基于孔探辅助转动装置的发动机建模研究

常博森 张晨阳 王浩廷 张家硕 武佳昱

摘要：航空發动机建模是开展仿真和半物理实验的重要组成部分，对降低试验风险、减少成本具有重要作用。为研制一款用于航空发动机孔探工作的低压转子辅助转动装置，本文采用CFM56-7B发动机部件法模型，采用UG软件，分别对发动机的风扇段、压气机段、燃烧室段和涡轮段进行三维建模，再进行组装，建模的成果可以用来计算发动机的转动惯量、扭矩等参数，并满足精度的需求。

关键词：航空发动机  低压转子  建模  UG

中图分类号：V23文献标识码：A         文章编号：1672-3791（2021）10（c）-0000-00

Research on Engine Modeling Based on Borescope Auxiliary Rotation Device

CHANG Bosen1   ZHANG Chenyang2  WANG Haoting1

ZHANG Jiashuo1  WU Jiayu3

（1. Civil Aviation University of China， Tianjin， 300300 China; 2.Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan Province， 610031 China; 3.Chaoyang Flight Training Base of Tianjin Jepson International Flight Academy Co.，

Ltd. Chaoyang， Liaoning Province， 122000 China）

Abstract： Aeroengine modeling is an important part of simulation and semi physical experiment， which plays an important role in reducing test risk and cost. In order to develop a lowpressure rotor auxiliary rotating device for borescope detection for aeroengine， in this paper， the CFM56-7B engine component method model and UG software are used to carry out three-dimensional modeling of the fan section， compressor section， combustion chamber section and turbine section of the engine， and then assembled. The modeling results can be used to calculate the rotational inertia， torque and other parameters of the engine， and meet the requirements of accuracy.

KeyWords： Aeroengine; Low pressure rotor; Modeling; UG

发动机孔探广泛地应用在航空发动机维护与检修工作当中，是防空停的重要措施之一[1]，它可以在不拆卸发动机的无损状态下，对发动机内部进行检查，尤其是发动机的叶片损伤状态[2-3]。为了便于设计一款用于孔探工作的低压转子辅助转动装置[4]，对孔探工作的对象，即航空发动机结构特点进行必要的了解很有必要，尤其是其结构尺寸、重量、转动惯量、扭矩等参数。航空发动机建模是开展仿真和半物理实验的重要组成部分，对降低试验风险、减少成本具有重要作用[5]。该文采用UG建模软件，对CFM56-7B航空发动机进行三维建模研究。

UG拥有许多功能模块，可以满足不同的建模需求，其配备了一个统一的数据库，允许在各种模块间无缝交换数据;同时UG在曲面的建模方面拥有优势，可以用来创建复杂的曲面[6]，比如：发动机的涡轮叶片，汽车的几何形状等复杂曲面。因为UG拥有将三维模型导为二维草图的功能，在后续的优化更改以及对三维模型的检查都具有很大的帮助。

1航空发动机结构分析

CFM56-7B发动机系列是用于波音737NG的发动机型号，它是双转子轴流式高涵道比涡轮风扇发动机。从结构上主要可以分为风扇段、压气机段、燃烧室段和涡轮段。CFM56-7B双转子结构如图1所示，低压转子由4级低压压气机LPC（含1级风扇）和4级低压涡轮LPT组成，高压转子由9级高压压气机HPC和1级高压涡轮HPT组成。

CFM56-7B发动机风扇段采用了24个钛合金宽弦风扇叶片，低压压气机是整体钛合金锻件，高压压气机进口导流叶片和前3级静子叶片可调，静子机匣为分半式结构，6～9级机匣为双层结构，外层设有空气引气出口，燃烧室采用双环预混合旋流器（TAPS），涡轮段采用主动间隙控制技术等，这些技术的采用使得CFM56-7B比CFM56-3噪声和污染显著降低，维护成本降低约15%。

2航空发动机模型的建立

将发动机拆解为各个小部件按顺序进行建模，即可以保证减少建模的差错，又可以减轻工作量以及心理负担。拆解出来的建模顺序，基本按照后续的安装顺序进行，依次是风扇段、低压压气机段、高压压气机段、燃烧室段、高压涡轮段和低压涡轮段。

2.1风扇段

风扇段主要由整流锥、整流锥安装环、风扇轴、风扇叶片和外机匣组成;考虑到辅助装置将与整流锥连接，需要通过对整流锥的建模来研究连接部件的选取。

整流锥并不是传统意义上的圆锥体，其侧面为带有一定弧度的曲面，所以对于整流锥的建模重心，应放在如何才能通过建模还原出现实中整流锥的弧形侧表面。整流锥安装环用于整流锥的固定，是整个发动机中比较重要的一环，但其建模过程并不复杂。整理锥安装环可以视为一个圆台壳体与9个圆环相贯而成的实体，圆台壳体可通过旋转直角梯形得到。静子叶片部分最为复杂的部分是如何将静子叶片固定在静子机匣上，即如何在静子机匣上设置一个可以绘制静子叶片草图的平面。可以采取在静子机匣外表面建立一个新平面，避免静子叶片与静子机匣间产生缝隙。

