[0001] 本公开涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种空气系统设计方法。

[0002] 空气系统(二次流系统)是指发动机主燃气通道中气流以外的气流系统，空气系统的设计直接关系着转子轴向力大小，进而影响了航空发动机中主要零组件的负荷、转子的支承方案、支承结构、压气机与涡轮转子的连接以及静子承力系统等结构的设计。

[0003] 其中的转子轴向力是指发动机转子轴承所承载的轴向载荷，对于发动机运行全包线来说，转子轴向力被要求在一定范围内波动，过载、轻载或反向都是不允许或尽量避免出现的，否则会导致轴承损坏而无法正常工作，因此它的设计是发动机设计中贯穿始终的重要环节。

[0004] 转子轴向力由主通道轴向力和盘腔轴向力两部分组成，其中主通道轴向力包括作用在压气机通道、燃烧室通道和涡轮通道等气流通道上各零部件的气体力，主通道轴向力主要由主通道结构及主通道性能参数决定；而盘腔轴向力则指作用在通道以外，与气体相接触的零件表面上的气体力，主要包括各级转子轮盘前后两侧各部分气体压力所产生的气体力，盘腔轴向力主要由空气系统腔压及盘腔结构参数决定。

[0005] 由于转子轴向力在发动机的整个运行包线中，可能出现大于或小于转子轴承承载能力的不同情形。针对于此，从发动机的结构方面，以转子轴向力大于转子轴承承载能力为例，通常采用的减小作用在转子上轴向力的方法(减荷措施)主要包括：①将压气机转子和涡轮转子做成刚性连接或用可以传递轴向力的联轴器连接，以使两个转子彼此方向相反的轴向力在转子内抵消一部分；②在轴流式压气机最末级轮盘的后方采用封气装置限制高压气流漏入盘后空腔，并将此腔通过机匣上的定径孔与大气相通，以减少作用在末级盘上的气体压力，从而减少作用在转子上向前的轴向力；③以及将压气机后级或出口级的高压气体引到压气机转子第一级轮盘前腔，使其作用于第一级轮盘前端面上，使向后的气体压力增大，从而减小作用于转子上向前的轴向力。

[0006] 然而采用减荷措施时，不但要考虑设计状态的转子轴向力应满足要求，还要使各个工作状态的轴向力都能符合要求。而与减荷措施①相关的联轴器等结构的设计优先级较高，因此与减荷措施②、③相关的空气系统腔压和与轴向力相关的盘腔结构就是空气系统设计的主要输出结果。

[0007] 此外，由于航空发动机的研制周期较长，在目前的研制过程中经常出现以下问题：在发动机设计后期，由于部件设计调整而导致转子轴向力无法满足要求，或者在整机试验中，由于轴向力计算不准确而导致设计轴向力与测试轴向力相差较大，出现轴向力无法平衡或不得不采用补救措施的情况，导致发动机设计方案的反复修改甚至颠覆，从而导致研制周期及运营成本的增加。

[0057] 现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

[0058] 本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

[0059] 在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

[0060] 本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

[0061] 对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

[0062] 如图1所示，在本公开的一个方面，提供一种空气系统设计方法，包括以下步骤：

[0063] 确定盘腔中影响空气系统轴向力的可调整结构；

[0064] 将所述可调整结构调整至多种设定情况，并计算在所述多种设定情况下所述空气系统轴向力分别在慢车状态和最大气动负荷状态的数值；

[0065] 根据所述空气系统轴向力的计算数值，计算空气系统轴向力的可调整范围；以及[0066] 在所述空气系统轴向力的可调整范围内，基于设定的调整因数，确定空气系统设计方案。

[0067] 其中，所述可调整结构包括但不限于：高压涡轮盘后篦齿半径位置、预旋系统半径位置、和高压压气机出口篦齿半径位置。通过对上述可调整结构进行调整，可以在不改变发动机其他设计参数的情况下，调整空气系统轴向力。

[0068] 而将所述可调整结构调整至多种设定情况则对应的包括：将高压涡轮盘后篦齿半径位置调低、将预旋系统半径位置调低和将高压压气机篦齿半径位置调低以使空气系统轴向力变小；以及将高压涡轮盘后篦齿半径位置调高、将预旋系统半径位置调高和将高压压气机篦齿半径位置调高以使空气系统轴向力变大。

[0069] 所述设定情况具体指所述可调整结构的一个特定的调整状态：由于在可结构调整的范围内所述可调整结构可以调整至任意幅度，且多个所述可调整结构可同步调整也可以以任意的组合形式调整，以此带来所述可调整结构的多种设定状态，进而引起不同大小的空气系统轴向力。

