吴哲
中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015）
摘要：航空涡轮发动机为了满足封严、冷却等功能需求，通常需从压气机的适当位置抽取空气，通过发动机主流道的内侧或外侧各种流动结构元件按设计的流路及要求的流动参数流动并完成规定的各项功能。对于压气机性能试验件，准确测量引气量对于评估在各引气状态下的性能非常重要。本文介绍了某压气机试验件转子引气测量结构设计方案，经仿真分析，可满足试验件转子引气测量要求。
关键词：压气机；试验件；引气测量
1 引言
对于压气机性能试验件，通常从压气机主流道外侧进行的引气，只需从静子机匣外侧设计引气接口，通过转接即可将气体引出并进行流量测量，实现起来相对容易。而在主流道内测的引气需从转子盘鼓引气孔引入盘腔内，在转子盘腔内构建引气通道/腔时，然后再从静子排气机匣引出并测量流量，转动结构在强度及可靠性设计时有更多的限制因素，同时为了保证引气量测量准确性，需考虑转静子的封严问题，因此设计难度较大，目前尚无类似结构方案。
本文进行压气机试验件主流道内侧引气流量测量结构方案设计研究，提出的结构方案可满足试验件引气量测量需求，保证引气量测量的准确性，为引气条件下的压气机性能试验件提供结构支持。
2 设计要求
某压气机试验件要求七级静子后内流道需进行引气，引气量为进口流量的1.5%，为评估在该引气条件下压气机性能，需在试验时准确测量该引气流量。压气机试验件常规结构布局见图1，为满足引气量要求以及准确测量该引气量，需设计专门引气结构来实现。
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3 结构设计
根据设计要求，进行结构方案设计，构成该方案的主要结构见图2。
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该引气流量测量方案需构建a、b、c三个腔室，其中a腔由轮盘和轮盘之间的空间以及导流管构成，b腔由轮盘、轮盘、篦齿盘、鼓筒轴、平衡盘、后轴颈和引气导管之间的空间构成，c腔由排气机匣、前封严环、后封严环和后轴颈之间的空间构成。
引气通道及测量原理为：气流从压气机前方通过转子叶片和静子叶片，主气流通过主通道流经转子叶片向后从排气机匣流道排出，部分气流（即所需引气）从轮盘鼓筒引气孔进入a腔内，流经导流管，进入b腔内，然后从后轴颈上引气孔进入c腔内，之后从N个引气接口流出，通过N个金属软管接到集气箱中，再通过N个金属软管连接到流量计测量流量，后面安装一个调节阀门可调节流量大小，最后气流排入大气。
结构设计主要考虑以下几个方面：
1)为测量主流道内侧引气流量，需构建三个腔室，为引气提供引气通道，使引气气流顺利通过且尽量避免引气量损失，保证引气量测量的准确性。
2)其中a腔由轮盘和轮盘之间空间形成， b腔和c腔由试验件轮盘、鼓筒和设计的专用引气结构构成。
3)其中b腔由轮盘、和轮盘、篦齿盘、鼓筒轴、平衡盘、后轴颈和引气导管之间的空间构成。后轴颈设计支臂用来安装固定引气导管后安装边，两者之间采用法兰连接，对引气导管后端进行定心和定位；引气导管前端与轮盘盘心采用径向搭接形式，对其前端进行定心，根据强度计算的轮盘和引起导管变形情况，若工作室两个零件之间有脱开趋势，则过大的间隙会导致引气流量泄露，可设计封严结构进行密封，考虑其所处的高温环境，需设计耐高温的密封结构。
4)其中c腔外侧为排气机匣部分内壁，内侧为后轴颈部分内壁，两侧为封严环和封严环，形成封闭空间。由于该腔为转子和静子共同构成，因此需设计封严结构和，可采用篦齿/涂层或篦齿/蜂窝结构，避免气体泄漏。
5)引气接口内端通过螺纹固定在排气机匣内壁上，外端通过端面安装边与排气机匣外壁安装座配合面配合，径向定位。
6)轮盘鼓筒引气孔、导流管、后轴颈引气孔、引气接口以及金属软管的个数和截面积影响引气量的大小，需通过空气系统计算，保证引气量满足设计要求。
4 引气量评估
根据该结构方案，计算试验件各转速下七级后引气流量，结果见表1，可以看出，各状态下七级转子后引气流量均大于1.5%，满足设计要求，试验时可调节流量计后的调节阀门，控制引气量大小。
表1 引气流量情况
序号 状态点 七级后引气量（%）
1. 0.60转速工作点 2.74
2. 0.70转速工作点 2.54
3. 0.80转速工作点 2.29
4. 0.90转速工作点 2.16
5. 0.95转速工作点 2.24
6. 1.00转速工作点 2.29
5 结论
本文介绍了某压气机试验件转子引气测量结构设计方案，经仿真分析，可满足试验件转子引气测量要求。该引气结构在不影响原压气机结构前提下，实现引气量测量，同时综合考虑转动结构强度、可靠性以及装配性等多方面要求，可为后续压气机试验件转子引气测量结构设计提供参考。
参考文献
[1]刘长福，邓明.航空发动机结构分析[M].西安：西北工业大学出版社，2006.
[2]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.
作者简介：吴哲，男，1989-1-20，满族，大学本科，吉林省，中国航发沈阳发动机研究所，工程师，压气机结构设计，