BR700系列发动机高压压气机设计及结构特征

杨伟，徐伟

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

BR700系列发动机高压压气机设计及结构特征

杨伟，徐伟

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

BR700系列发动机的10级高压压气机设计具有典型的民机构型，同时具有自身的特征。转子一分为二，前6级钛合金盘鼓采用电子束焊接成组件，后4级盘鼓与后鼓筒轴采用高温合金焊接成组件。前机匣为水平对开结构，后机匣为双层结构。叶片设计采用了带飞翼防泄漏结构的周向燕尾榫头转子叶片，及悬臂静叶。通过对BR700系列发动机研制及其高压压气机设计历程的介绍和高压压气机结构的解析，可加深对国外高压压气机结构设计技术的了解和吸收，促进国内结构设计技术发展，助推国内大发动机研制。

BR700系列；航空发动机；高压压气机；结构特征；转子组件；减涡器；可调静叶

1 引言

1991年7月，德国宝马公司与英国罗·罗公司联合在德国成立了一家民用航空发动机公司。2000年，该公司变为罗·罗公司下属子公司，即罗·罗德国(RRD)公司。创立之初，其目标是建立一个欧洲一流的商用飞机推进系统制造企业。公司成立不到一年即开始研制核心机，第二年开始研制BR710发动机，第五年开始研制BR715发动机[1]。这大大突破了发动机研制需要8～14年周期的一般规律[2]。

我国航空发动机从测绘仿制、引进消化吸收到自主创新设计，已艰难走过半个多世纪。进入二十一世纪的第二个十年，国家做出了研制大型飞机及其发动机这一具有重大战略意义的决策。民用大型飞机要求最终配装具有自主知识产权的大涵道比涡扇发动机，这是必须实现的国家战略目标。我国民用大涵道比涡扇发动机项目起步不久，虽然对风扇/增压级、高压压气机等关键技术开展了初步研究，但与国际先进水平相比差距很大，技术基础薄弱，大量关键技术尚未突破和掌握，部分试验设备还存在空白，工程设计和使用经验缺乏，独立研发还有较大困难[2]。参考国外成熟高压压气机设计实现的技术途径、历程，深入剖析高压压气机的结构特征，加深对其的了解和吸收，可促进国内结构设计技术的发展，缩短研发周期。

2 BR700系列发动机研制

RRD成立不久就开始研制BR700系列发动机。1994年BR710发动机首台运转，随后成功取得欧洲联合航空局(JAA)和美国联邦航空局(FAA)的适航证，1997年开始服役。BR715项目1995年10月启动，1996年开始部件试验计划，1997年4月首台运转，1998年1月宣布成为波音717-200型飞机唯一动力装置。BR725是RRD的第六款民用发动机，是BR710的推力放大型，2008年首台成功运转，2009年获得EASA合格证，装机对象为湾流G650。BR700系列发动机详细参数见表1[3]。

表1 BR700系列发动机参数Table 1 Engine parameters of BR700 series

3 BR700系列发动机高压压气机设计

RRD在技术基础近乎为零的基础上，能快速进入民用发动机市场，与罗·罗公司在技术上的大力支持是分不开的。其研发的BR700系列发动机高压压气机，很大程度上继承和吸取了V2500系列发动机高压压气机的技术。

BR710的高压压气机，是在V2500A1的基础上，按线性0.91几何缩比设计，进口换算流量减少了17%。罗·罗公司从V2500A1发展到A5的过程中，验证了可控扩散叶型设计技术，开发了S1-S2设计软件。RRD设计BR710高压压气机时也移植了这些技术，使得效率较V2500A1提高了0.5%；同时开发了S1计算软件，解决了小尺寸高压压气机受叶片型面低雷诺数影响大的难题。结构设计方面，基于整机和空气系统只是略有差异，使得BR710高压压气机整个结构能大大继承V2500A1的结构特征：转子采用前6级钛合金焊接盘鼓组件和后4级高温合金焊接组件的结构；机匣则采用铸钢机匣替代了钛合金机匣。

