某涡轮冷却器蜗壳的设计改进与试验验证

孙玉波，闫周易

（1.海军驻洛阳地区军事代表，湖南 洛阳 471000；2.新乡航空工业（集团）有限公司，河南 新乡 453049）

0 引言

涡轮冷却器作为飞机环控系统制冷附件中的关键部件，其性能的好坏将对飞机环控系统的性能产生决定性影响，涡轮冷却器的叶轮转子和其它固定零件之间存在一定的间隙，设计生产时需确保间隙不会过大导致过高的效率损失，又不会过小增加叶轮转子卡滞的风险[1]。

升压式涡轮通常采用调距垫片对转子间隙进行控制，通过在转子两侧的固定零件之间添加不同厚度的垫片，可以得到不同的转子间隙。调距垫片在涡轮冷却器中的位置示意如图1所示。螺钉连接在压气机蜗壳和壳体上，将中间的扩压器、调距垫片、压气机隔板和其它定子零件依次压紧、固定。

图1 调距垫片位置示意图

通过合理配置垫片的厚度，可以在一定范围内调整压气机和涡轮的效率，确保产品达到设计性能。

我单位某型升压式涡轮冷却器在设计点工作时，压气机出口压力应不低于0.82 MPa（绝压，下同），涡轮出口温度应低于-32℃。但在生产过程中，部分产品难以调试至规定性能，具体表现在按照设计转子间隙装配好产品后，涡轮出口温度仍高于设计值（-32℃）。为了使产品达到合格的性能指标，需要反复调试产品其它装配参数，而调试过程中没有相应标准供参考，产品存在性能不合格的隐患。

1 装配参数试验对比

该涡轮冷却器的重要装配参数包括压气机蜗壳的两个装配间隙，这里探讨这两处间隙对产品性能的影响。该产品压气机端转子间隙为0.3～0.4 mm，见图2中“间隙1”，“间隙1”在径向方向通过机加保证，轴向方向通过调距垫片保证，当增加调距垫片时，压气机隔板和壳体一起相对于压气机蜗壳被抬起，在螺钉连接处出现“间隙2”，宽度在1.45 mm上下小范围浮动。

图2 压气机端间隙示意图

为了确定合理的装配参数，按照不同的装配状态对该涡轮冷却器进行了试验，装配状态分下列A、B两种。

A状态：调整好图2中的“间隙1”后，用垫片将“间隙2”填满，对产品进行性能试验，发现压气机出口压力只有0.74 MPa，与设计值（≥ 0.82 MPa）不符，导致涡轮膨胀比达不到设计要求，涡轮出口温度只有-20.6℃（设计要求≤ -32℃）；同时在试验过程中发现，在压气机入口压力低于0.25 MPa之前，压气机出口压力及涡轮出口温度满足设计要求；

B状态：正常装配状态，“间隙2”处没有垫片，通过装配经验装配螺钉，保证压气机蜗壳与叶轮之间的间隙均匀，此时蜗壳与压气机隔板之间的间“隙2”仍存在，但圆周方向上均有减少，剩余间隙在不同周向位置处的宽度不同。再次进行性能试验，该状态下实测压气机出口压力0.83 MPa，涡轮出口温度-34℃，压气机出口和涡轮出口温度均满足设计要求。

2 原因分析

2.1 产品工作原理

根据上述试验结果，进行对比分析：升压式涡轮冷却器工作原理为逆布雷顿循环，即空气在压气机、换热器、涡轮及大气中依次进行近似的等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀及等压吸热四个过程[2-3]。B状态产品中的空气循环对应图3温熵图中1′-2-3-4实线所示的轨迹，A状态的空气循环循环对应图3中的1′-2′-3′-4′虚线所示的轨迹，其中点 1′代表压气机入口空气的状态（从发动机引气），点2代表压气机出口空气状态，点3代表换热器出口（涡轮入口）空气状态，点4代表涡轮出口空气状态，空气各状态转化过程在图3中用文字标出。

图3 某型升压式涡轮冷却器的空气循环温熵图

2.2 对照试验分析

相对于B状态，在流量不发生明显变化的情况下，A状态的涡轮冷却器由于装配状态变化，导致压气机增压比下降，压气机出口压力从0.82 MPa下降至0.74 MPa，将会使压气机出口温度从设计点T2下降至T2′。换热器热边流阻变化很小，此处忽略，换热器近似为等压冷却，空气沿着图3中的等压线2′-3′降温。由于压气机出口温度T′低于设计点T2，换热器冷边和热边温差减小，换热效率下降，换热器热边出口温降变小。涡轮出口处的背压不变，随后涡轮处的膨胀比势必会随入口压力的减小而减小，最终导致涡轮出口温度偏高，从设计的-32℃以下变为-20.6℃，整个升压式涡轮冷却器性能低于设计值。

2.3 初步分析结论

结合A状态产品性能在压气机入口压力高于0.25 MPa后才不合格的现象，分析原因可能为压力上升至某一阈值后，产品发生了影响性能的弹性变形。综合上述分析过程，推测产生的变形可能为：A状态的产品在压气机入口压力超过0.25 MPa后，压气机蜗壳向外鼓起，与扩压器的接触面部分或全部分离。

