航空發動機主動間隙控制技術研究

李長暉

摘要：葉尖間隙對航空發動機的效率、安全性、可靠性與壽命等方面均有著十分重要的影響。在航空發動機上應用主動間隙控制技術，能降低發動機排氣溫度和耗油率、提高發動機的穩定工作裕度、增加載重、提高航程、降低飛機全壽命周期費用，帶來巨大的收益。本文主要介紹了國內外主動間隙控制技術的研究進展，分析了葉尖間隙影響因素，基于主動間隙控制原理確定了葉尖間隙對性能影響的試驗驗證方案，給出了主動間隙控制規律設計思路，為后續發動機主動間隙控制技術的研究提供理論依據。

關鍵詞：航空發動機;主動間隙;控制技術

前言

航空發動機高壓壓氣機和高低壓渦輪的效率與其葉尖間隙大小的有著較大影響，存在發展上的制約。試驗資料表明，若葉尖間隙與葉高之比上升1%，會導致壓氣機或渦輪效率下降約0.8%～1.2%，可造成整機排氣溫度有較大幅度上升;葉尖間隙的大小還會對航空發動機的耗油率產生重要的影響，葉尖間隙與葉高之比上升1%，會導致渦扇發動機的耗油率上升約2%～2.5%，而大涵道比渦扇發動機研制的初衷，就是通過增大涵道比，提高循環參數，從而降低耗油率，最終有效降低飛機全壽命周期的使用費用。基于以上原因，研究如何有效地在使用中控制葉尖間隙，保持壓氣機和渦輪轉、靜子之間有良好的間隙配合，對進一步提高航空發動機效率、降低耗油率和降低飛機全壽命使用費用有著極其重要的意義。

1國內外發展現狀

1.1國外發動機發展現狀

從20世紀70年代起，國際上如NASA Lewis研究中心、美國Wright空軍實驗室、美國通用電氣公司、法國sNEcMA公司和CFM國際公司、英國RR公司、日本國家宇航實驗室、德國BMW Rolls-Royce公司等相關研究機構均先后在葉尖間隙的相關領域開展了大量的設計分析與試驗驗證工作，這些工作主要集中在結構設計、數值分析方法、葉尖間隙測試技術、控制方法與控制系統設計研究、渦輪構件換熱邊界條件及溫度場計算等方面。

GE公司從早期的CF6到CFM56直到最新的GEnx、LEAP-X等發動機均采用了傳統的熱氣式主動間隙控制技術。改進的CF6發動機的主動間隙控制系統，使巡航耗油率下降0.7%，每架DC-10-10飛機年節省燃油30200～184000升。CFM56-3發動機由于采用了高壓渦輪葉尖間隙主動控制系統，既避免了在加速或減速停車時因油門桿動作過猛造成的葉尖與機匣的相碰：又減小了爬升與巡航狀態的葉尖間隙，改善了發動機的經濟性。另外，由于在巡航狀態時引溫度較低的高壓壓氣機第5級空氣（比第9級約低180度）來冷卻渦輪外環，比無主動控制葉尖間隙發動機通常直接采用第9級空氣來冷卻渦輪外環，徑向葉尖間隙可減小約0.55mm，使渦輪效率約增加1.3%，可使巡航耗油率下降約0.9%。

1.2國內發動機發展現狀

國內南航、北航都曾在國家航空科學基金的支持下做了一些基礎性研究，部分科研院所也開展了相關方面的研究及試驗驗證工作，由于研究涉及的方面廣，起步相對較晚，因此在能力上落后國外很多。

2葉尖間隙影響主要因素

影響葉尖間隙變化的因素很多，其中主要因素有以下幾個方面：①溫度及轉速變化的影響;②轉子振動的影響;③其他載荷的影響;④發動機使用時間的影響;⑤結構設計的影響;⑥加工和裝配精度的影響。

3主動間隙控制原理研究

本文采用主動熱間隙控制的方法進行控制規律設計，主動熱控制是利用壓氣機和風扇中的氣流，分別加熱（使膨脹）或冷卻（使收縮）高壓渦輪葉冠扇形密封件支撐結構，來改變葉尖間隙。主動熱控制是現代燃氣渦輪發動機間隙控制的主要技術，但是由于它在低速時的熱響應慢，所以在巡航期間，必須留有足夠的間隙，以防止在油門急拉急推時發生碰磨。

本文將以大涵道比雙轉子渦扇發動機為例，進行高壓渦輪主動間隙控制理論分析及試驗驗證，其中高壓壓氣機共九級，分別由高壓壓氣機五級及高壓壓氣機九級進行主動間隙控制引氣。

隨發動機工作狀態變化，調節主動間隙控制活門，實現主動間隙控制流路空氣系統的三種引氣方式：高壓壓氣機五級引氣、高壓壓氣機九級引氣、高壓壓氣機五級和九級混合引氣。

高壓壓氣機五級引氣——冷卻空氣引自高壓壓氣機第五級轉子后，流經高壓氣機機匣引氣孔、控制活門進氣管，進入控制活門五級引氣控制碟閥前腔，經五級引氣控制碟閥后進入控制活門內腔。

高壓壓氣機九級引氣——冷卻空氣引自燃燒室外環腔，流經燃燒室機匣引氣孔、節流孔、九級引氣管，進入控制活門九級引氣控制碟閥前腔，經九級引氣控制碟閥后進入控制活門內腔。

控制活門內腔的冷氣流入控制活門出氣管，流經燃燒室機匣外環上的兩根分支管，分別經燃燒室機匣上的兩個引氣孔流入高壓渦輪機匣集氣環外腔。氣流進入集氣環外腔后經高壓渦輪機匣集氣環上的孔進入高壓渦輪機匣集氣環內腔，對高壓渦輪機匣進行冷卻，然后流入低壓一導上緣板集氣腔。

4主動間隙控制試驗方案設計和主動間隙控制規律設計

4.1試驗方案設計

為了滿足航空發動機在不同使用條件下的性能，并保證使用安全，在理論研究的基礎上，采用在地面臺架進行整機試驗的方法，設計主動間隙控制規律，假定發動機主動間隙的引氣位置為九級引氣和五級引氣，試驗方案如下：

階段一：基礎引氣試驗驗證

選取不同的轉速，分別進行九級、九五級、五級引氣對比試驗，測量出不同引氣方式下高壓渦輪轉子葉尖間隙的大小，同時得出幾種引氣方式對發動機性能的影響趨勢;

階段二：優化驗證

按照階段一的方式，開展不同引氣流量對高壓渦輪轉子葉尖間隙和發動機性能影響的試驗驗證。

4.2控制規律設計思路

主動間隙控制規律的設計主要是基于理論分析及試驗結果，在保證安全的前提下盡可能提高經濟性。

同時在設計中還要考慮以下兩方面因素：

（1）要充分考慮不同環境條件可能帶來的影響，例如環境溫度、大氣濕度等;

（2）地面臺架試車驗證的結果不完全適用于空中飛行，設計控制規律時首要保證安全性，其次考慮性能方面的因素。

5結束語

本文詳細論述了主動間隙控制的目的和意義，明確了影響葉尖間隙的主要因素，基于主動間隙控制原理，制定了相關試驗方案，提出了控制規律設計思路，該成果可應用于后續航空發動機及燃氣輪機主動間隙控制規律設計。