相互影響，轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性更加復(fù)雜[12]。

c.中介軸承需要通過中央供油管克服重力向上供油，存在著滑油在中央供油管內(nèi)積累帶來額外的不平衡量的風(fēng)險，從而造成整機(jī)振動問題[13]。

（3）雙承力機(jī)匣的方案特點(diǎn)

雙承力機(jī)匣布局的4個方案大體思路相同，區(qū)別體現(xiàn)在具體結(jié)構(gòu)的取舍上。其繼承了單承力機(jī)匣下置的主要優(yōu)點(diǎn)，并且通過引入上承力機(jī)匣，使布置進(jìn)口可調(diào)葉片成為可能，有利于風(fēng)扇承受由升力風(fēng)扇進(jìn)氣口及其活門帶來的氣流畸變。

上軸承機(jī)匣也存在滑油池與密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間小的問題；不過考慮到此處軸承直徑和載荷較小，相應(yīng)的潤滑需求也小，因此解決該問題應(yīng)比方案1容易。

在4個方案中是否采用無靜葉方案取決與氣動設(shè)計(jì)的難度，但是從結(jié)構(gòu)角度看無靜葉設(shè)計(jì)無疑在長度、轉(zhuǎn)子剛性和質(zhì)量方面更具優(yōu)勢。

3.3 方案選擇

綜合定量和定性分析，方案6在尺寸、單元體數(shù)目等方面具有一定的優(yōu)勢，且其問題相對較少，在所有的方案中實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量、尺寸和設(shè)計(jì)難度等更好的平衡，因此作為首選方案。如果在后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)中，無靜葉對轉(zhuǎn)風(fēng)扇的氣動設(shè)計(jì)難度無法克服，也可以在結(jié)構(gòu)改動不大的情況下退回到方案5。

4 結(jié)論

（1）以關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征作為設(shè)計(jì)需求和方案橋梁，以不同結(jié)構(gòu)特征的組合為基礎(chǔ)形成一系列布局方案，并通過定量和定性2方面的對比分析優(yōu)選出最終方案。

（2）與傳統(tǒng)方法相比，本文方法更加有利于拓展結(jié)構(gòu)創(chuàng)新思路，而且有利于在方案設(shè)計(jì)之初就針對日后可能出現(xiàn)的技術(shù)難關(guān)儲備多種“備份方案”，因此更加適合設(shè)計(jì)難度和風(fēng)險較大的創(chuàng)新型項(xiàng)目。

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