龍 杰

（中國(guó)航發(fā)貴陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，貴陽(yáng) 550081）

1 研究背景

在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，特別是大、中等推力航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，作用于風(fēng)扇、壓氣機(jī)和高低壓渦輪轉(zhuǎn)子上的軸向力都很大，如果四個(gè)轉(zhuǎn)子都單獨(dú)通過(guò)止推軸承來(lái)承受軸向力，每個(gè)轉(zhuǎn)子不但需要多個(gè)軸承才能承擔(dān)，而且結(jié)構(gòu)難實(shí)現(xiàn)、重量增加、軸承壽命減小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)承力件強(qiáng)度也更苛刻，這些都是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中所不能接受的。

2 基本方法和假設(shè)條件

2.1 計(jì)算原理

作用在轉(zhuǎn)子上的氣動(dòng)軸向力，有流道軸向力和腔室軸向力兩部分。流道軸向力由氣流靜壓軸向力和氣流軸向速度產(chǎn)生的軸向力兩部分構(gòu)成，腔室軸向力由空氣系統(tǒng)氣流靜壓或滑油腔各腔靜壓產(chǎn)生的軸向力構(gòu)成。約定軸向力方向以順航向向前為正。

氣流靜壓軸向力及腔室軸向力計(jì)算公式如式（1）所示。

式中，ΔS為機(jī)匣壁面、腔室軸向作用面積；P為機(jī)匣壁面靜壓、腔室靜壓。

氣流軸向速度對(duì)葉片作用產(chǎn)生的軸向力簡(jiǎn)化計(jì)算公式如式（2）所示。

式中，qa為進(jìn)口流量；Δv為流道進(jìn)出口速度差。

轉(zhuǎn)子總軸向力如式（3）所示

2.2 計(jì)算條件

為滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)承力系統(tǒng)強(qiáng)度分析的邊界條件，轉(zhuǎn)子軸向力計(jì)算應(yīng)至少選取表1中3個(gè)工況點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

表1 氣動(dòng)驗(yàn)算點(diǎn)

3 軸向力預(yù)估分析

3.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)軸向力預(yù)估

根據(jù)多型發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力計(jì)算結(jié)果，影響發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸向力最大的是風(fēng)扇卸荷腔或軸承封嚴(yán)腔，影響發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子軸向力最大的是壓氣機(jī)卸荷腔，通過(guò)對(duì)比，多型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)低壓轉(zhuǎn)子軸向力與風(fēng)扇卸荷腔或軸承封嚴(yán)腔成正比，設(shè)計(jì)點(diǎn)高壓轉(zhuǎn)子軸向力與壓氣機(jī)卸荷腔壓力成正比，新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力數(shù)量級(jí)如式（4）所示。

式中，F(xiàn)L′、FH′為低壓、高壓轉(zhuǎn)子軸向力；FL、FH為原型機(jī)低壓、高壓轉(zhuǎn)子軸向力；Ps′、Py′為風(fēng)扇、壓氣機(jī)卸荷腔壓力；Ps，Py為原型機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)卸荷腔壓力。

3.2 高空狀態(tài)軸向力預(yù)估

一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)表只給出了各部件進(jìn)出口的總壓，缺少各流道、腔室的靜壓參數(shù)，因此軸向力預(yù)估全部采用出口總壓進(jìn)行預(yù)估，計(jì)算按公式（3）進(jìn)行，其中，流道軸向力中的流量qa如式（5）所示。

因此，腔室軸向力、流道軸向力均與總壓成正比。在已知某原型機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)子軸向力FL，F(xiàn)H的條件下，其他各狀態(tài)點(diǎn)軸向力如式（6）所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)軸向力對(duì)比

某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)低壓轉(zhuǎn)子軸向力為6kN，高壓轉(zhuǎn)子軸向力為13kN，其衍生發(fā)動(dòng)機(jī)及結(jié)構(gòu)類(lèi)似發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力及實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)狀態(tài)軸向力預(yù)估對(duì)比

4.2 高空狀態(tài)軸向力對(duì)比

D-WS17發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表2 設(shè)計(jì)狀態(tài)軸向力預(yù)估對(duì)比

根據(jù)表2可知，A型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)狀態(tài)低壓轉(zhuǎn)子軸向力和高壓轉(zhuǎn)子軸向力相對(duì)實(shí)測(cè)值誤差分別為6%和2.3%，B型發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)實(shí)測(cè)值誤差分別為6%和2.3%，C型發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)實(shí)測(cè)值誤差分別為6%和2.3%，誤差較小。

根據(jù)表3可知，A型發(fā)動(dòng)機(jī)高空狀態(tài)點(diǎn)軸向力相對(duì)實(shí)測(cè)值較接近，誤差較大的主要是低壓轉(zhuǎn)子，但誤差數(shù)值很小，在可接受的范圍。高壓轉(zhuǎn)子軸向力預(yù)估較吻合，最大誤差為2%。

5 結(jié)論

本文給出了基于原型機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)子軸向力預(yù)估衍生型發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力，其結(jié)果基本與實(shí)測(cè)值相同，誤差最大為6%。本文的預(yù)估方法僅對(duì)基于原型機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)有較高準(zhǔn)確性，對(duì)其他不相關(guān)類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)有待進(jìn)一步研究。

轉(zhuǎn)子軸向力的預(yù)估對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)初步設(shè)計(jì)階段空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、壓力平衡、軸承選型、支點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等具有非常重要的意義。后續(xù)將進(jìn)一步完善預(yù)估方法，并基于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)性能參數(shù)評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向力，為發(fā)動(dòng)機(jī)正向設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。