高兴 ，印雪梅
1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015
摘要：在某型发动机增压级结构设计中，由于重量指标异常严苛，在设计中进行了多方案的设计，通过不同的结构方案对比分析不同结构方案对增压级整体重量的影响，从而获得结构有效性最高的结构方案。
关键词：增压级；结构设计；结构减重；结构有效性
1 引言
随着航空工业和运输业的发展，在大涵道比涡扇发动机设计制造上的竞争日益激烈，国外制造公司开发了系列发动机供飞机选择，大涵道比涡扇发动机技术的发展都有较好的系统性、继承性和连贯性，从而形成了较强竞争力的系列机型，比较著名的有CFM、PW、RB211 等，RR 德国公司及俄罗斯等国家也有具有竞争力的机型。为了满足未来大涵道比涡扇发动机需求，国外制定了大量的技术发展计划，旨在提高发动机性能和部件效率，降低污染排放、噪声及成本等，包括美国的VAATE 计划和UEET 计划，欧洲的ANTLE 计划和CLEAN 计划等，这些计划的研究成果已逐步得到应用和推广，同时也建立起成熟的风扇及压气机设计体系，成为各大公司最宝贵的财富，是产品开发和生产的原动力[1-2]。目前，我国无论是在军用运输机还是在民用大飞机的项目中，都在全力推进大涵道比涡扇发动机的研制。随着航空发动机和燃气轮机国家重大科技专项立项，“两机”专项被列为国家“十三五”发展规划百个重点发展项目的首位，大涵道比涡扇发动机的研制面临着前所未有的机遇与挑战，充分利用已有研制基础，转化应用研制成果，坚持自主创新，掌握知识产权，突破主要关键技术，解决技术落后的被动局面，努力形成军、民用大涵道比涡扇发动机独立而完善的发展体系[3]。为适应未来大涵道比涡扇发动机更经济、更清洁、更安静的要求，压气机部件需采用新途径和新技术提高其部件性能，通过开展必要的部件试验进行充分验证，以期具备工程应用条件。
本文介绍了某大涵道比涡扇发动机增压级结构设计工作中，面相严苛的重量指标进行的结构方案设计过程，设计中通过不同方面的对比分析，选取了结构效率最高结构方案，实现了增压级部件的轻量化设计。
2 设计技术指标
改型增压级最大半径505.5mm，部件轴向长度532mm，由三级转子及四级静子组成。部件重量指标为125Kg。
3 结构重量指标分配
众所周知，在叶轮机设计中，气动叶型是保证气动性能的重中之重，因此增压级部件设计中叶片重量是结构设计中无法进行优化的一环，其重量占比相当于部件重量指标中的恒定值。因此为了明确结构设计可用重量指标，首先进行重量指标的分配。
经过分析转子和静子叶片总重量为40.7公斤，由此可知结构可用设计重量指标为84.3Kg。
4 结构方案效率分析
4.1 转子结构方案效率分析
为了获得结构效率最优的转子结构方案，分别进行了盘式转子、鼓式转子、盘鼓一体式转子，三种方案的设计。
?盘式转子结构效率分析
盘式转子进行又细分了周向榫连结构和轴向榫连结构的对比分析。两种结构形式中盘体结构一致，仅在转子叶片与轮盘的连接榫头部位存在差异，其中转子叶片榫头采用承载面积等效法进行设计，保证其承载能力水平一致。经过建模对比发现同样采用TC4材料情况下，周向榫连结构相比轴向榫连结构，重量更轻，结构效率更高。如表1所示。
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如假设周向榫结构盘式转子方案结构效率为100% ，则轴向榫盘式转子结构效率约为108% ，由此可见轴向榫盘式转子结构效率更低。
?鼓式转子结构效率分析
盘式转子中进行了轴向、周向榫连结构对比，得出周向效率更高，因此鼓式转子中仅对周向榫连结构进行分析。采用等强度结构设计方法，保证鼓式转子方案强度满足设计要求的情况下进行了鼓式转子结构的设计。由于3级转子位置采用鼓式转子后，变形量相比盘式提高较大，因此末级鼓筒采用了加厚鼓筒设计。
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通过建模对比可知，在同样采用TC4材料情况下，鼓式转子重量，相比盘式转子降低22.42kg，达到了50.7kg。
?盘鼓一体式转子结构效率分析
鼓式转子设计时发现，三级转子鼓筒为减小径向变形量而不得不进行增厚设计。因此对三级进行盘式优化设计，在保证强度及变形水平相当的情况下分析其重量是否可进一步减少。
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通过三维建模分析得出，在同样采用TC4情况下，盘古一体式结构转子的重量为46.8kg，相比鼓式减重 3.9kg。
4.2 静子结构方案效率分析
静子结构方案主要包括整环静子、对开式静子。其中整环与对开又可分为装配式和一体式两种。
对开式静子由于存在周向安装变，因此重量上高于整环结构。因此未进行三维建模对比。本节主要针对整环静子的装配式结构和一体式结构进行对比。
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对比可知，同样采用0Cr17Ni4Cu4Nb材料情况下，一体式静子重量为34.09Kg，装配式静子重量为52.6Kg，结构效率相比一体式静子低54%。
5 结论
本文在相同的增压级气动流路条件下，通过三维等强度设计对比了盘式、鼓式、盘古鼓一体式转子、整环一体式及装配式静子的重量差异，研究得出结论如下：
1、在相同气动构型情况下，鼓式转子重量最轻，结构效率最高；
2、通过优化后的盘鼓一体式转子相比鼓式转子重量进一步降低；
3、整环一体式静子相比整环装配式静子重量有明显降低。
4、该型增压级应采用盘鼓一体式转子与整环一体式静子后总重为121.59Kg，满足重量指标。
参考文献：
[1]张岩、蒋绣绣、印雪梅，王华．大涵道比涡扇发动机风扇/增压级试验件结构设计及验证．航空发动机，2020;
[2]沈锡钢，齐晓雪，郝勇.大涵道比涡扇发动机发展研究[J]. 航空发动机，2013;
[3] 陈光.航空发动机结构设计分析[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006;
[4] 高效节能发动机文集编委会.高效节能发动机文集：第七分册结构和材料[M]. 北京：航空工业出版社，1991;
[5] 航空发动机设计手册总编委会.航空发动机设计手册：第8 册压气机[M].北京：航空工业出版社，2000;
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