[0070] 因此，为了便于设计，取使所述可调整结构调整至极限位置的设定情况进行讨论，即在一些实施例中，所述多种设定情况包括：将所述可调整结构调整至使所述空气系统轴向力最大的第一情况，和将所述可调整结构调整至使所述空气系统轴向力最小的第二情况。

[0071] 如图2所示，综合考虑发动机所处状态对轴向力计算的影响，即在一些实施例中，计算空气系统轴向力的可调整范围的步骤包括：

[0072] 在所述第一情况下，由所述空气系统轴向力在慢车状态和最大气动负荷状态的两个计算数值得到最大跨度方案；

[0073] 在所述第二情况下，由所述空气系统轴向力在慢车状态和最大气动负荷状态的两个计算数值得到最小跨度方案；以及

[0074] 根据所述最大跨度方案和所述最小跨度方案，得到在慢车状态下和在最大气动负荷状态下所述空气系统轴向力的可调整范围。

[0075] 其中，最小跨度方案是指将确定可以调整的结构均往小轴向力方向调整，例如当发动机的高压转子轴向力方向沿轴向向后时，将高压涡轮后篦齿半径位置调低、高压压气机篦齿半径位置调低，此时发动机的各状态轴向力均为该空气系统设计方案可设计的最小预估值，一般情况下轴向力最大状态(最大气动负荷状态)与最小状态(慢车状态)的值相差最小，因此称为最小跨度方案，即图中的C区域。

[0076] 相应的，将各可调整结构均往大轴向力方向调整，此时发动机各状态下的转子轴向力均为该空气系统设计方案可设计的最大预估值，其轴向力最大状态(最大气动负荷状态)与最小状态(慢车状态)的值相差最大，因此称为轴向力最大跨度方案，即图中的D区域。

[0077] 基于此，由所述最小跨度方案和所述最大跨度方案的盘腔轴向力计算结果可以分别获取轴向力最小状态(慢车状态)与最大状态(最大气动负荷状态)的可变化范围，例如：最小跨度方案的慢车状态与最大气动负荷状态的轴向力分别为a与c，最大跨度方案的慢车状态与最大气动负荷状态的轴向力分别为b与d，那么慢车状态的轴向力变化范围应为a～b、最大气动符合状态的轴向力变化范围应为c～d。由此，空气系统设计方案所对应的轴向力的下限值应小于b并大于a，轴向力的上限值应高于c但小于d，否则该空气系统方案无法满足设计要求。

[0078] 应当理解的是，当所述可调整结构被调整至任意设定情况，都应当使空气系统轴向力落入所述可调整范围内，即在慢车状态的空气系统轴向力应当落入ab区间内，而在最大气动负荷状态的轴向力应当落入cd区间内。

[0079] 在此基础上，为了使空气系统轴向力在航空发动机的后期设计流程中依旧具备足够的调整能力与合适的调整空间，可以进一步引入所述调整因数，以使空气系统设计方案在慢车或在最大气动负荷状态的轴向力既能落在所述可调整范围内，又能与所述可调整范围的端点数值间存在合理的差值。此时，所述调整因数可以被理解为在设计过程中的安全系数，旨在降低发动机设计过程中由于转子轴向力而导致的设计方案反复修改甚至颠覆。

[0080] 具体而言，在一些实施例中，确定空气系统设计方案的步骤包括：

[0081] 计算空气系统设计方案分别在慢车状态下和在最大气动负荷状态下的设计轴向力；

[0082] 将所述设计轴向力乘以所述调整因数，得到轴向力调整数值；

[0083] 计算所述设计轴向力和所述轴向力调整数值的加和值和求差值；以及

[0084] 当所述加和值和所述求差值均落入对应的慢车状态下和最大气动负荷状态下的所述盘腔轴向力的可调整范围内时，输出所述空气系统设计方案。

[0085] 以下，以发动机处于慢车状态，且所述调整因数取0.75为例进行说明，假设计算得到的所述设定轴向力为X，则有：(1-0.75)X>a、以及(1+0.75)X

[0086] 进一步的，如图3所示，在一些实施例中，还包括以下步骤：

[0087] 在确定盘腔中影响空气系统轴向力的可调整结构之前，提出空气系统轴向力设计要求；以及

[0088] 在确定的空气系统设计方案不满足所述空气系统轴向力设计要求时，增加盘腔轴向力调整措施，以获得新的空气系统设计方案。

[0089] 其中，所述盘腔轴向力调整措施包括增压腔、卸荷腔和活门切换。而由于所述盘腔轴向力调整措施数量较多，且相互组合的情况较多，无法穷举，因此为了在多个所述盘腔轴向力调整措施中选优，在一些实施例中，增加盘腔轴向力调整措施的步骤还包括：

