涡扇发动机低压转子轴功率提取方法及试验验证

    王辉坪 罗智浩

    摘 要：根据某型推进系统研制的需要，以某涡扇发动机为研究对象，提出采用水力测功器替代升力风扇进行功率提取的原理方案，进而提出了低压转子轴功率提取方法。涡扇发动机低压风扇轴通过前输出传动轴组件、中间轴承座和叠片联轴器与测功器连接，组成功率提取的低压传动轴系。为确保方案可行，对低压传动轴系的动力学特性进行仿真分析，确定其临界转速分布区间与原涡扇发动机相同，并通过试验验证了临界转速分布。随后展开功率提取试验，在发动机各工作点提取出了对应的轴功率，与升力风扇的需求功率相当，验证了涡扇发动机低压转子轴功率提取方法的可行性。

    关键词：涡扇发动机；低压转子；轴功率；提取方法；试验验证

    短垂飞机具备短距起飞和垂直着陆能力，在普通飞机的基础上，其主要增加了可换向矢量喷管，或着增加了升力系统、三轴承旋转喷管和滚转控制喷管等部件，从而实现特定场所的起降要求。从国外的使用经验看，第二种方式的发动机表现更加优秀，因此本文仅对该形式的涡扇发动机展开相关试验研究。

    1 研究现状

    目前，国内尚未见采用外部专用设备或装置对涡扇发动机低压转子前输出轴功率提取的研究成果，亦无相关方法及技术。国内对涡扇发动机功率提取的研究多为附件或机载设备对功率的需求。国外对涡扇发动机前输出轴功率提取技术及试验方法研究及应用已经比较成熟，并已经成功用于F135-PW-600等发动机上。因此，急需开展对涡扇发动机低压转子前输出轴功率提取方法及试验验证的研究工作。

    2 低压转子轴功率提取方法

    涡扇发动机提供前输出轴功率以驱动升力风扇工作，但升力风扇开始工作时对应的发动机状态高于发动机慢车状态，为保证安全，发动机需在零负载状态下起动。使用吸功功率范围与升力风扇耗功相近的水力测功器作为替代装置。

    经研究后提出涡扇发动机低压转子轴功率提取方案：经改装后的涡扇发动机低压转子轴通过前输出传动轴组件与中间轴承座连接，轴承座输出端通过叠片联轴器与测功器连接，以上五部分组成涡扇发动机低压转子功率提取的主体结构。可按照如下方法进行轴功率提取：试验前将水力测功器调整至零负载状态，涡扇发动机零负载起动，起动成功后在慢车状态运行3min，然后将发动机上推至第一个状态点，运行稳定后缓慢调节水力测功器进、排水阀门来逐步增加负载，提取该工作点低压转子能输出的最大功率值，然后依次进行第二、三、四......工作点的轴功率提取。

    3 低压传动轴系动力学特性分析

    3.1 几何结构

    涡扇发动机低压转子、传动轴组件和轴承组成低压传动轴系，低压转子和传动轴组件间通过花键连接传扭。

    3.2 支承刚度

    传动轴组件的三个轴承刚度见表1，发动机本体低压转子为0-3-1支承方案，1#支承、2#支承、4#支承、5#支承共同支承，轴承刚度见表2。1#支承装在间隙环式阻尼支承上，正常情况下并无支承作用，计算中按零刚度处理；4#支承为中介支承，本文考虑了不同刚度大小（0.3×108 N/mm和0.8×108 N/mm）对临界转速的影响；5#支承装在弹性环上，实际的支承刚度为弹性环刚度，刚度值为6.266×106N/m。

    3.3 计算结果

    本文中某涡扇发动机低压转子慢车转速为0.25额定转速，稳定工作转速范围为（0.25～0.95）额定转速。转子在不同刚度组合下的前3阶临界转速及裕度计算结果列于表3。表中临界转速低于0.25额定转速的裕度按0.25额定转速计算；临界转速高于0.95额定转速的裕度按0.95额定转速计算，“—”表示0.95额定转速以下不存在对应该振型的临界转速。

    3.4 分析结果

    发动机转子的临界转速裕度不应低于20%；传动轴的临界转速裕度不应低于10%。从表1中计算数据分析可知：

    在第1组刚度组合下，带前输出传动轴组件的某涡扇发动机转子1阶临界转速为4744r/min，振型为风扇摆动；2阶临界转速为7981 r/min，振型为低压涡轮摆动；3阶临界转速为13774 r/min，振型为传动后轴一弯。此时，转子工作时跨越风扇擺动和涡轮摆动两阶临界转速。

    在第5组刚度组合下，原涡扇发动机转子1阶临界转速为2511r/min，振型为风扇摆动；2阶临界转速为7973 r/min，振型为低压涡轮摆动。由于1#支承处的间隙环设计，第6组刚度组合下1阶风扇摆动振型临界转速被抑制，2阶涡轮摆动临界转速变为7972r/min，3阶传动后轴一弯临界转速变为13740r/min。

    1、5和6组数据对比可知，相比原涡扇发动机，接入前输出传动轴组件的某涡扇发动机1阶风扇摆动临界转速由2511r/min变为4744r/min，2阶涡轮摆动临界转速基本不变。

    1和4组数据对比可知，对弹性轴台阶支架处与中心拉杆作等效处理对临界转速基本不产生影响；1、2和3组数据对比知4#支承刚度大小对转子各阶临界转速影响很小。

    由以上分析可获得如下结论：由于带前输出传动轴组件的某涡扇发动机低压转子与原涡扇发动机结构及工作转速范围完全一致，两者在稳定工作转速范围内均存在2阶涡轮摆动临界转速，且数值基本相同。因此，在给定的轴承刚度下，改装后某涡扇发动机低压转子的临界转速分布满足使用要求。

    4 试验验证

    试验前，将前输出传动轴组件和水力测功器与涡扇发动机低压转子相连接，按零载荷进行起动。发动机起动、慢车运行均正常。上推油门杆使低压转子转速NL至4800r/min附近时，前支点振动较慢车时增大，继续上推快速越过该状态，当NL超过4900r/min时，振动减小。当NL达到8000r/min附近时，后支点振动明显增大，继续上推状态后振动减小，直至额定转速运行正常。这种现象与计算结果相吻合，验证了某涡扇发动机低压转子的临界转速分布。

    按提取方法展开低压转子轴功率提取试验，本文中以NL为0.42额定转速为例完成该状态的轴功率提取试验。当转速NL=0.42额定转速、NH<0.79额定转速（防止放气活门突然关闭产生波动）时，从低压转子提取出轴功率Pdn为260kW，与升力风扇此转速下需求功率269kW相当，试验曲线如图1。

    5 结论

    本文以经改制后的某涡扇发动机为研究对象，按照功率提取方法成功实现了功率提取，通过试验验证表明：

    （1）对涡扇发动机前输出轴功率提取的尝试和探索取得了成功。

    （2）本文提出的涡扇发动机低压转子前输出轴功率提取方法可行，具有可操作性和通用性。

    （3）经改制后的某涡扇发动机连接输出传动轴组件后的临界转速分布与原涡扇发动机一致。

    （4）由前输出传动轴组件和水力测功器组成的功率提取装置实现了对某涡扇发动机在不同工作状态的不同数量等级的功率提取。

    参考文献：

    [1]赵运生，胡骏，屠宝锋，等.功率提取与附加引气对涡扇发动机影响仿真[J].航空计算技术，2012，06.

    [2]《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册.第2卷、第4卷.中国标准出版社，2002.

    [3]国防科学技术工业委员会.直升机传动系统通用规范（GJB2350-1995）.1995.