BR715的高压压气机设计并没有引入新技术。研制过程中，初期气动设计将第三级可调静叶取消，使得性能提高明显，但却导致第三级转子叶片断裂。后期改进了第三级转子叶片设计，同时又重新设计了第三级可调静叶。结构设计上，BR715与BR710相同。

BR725在气动设计方面，引入了在V2500 Selec⁃tOne™验证了的CFD技术，特别是优化设计了可调静叶；另外，叶片的设计引入了椭圆前缘。性能预估显示，效率可提高0.6%。结构设计方面，完全得益于罗·罗公司的整体叶盘技术，BR725前6级都采用了整体叶盘及焊接技术，实现了质量减少30 kg的目标[4]。

从高压压气机的设计历程可看出，RRD始终处于罗·罗公司整个发动机研发体系的一部分；除部分自己专门开发的技术外，其发动机研制技术几乎全部采用罗·罗公司经过验证的技术。罗·罗公司的预研成果、技术数据库与整个工程资源全部向RRD开放，并以供应商的身份，承担部分设计制造任务。可以说，罗·罗公司丰富的发动机研制经验、预先研究的技术储备，成为了RRD的强大技术后盾。

4 高压压气机结构特征

BR700系列发动机高压压气机，除BR725前6级采用了整体叶盘结构外，其他都大同小异。下面主要介绍BR710高压压气机的结构特征，其结构示意图见图1。

图1 BR710高压压气机结构示意图Fig.1 Sketch of BR710 HPC structure

4.1 转子组件

10级转子组件为盘鼓式结构，分为前后两个组件：前6级盘鼓采用钛合金，电子束焊焊接为一个前焊接组件；后4级盘与后鼓筒轴采用高温合金，电子束焊焊接成一个后焊接组件；前后组件通过34个短螺栓/自锁螺母连结；由于引气需要，前后组件之间(第六、第七级盘间)还装有减涡器。

转子组件前端通过第一级盘(图2)前的圆弧端齿(罗·罗公司专利)与前轴颈传扭及定心，并且圆弧端齿中间有20个螺栓用于连接，提供预紧力。转子后端通过后鼓筒轴上的圆弧端齿与高压涡轮相连。圆弧端齿采用单元体设计，以便于拆换转子组件。滚珠轴承装在带圆弧端齿的短联轴器上；装卸转子组件时，只须将转子与短联轴器上的自锁螺母拧上或卸下即可。

图2 第一级盘模型Fig.2 Model of the first stage disc

各级盘和叶片均采用了传统的盘片分离结构：前3级采用轴向燕尾榫，后7级采用周向燕尾榫连接方式。

前3级叶片轴向插入盘的榫槽(如图2所示的盘模型中，轴向榫槽带有倾角)中，第一级采用9个弹性块和9个扇形挡环块轴向定位，第二、第三级采用3个弹性块和9个扇形挡环块轴向定位。榫槽中均加有绝缘材料的弹性橡胶密封垫块以防止级间漏气，同时起减震作用。

第一级转子叶片采用带凸肩结构，凸肩相结处涂有耐磨涂层。采用凸肩结构一方面起到减震作用，另一方面可提高叶片抗外物损伤能力。不过这种结构会堵塞流道，影响气动性能。另外，第一级转子叶片榫头上，每一片都设计有安装平衡销钉的孔。

后7级叶片采用周向燕尾榫结构，通过盘上的安装槽装入周向燕尾榫槽内。叶片榫头周向两个端面，沿槽向设计有加宽的延伸边，亦称飞翼，如图3所示。每级所有叶片飞翼连成一周，防止气流泄漏。在第四～第六级榫槽底部加装阻尼环，既起密封作用，又可防止微动磨损。利用锁紧块防止叶片周向移动，各级锁紧块数目见表2。