2.2压气机段

高压压气机段由转子部分与静子部分组成，在建模的过程中，应首先构建出高压压气机轴的模型，为静子叶片与转子叶片提供位置参照处，随后通过手册上提供的高压压气机叶片的参数，并且参考实物照片的形状，模拟出叶片的外形，最后，将这些放置于压气机轴上，构成高压压气机部分。同时，低压压气机部分的模型也按照相同的方法进行搭建，最后与高压压气机部分连接。

低压压气机段建模过程与高压压气机相同，通过维修手册得知，CFM-7B发动机低压压气机转子有3级，每级分别有74、78、74个叶片，在得到一个静子叶片模型之后，通过圆形阵列命令复制即可。低压静子叶片数量分别为108、136、136、136，每级静子叶片间偏转120°以确保第一级静子叶片的平衡。确定数据后按相同步骤进行建模。

2.3燃烧室段建模

根据CFM公司提供的燃烧室的结构图，燃烧室有20个燃油喷嘴。查询发动机维护手册，得知进口导向叶片数为44个，出口导向叶片数为35个。

首先计算压气机出口导向叶片所处的燃烧室机匣直径和燃烧室出口导向叶片所处的涡轮机匣直径，并大致估算燃烧室段长度。

建模时使用先绘制草图后创建实体的办法。燃烧室机匣构造复杂，难以通过几次命令直接建好模型，所以，将机匣分为多个简单的回转体，分别绘制草图，使用“旋转”命令得到每段的实体，再通过“加厚”功能使壁面符合实际的尺寸要求，最后将各部分合并，最终得到燃烧室机匣。同样，首先完成火焰筒的建模。其次在燃烧室外机匣上建立基准平面，使得该平面与外机匣壁面相切，在新的基准平面上绘制燃油管路基座草图并拉伸出实体。再次回到初始基准平面绘制燃油管路走向，并使用“管”命令建出燃油管路模型。然后，在燃烧室机匣进口与出口分别建立基准面，绘制出叶片草图后将其拉伸为实体，并“阵列”出相应的叶片数目。最后在安装边上绘制出螺纹孔，并对一些细节进行了处理，这样就得到了燃烧室的模型。燃烧室半剖面图如图2所示。

2.4涡轮段

高压涡轮的前端是燃烧室，并通过高压轴与高压压气机相连。在进行建模的工作中的工作中，通过手册提供的CFM56-7B的剖简图，以风扇直径为标准，确定了高压涡轮的各个部位的比例尺寸，先绘制高压涡轮的剖面图。通过手册中的剖面简图，利用UG中的绘制直线曲线等工具，尽量还原出高压涡轮轮廓以及盘式结构的细节，再通过回转和拉伸等操作完成高压涡轮主体的绘制。

低压涡轮导向器机匣与低压涡轮外机匣相连，所以先绘制低压涡轮外机匣。最后绘制低压涡轮轴，低压涡轮轴穿过整个发动机，呈圆柱形且内部中空，所以可以选择上述绘制草图轮廓，再通过绕Y轴旋转拉伸的方式得到低压涡轮轴实体。

3结语

最后对所有的分段进行组装，该文使用UG建立的CFM56-7B发动机三维模型尺寸、精度符合要求，为后续的重量、扭矩的计算提供了依据，对基于孔探工作的低压转子辅助转动装置研制具有重要作用。

参考文献

[1] 岳霆，张海林.飞机智慧维修的思考[J].航空维修与工程，2021（9）：16-19.

[2] 李龙浦.基于孔探数据的航空发动机叶片损伤识别研究[D].天津：中国民航大学，2020.

[3] YUAN Z D.Borescope Inspection for HPT Blade of CFM56-7B Engine[J].IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2018，382（3）：032028.

[4] 張铭，罗欣卫，吴英杰，等.用于孔探的航空发动机低压转子辅助转动装置设计研究[J]. 中国机械，2021（3）：44-45.

[5] 付强.数值仿真助推航空发动机研制模式革新[J].航空动力，2021（2）：45.

[6] 袁忠大，程秀全，刘艺涛，等.基于UG有限元模型的航空发动机高压涡轮盘蠕变寿命计算[J].机床与液压，2021，49（6）：137-141.

基金项目：中国民航大学大学生创新创业训练计划优秀培育项目（项目编号：  IEKCAUC2021013）;中国民航大学大学生“互联网+”创新创业竞赛2021培育项目。 作者简介：常博森（2001—），男，本科，研究方向为飞行器动力工程。