3 仿真论证

为了对照理论分析结果，对产品在第4节中说明的A状态和B状态两种装配形式下的蜗壳进行仿真分析，分析产品性能差异的原因。

3.1 A状态变形仿真（压气机蜗壳和压气机隔板之间完全填充垫片）

产品简化后的数模与网格划分如图4所示，网格数442 077，节点数783 779。

图4 简化后的几何模型（左）与网格划分模型（右）

以装配对应的约束与气动力作为仿真边界条件，分析产品工作状态下的变形。压气机蜗壳与扩压器接触面的位移情况，如图5所示，其中浅颜色所示为分离状态，深颜色为接触状态，经初步计算，蜗壳上的接触面最大分离位移达到0.17 mm（扩压器高度2.7+0.05-0.05 mm），变化幅度达6%，扩压通道出现缝隙将导致扩压器扩压能力下降，表现为压气机出口压力下降，本文第2节A状态产品的试验结果显示压气机出口压力从0.82 MPa下降至0.74 MPa，与仿真结果相符，相互印证。

图5 扩压器与蜗壳接触面的分离状态

3.2 B状态变形仿真（压气机蜗壳和压气机隔板之间无垫片）

为进一步仿真模拟，当压气机蜗壳与压气机隔板间无垫片，通过装配经验完成装配下的蜗壳接触面位移情况。约束与气动力载荷的设置与4.1节相同，除此之外，依据生产现场实测的预紧力，施加螺钉载荷。由于压气机蜗壳不同相位的抵抗外鼓的刚度不同，导致螺钉需要的预紧力不同，实测同一套产品所用螺钉的预紧力在2.05 N·m～3.41 N·m之间变化，仿真载荷如图6所示。

图6 施加螺钉载荷

压气机蜗壳与扩压器接触面的位移情况，如图7所示，其中浅颜色所示为分离状态，深颜色为接触状态，仿真结果显示，蜗壳上的接触面理论最大分离位移达到0.007 mm（扩压器高度2.7+0.05-0.05 mm），变化幅度远低于公差带宽度，对扩压器的性能几乎无影响，因此产品性能应能满足要求。本文第2节B状态产品的试验结果显示性能合格，与仿真结果相符，相互印证。

图7 扩压器与蜗壳接触面的分离状态

此外，仿真结果显示的零件应力均低于材料的屈服强度，上述仿真内容证实了第2.3节中弹性变形的理论分析结果。

4 产品改进

4.1 改进方向分析

由于产品性能不合格是因压气机蜗壳刚度不足引起，可以推论，如果提高压气机蜗壳的刚度，可以使装配工人直接将螺钉全部拧紧，确保在较高的工作压力下，压气机蜗壳与扩压器的压紧面不分离，从而简化装配参数，消除产品性能超差的隐患。

提高压气机蜗壳的刚度可以通过更换刚度更高的材料，或是调整零件结构，使其在目标方向上的刚度来实现。更换高刚度材料即选择弹性模量E更大的材料，但经对比发现，压气机蜗壳原材料为ZL105-T5，其弹性模量E在工作温度下为68 GPa[4]，其它铝合金的弹性模量相对于该值没有明显优势，仅通过更换材料难以提高零件刚度。而调整零件结构，增加其抵抗向外鼓起的刚度，有较高的可行性。

4.2 结构改进

当压气机蜗壳承受内部空气的高压力时，壳体向外鼓起，该变形方向与加强筋的受力方向一致，可以通过提高加强筋对壳体的支撑性能来增加所需刚度；且从图8左图所示的零件截面图显示，蜗型通道相对于螺钉连接处向外伸出一段，该处结构不够紧凑，会降低零件抵抗外鼓的刚度。经以上分析，进行以下3点改进：

（1）将加强筋数量由4个增加至6个，将抵抗变形的力分散开，减小各处的弹性变形，提高零件在外鼓方向上的刚度；

（2）抬高加强筋的外侧高度，可以将抵抗变形的力施加在扭转力臂更长的地方，通过杠杆原理减小材料的受力，提高零件在外鼓方向上的刚度；

（3）将压气机蜗壳的气流通道向内收，可以减少变形区域相对于支点向外伸出的长度，起到增加零件刚度的效果。

改进前后对比如图8、图9所示。

图8 改进前的压气机蜗壳图纸（左）与改进后的压气机蜗壳图纸（右）

图9 改进前的压气机蜗壳数模（左）与改进后的压气机蜗壳数模（右）

5 改进后试验验证

对改进后的压气机蜗壳进行了小批量投产，改进前后的压气机蜗壳照片对比如图10所示，改进前零件重量1.088 kg，改进后零件重量1.053 kg。

图10 更改前的压气机蜗壳照片（左）与更改后的压气机蜗壳照片（右）

使用改进前后压气机的蜗壳进行对比装配试验，试验结果如表1所示。表1显示装配改进后的压气机蜗壳时，可以直接将螺钉拧紧至某一较高的力矩，涡轮冷却器便能达到设计性能，涡轮出口温度达到-34.5℃，而换装改进前压气机蜗壳后仍需反复调整螺钉拧紧力矩，才能将产品性能调试合格，试验结果显示改进效果明显，装配调试困难的问题得到解决。

表1 改进前后产品试验对比

6 总结

本文通过对某型升压式涡轮装配调试困难的现象进行分析，结合仿真结果，确定了问题的关键原因在于压气机蜗壳刚度不足，导致高压力工况下蜗壳发生向外鼓起的弹性变形，扩压器通道脱离设计状态，产品性能超差。针对该原因对压气机蜗壳进行了结构改进，提高了抵抗向外鼓起的刚度，小批量投产后进行的装配试验显示改进效果显著，装配调试困难的问题得到解决。

我单位以往设计的涡轮冷却器工作压力较低，蜗壳向外鼓起的弹性变形很小，以前并未暴露出该问题，而该型高压力工况的涡轮冷却器所显示的问题与解决方案，可以作其它单位后续设计同类产品的重要经验，指出了设计阶段对零件进行刚度校核的必要性。