为冷却承受高温负荷的低压涡轮盘，在第七级盘前鼓筒处开有94个小孔，从第六级转子叶片后引气；同时，这股气流可阻止来自涡轮主流路的热空气进入到涡轮盘与轴承间的腔内。但这股气流从第六级出来时带有强烈的旋涡，进入第六、第七级转子盘腔后，易造成盘腔温度急剧上升，及气流压力损失增加。为避免这种恶劣影响，设计有减涡器。减涡器由34根减涡管插入安装在第六、第七级间的支撑环所开的对应孔中组成，如图4所示。气流经过减涡管，可实现控制气流方向、减小涡流影响的目的，且该结构可大大降低压力损失[5]。此外，为避免气流直接垂直吹到低压轴上，设计了一个气流方向偏转装置，使得气流能顺利沿低压轴流动。

图3 周向燕尾榫叶片Fig.3 Blade with circumferential dovetail

表2 锁紧块数量Table 2 Locking assembly number of each stage

图4 减涡器示意图Fig.4 Sketch of vortex reducer

前3级鼓筒处均设计有封严篦齿，与内环涂层相对，用于级间封严。后6级鼓筒与悬臂静叶对应处设计有白色高硬度磨削涂层；涂层表面采用车加工，表面比较粗糙，硬度比叶片大；与静叶接触上时将静叶磨削，以便保持叶尖间隙，保证封严及发动机安全工作。

在转子各零组件连接处，盘体与连接件间均设计有防磨损的薄金属垫片，可有效防止拧紧时对盘的磨损。垫片磨损后即可更换，能大大提高转子的使用寿命。在第一级盘圆弧端齿的连接处，设计了4件垫片，每件上安装5个螺栓/自锁螺母；在第六级盘与自锁螺母、第七级盘与方形螺栓之间，均加装17件垫片，每件上安装2个螺栓/自锁螺母。

转子组件叶尖加工时提高转子转速(～6 000 r/min)以消除榫头榫槽结合面间隙，在模拟工作状态下磨削叶尖直径且自动进行平衡(可在平衡环上去除材料)。

4.2 静子组件

静子组件包括机匣、静叶及内环、调节机构等。机匣分成前后两段，前段为便于装配与分解，采用水平对开机匣结构，由合金钢离心浇铸而成，安装前5排静叶。前面级转子叶片较容易断裂，对应的机匣需采用包容设计；可通过设计足够的机匣厚度，以避免断裂的转子叶片打穿机匣，危及发动机及飞机安全。BR710与BR715在前4级转子叶片对应的涂层位置处的机匣厚度有所不同，具体值见表3。

表3 涂层位置机匣厚度Table 3 Casing thickness on the coating

后段为双层机匣，内外都为整环结构，内层机匣安装后5排静叶。高压压气机后几级机匣是内涵机匣直径最小处，俗称缩腰。发动机出现缩腰后使得纵向刚性变弱，在机动飞行时，机匣变形会造成后几级叶尖间隙沿圆周方向不均匀，甚至出现叶尖碰磨机匣现象。为此，绝大多数发动机在缩腰处做成双层机匣，内层机匣仅作为气流的包容环及固定静子叶片的环形件，承受气动、温度负荷；外层机匣则作为承力结构，一般均将直径加大很多以增加发动机的纵向刚性。

外层机匣为整环结构，整个为一段，前端与前机匣相连，后端与燃烧室机匣相连。内层机匣分为六段，都为整环结构。内层机匣在第五、第九级处与外机匣相连。第七、第八级内机匣相连处，外缘加装一环形密封圈，外机匣中间的L型搭接边与之相接触，组合在一起构成轴向封严结构，将第五、第八级的引气腔隔开。在第六、第七、第九级内机匣外均设计有薄壁隔热罩，与引气腔隔开，利于控制叶尖间隙。在各级内层机匣螺栓连接处，加装整环的薄金属环，减少连接件受到的热影响。机匣在与转子叶尖对应处喷涂易磨涂层，用于转子叶尖间隙控制。