[0090] 进行多个所述盘腔轴向力调整措施对空气系统轴向力的敏感性分析；以及[0091] 基于所述敏感性分析，并综合多个所述盘腔轴向力调整措施的功能和调整极限来选定运用在所述新的空气系统设计方案中的所述盘腔轴向力调整措施。

[0092] 进一步的，如图3所示，在一些实施例中，还包括以下步骤：

[0093] 在所述新的空气系统设计方案不满足所述空气系统轴向力设计要求时，修改所述空气系统轴向力设计要求。

[0094] 当基于所述空气系统轴向力的可调整范围而确定的空气系统设计方案不满足所述空气系统轴向力设计要求，且新的空气系统设计方案也无法满足所述空气系统轴向力设计要求时，意味着此时仅通过改变盘腔内的结构已经不再能够满足空气系统轴向力的要求，因此有必要综合考虑空气系统腔压进行综合调整，并修改所述空气系统轴向力设计要求。

[0095] 进一步的，如图3所示，在一些实施例中，提出空气系统轴向力设计要求的步骤包括：

[0096] 根据转子轴承的载荷能力得到轴向力总体设计要求；

[0097] 根据发动机的部件性能参数得到主通道轴向力；以及

[0098] 将所述轴向力总体设计要求减去所述主通道轴向力以得到所述空气系统轴向力设计要求。

[0099] 进一步的，如图3所示，在一些实施例中，还包括以下步骤：

[0100] 在得到所述空气系统轴向力设计要求后，进一步根据发动机总体方案图、总体性能参数和所述部件性能参数得到空气系统初步方案。

[0101] 利用所述空气系统初步方案，在一些实施例中，还包括以下步骤：

[0102] 根据所述空气系统初步方案得到空气系统腔压分布；以及

[0103] 根据所述空气系统腔压分布调整所述空气系统设计方案。

[0104] 事实上，当形成空气系统初步方案后，腔压分布随之产生，此时所述腔压分布是满足发动机中的空气系统引气量、轴承封严、轮缘封严、高温部件冷却等功能的。在此设计基础上，腔压分布不宜有太大的变化，否则会影响上述功能的实现：因为空气系统腔压对空气系统中的其它功能影响较为敏感，因此轴向力设计对于空气系统腔压设计的优先级是在实现上述功能之后的。即如果通过调整腔压来调整轴向力可能会导致其它功能实现的变化。因此使用盘腔内的可调整结构或增加盘腔轴向力调整措施来调整轴向力更为可靠也更易实现。

[0105] 由于发动机总体方案图被用于表达设计意图，虽然对于具体尺寸没有确定数值，但是发动机总体方案图是开展轴向力调整能力预估、输出方案的基准。因此，为了避免出现仅依靠调整盘腔内的结构无法满足空气系统轴向力要求这一问题的出现，有必要对关系到盘腔内结构和腔压分布的所述发动机总体方案图的合理性进行评估。

[0106] 也即，在一些实施例中，还包括以下步骤：

[0107] 根据所述发动机总体方案图、所述总体性能参数、所述部件性能参数和所述空气系统初步方案估算盘腔轴向力；以及

[0108] 根据盘腔轴向力的估算结果判断所述发动机总体方案图的合理性。

[0109] 基于该合理性的判断，设计人员可以选择是否修改总体方案图，以便将总体方案图中所蕴含的问题及时解决在开展轴向力计算和输出空气系统设计方案之前，以减少研制周期并降低运营成本。

[0110] 因此，根据上述论述，本公开实施例至少能够：

[0111] 1.明确获得空气系统轴向力最大跨度与最小跨度方案方法；

[0112] 2.明确判断空气系统轴向力设计要求的方法，并有效判断其合理性；

[0113] 3.明确在获得空气系统轴向力最大跨度与最小跨度方案的基础上获得充分调整能力的空气系统设计方案的方法。

[0114] 综上，本申请实施例至少能够预估空气系统轴向力向轴向力增大或减小方向调整的能力，从而输出空气系统轴向力具备一定调整能力的空气系统方案，增强发动机设计方案在转子轴向力设计过程中抗风险的储备，有效避免在发动机研制后期出现转子轴向力无法平衡的问题而带来发动机设计方案的反复修改甚至颠覆，防止研制周期与运营成本的增加，促进了航空发动机正向设计的体系建设，获得相当的工程与经济效益。

[0115] 至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

[0116] 虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。