温度梯对航空发动机转子热弯曲的影响分析

温度梯对航空发动机转子热弯曲的影响分析

刘瀛，张小博通讯作者

空军工程大学航空工程学院，陕西西安 710038

摘要：航空发动机是飞机中的重要组成部分，人们将其称之为飞机的心脏，属于一种高度复杂和精密的热力机械，随着航空事业的发展，航空发动机以成为可靠其成熟的产品，国家从未停止对航空发动机的研究与开发，一种转子及静子结构较为精密，并且在运作的过程中必须承受巨大的热载荷，本文着重分析了温度梯对航空发动机转子热弯曲的影响，对不同的升温阶段及温度环境下转子的温度分布，希望能为航空事业提供有理论支撑。

关键词：温度梯；航空发动机；转子热弯曲计

航空发动机作为飞机组成的核心部分，其工作环境相对较为恶劣，并存在较多的性能影响因素，航空发动机转子具有较多的类型和格式，基本形式一共分为三种，鼓式、盘式、鼓盘式，需要结合航空飞机不同结构和需要进行选用。转子在实际应用中，会受到高温高压燃气的作用，对转子的性能状态会造成一定的影响，巨大的热载荷会引起热膨胀变形，在这种情况受到的外作用力是不均匀的，停机后转子冷却也会不均匀，转子深受外界温度的影响，冷却不均再次启动便会发生热弯曲现象，进而导致振动过大而威胁到航空发动机的安全稳定的运行。

1、研究背景

美国F100发动机的法国协和号客机运作过程中，转子经过高温高压燃气作用后，停机后再次启动发生了热固耦合振动，在此过程中，转子冷却95min后的转子热弯曲最大，在这样的条件下，加速启动会产生巨大振动。美国某型航空发动机在起飞试验中，由于转子受力变形而造成整体发动机产生过大的振动，阻碍了正常的飞行试验。通过航空事业历史时事件的分析，便意识到了转子热弯曲的重要性，并得到国内外航空事业的关注，并加大对相关内容的研究，有关研究人员表明，动机进气道结构形式、转子结构形式和流道内空隙比例对发动机停车冷却过程中热弯曲变形都有重要影响。英国相关研究人员认为反差较大的温度变化会引起结构频率的变化，并通过一系列试验展开了研究。国内相关研究人员采用数值方法定性进行分析转子振动现象，通过模拟实验验证了分析结果的正确性，并制定出了降低影响的解决方案及措施，并利用多场耦合方法研究分析了停机冷却阶段航空发动机转子的热变形特征。

2、航空发动机转子有限元建模

2.1转子及机匣实体建模

采用航空发动机转子有限元建模进入研究和分析实验对象，分析出转子温度环境与转子热弯曲之间的相互关系。转子及机匣实体建模结构较繁琐，需要涉及到的计算量大，为了提高试验效率，对该步骤进行了简化，还要遵循转子动力学相似及温度环境相似规律^[1]，最大限度的提高试验结果的精确度。转子热弯曲计算模型实际建立过程中，将其分为三个主要部分，分别是转子、机匣和空气域，模化试验中以组成形式存在，将各个组成部分由螺栓连接结构连接为一个整体结构，螺栓连接结构自身对转子热弯曲现象没有明确的影响，因此，不会影响试验结果，但是，螺栓连接结构相对复杂，也对其进行了简化处理，在没有影响到连接效果前提下进行。

2.2网格划分

实际试验中将试验重点放在了转子温度分布在不同时间段之间的变化规律，本文没有对机匣温度的变化进行重点分析，本试验中涉及到了仿真试验，为了突出实现效果和研究对象之间的相互关系，对转子和空气域进行了网格划分，保证是试验效率和针对性，本实验在空气域中去除机匣所占体积，采用的是对称结构进行的分析，主要应用目的便是为了计算域转子中截面对称。空气域网格采用的是四面体网格，为了能够明确的看出试验规律，而转子区域网格使用的是六面体形。为了缩短计算时间，转子和空气的接触位置增加了网格密度，除此之外，空气域网格的分布由空气外侧向转子位置逐渐加密，有效提高计算效率。由于考虑到网络对试验结果的影响，于是增大了网格弥补，判断其造成的影响程度，表明仿真计算的网格密度是否合理，于是通过对计算域网格无关性的试验与验证，计算结果与原结果之间的差异在0.025内，满足计算精度的需要。

3、热弯曲影响因素

转子在运作中受到热载荷左右下会产生较高的温度，在冷却过程中由于热空气上升，冷空气下沉引起一系列的变化^[2]，导致温度不均匀，进而发产生热弯曲。

3.1加热时间对转子热弯曲的影响

为了判断温度上身时间及加热时间与转子热弯曲的影响，在实验中使用CFX软件开展瞬态流热固耦合研究，并将模型中的转子和空气域初始温度设置为25 度，另外将空气域初始速度设置为0.1m/s，计算域的载荷主要是热辐射载荷，于浮力换热转子的温度分布呈现“上热下冷”的分布形式，轴颈处温度最高，涡轮盘与机匣间隙小，容易形成空气不流通，大量热气流堆积在涡轮盘内侧，转子上选取4个截面分析其变化，如图1、2所示，有图1、2可以看出轮盘变形量随着加热时间的增长逐渐增大，变形率先增后减，最终趋于稳定。

图1各截面温差随时间变化图

图2 各级轮盘温差随加热时间变化图

3.2环境温度对转子热弯曲的影响

环境温度能够影响转子热弯曲，将试验初始环境温度设置为-20℃、-10℃、0℃、10℃和20℃，并分别展开独立试验，总结并分析出是试验规律，通过实验表明在发动机转子停机之后10分钟，存在较为明显的温差，转子上下温差变化与时间成正比，涡轮盘位置温差最大，除此之外，转子中部第二级压气机中间温差也要比周围大。通过实验可以判断出，转子热弯曲现象的主要原因便是由于发生了热膨胀^[3]，进而导致了转子变形，热弯曲量相对热膨胀量较小，并随着环境温度升高而升高。由于环境温度较低，变化幅度很小，主要是间接加强了机匣内外部对流换热强度，促使其内部的空气流动速率的增加，转变了上冷下热温度分布趋势，于是就大幅度的削弱了转子热弯曲现象。

结论

由转子热弯曲情况而引发的航空故障在国外发生多次，发动机转子的热变形产生的振动将会影响到整个发动机的性能，温度梯对航空发动机转子热弯曲能够造成影响，国家仍需要深入研究和分析，研究出控制方案，推动航空事业的发展。

参考文献：

[1]闫旭.考虑转子内部温度梯度的磁-热耦合分析[J].机械制造与自动化,2020,49(5):71-75.

[2]王凤森,王泽钦,刘占生.温度梯度对航空发动机转子热弯曲的影响分析[J].汽轮机技术,2018,60(6):443-446.

[3]乌英嘎,陈国栋,王海舟.近高真空环境下的航空发动机转子试验轮盘带梯度温度场的实现[J].科技与创新,2018,(17):51-52,54.