在第一、第二、第五和九级机匣处，各设有两个孔探仪观察孔，在不分解机匣的情况下可通过孔探仪检查压气机内部情况，还可通过特殊工具修复损伤叶型。

前4级静叶为可调叶片，通过上、下轴颈与机匣、内环相连。内环带有易磨涂层，与转子上的篦齿相对，用于级间封严。调节叶片时，叶片绕上、下轴颈转动。轴颈处都装有自润滑衬套，能减小叶片与机匣、内环的摩擦。内环分为上下两段，每段又分为前后两半并通过螺栓联接组成半环。另外，内环下端有一凹槽，与叶片下轴颈凸台(图5)相对。这种设计在静叶叶片断裂的情况下，凸台可保持断裂的静叶不脱落，大大提高了发动机的安全系数。

图5 可调静叶模型Fig.5 Model of VSV

后6级静叶为不带内环的悬臂结构，叶片单个安装，采用T型安装板固定在机匣槽内。每级整圈有4个带挡边叶片，通过固定在机匣外的止动销插入挡边中间，防止叶片周向串动。机匣T型槽装有薄衬套环，起防止微动摩损作用。静叶悬臂端与鼓筒对应处的硬质涂层自适应匹配，保持合适的间隙。

液压作动筒安装在对开机匣后段的安装座上，从后往前推动连动杆，使可调机构实现4级联调。

5 结束语

罗·罗德国公司的快速发展，极大程度上依赖于罗·罗公司的预研成果和技术积累。其BR700系列发动机的成功研发，正是源于共用民机核心机技术的研究与应用，通过验证的新方法、新技术、新结构逐步应用到高压压气机上，促成了系列发动机的发展。目前，我国民机大发动机项目已开始启动，可参照罗·罗德国公司的思路，重视核心机的研发，立足于国内近二十年的预研成果和工程经验，开创出一条自主研发民用核心机的道路。

BR700系列发动机高压压气机结构设计上较有特色，通过对结构解析，加深对国外设计技术、工程经验的了解，并对相关技术加以消化与吸收，厘清思路，加强国内先进民用大涵道比涡扇发动机压气机部件的技术预研，以促进高压压气机的结构设计技术发展，助推国内民机高压压气机的研发。

[1]江和甫，焦天佑，卢传义.1997年巴黎航展期间访问记实[J].燃气涡轮试验与研究，1997，10(3)：56—62.

[2]刘大响，金捷，彭友梅，等.大型飞机发动机的发展现状和关键技术分析[C]//.中国航空学会2007年学术年会论文集.2007.

[3]Rolls-Royce BR700[EB/OL].[2013-09-01].http://en.wiki⁃pedia/wiki.

[4]Wenger U，Wehle P.Development of the Rolls-Royce 10 StageHighPressureCompressorFamily[R].ISABE 2009-1300，2009.

[5]Peitsch D，Stein M，Hein S，et al.Numerical Investigation of Vortex Reducer Flows in the High Pressure Compressor of Modern Aeroengines[R].ASME 2002-GT-36074，2002.

HPC Design and Structure Features of BR700 Series Engine

YANG Wei，XU Wei
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The 10-stage high pressure compressor of BR700 series aero-engine has a typical structure to civil purpose,as well with several characters in the construction design.Rotor has two assemblies,the front 6-stage discs and drums are welded together using Titanium alloy,meanwhile the rear 4-stage discs and drums are welded with the rear shaft which are made of Nickel alloy.The front casing is cast steel split parts and the rear is two layers ring casing.The blades with the circumferential dovetail which has two“wing”on the two sides and the cantilevered vanes are introduced into the design.Analyzing the structure features of the mature HPC can promote the understanding of Rolls-Royce’s design techniques.At the same time,it al⁃so can accelerate the structural design development of aero-engine in China.

BR700 series；aero-engine；HPC；structure features；rotor assembly；vortex reducer；VSV

V235.13+3

：A

：1672-2620(2014)03-0030-04

2013-10-10；

：2014-03-05

杨伟(1976-)，男，四川江油人，高级工程师，硕士，主要从事压气机结构设计。