渦輪主動控制技術現狀及發展分析

■ 王子堯 / 中國航發研究院

渦輪是航空發動機的核心部件，隨著對發動機性能要求的不斷提高，渦輪的工作條件愈發嚴苛，出現高溫、高應力、振動、高負荷渦輪葉片流動分離等問題，主動控制技術是在現有技術條件下解決上述問題的重要手段。

主動控制技術是指在發動機運轉過程中主動調控部件/系統的工作狀態，使得部件/系統在給定工作條件下具有最佳性能，從而提高發動機整機的性能與可靠性。通過渦輪主動控制，可保證渦輪在寬范圍工況下的高效、穩定工作，規避高溫、高應力、振動、高負荷渦輪葉片流動分離等影響渦輪性能及可靠性的問題，從而支撐發動機根據任務靈活地調節自身工作狀態，實現多變工況下的最優綜合效能。

渦輪主動控制技術概述

渦輪主動控制技術主要包括主動冷卻技術、主動能量管理、主動間隙控制、主動振動控制以及主動流動控制等，技術概況如表1所示。

主動冷卻技術

渦輪前溫度是反映發動機設計水平的核心指標，提高渦輪前溫度可增大發動機推力。為了保證渦輪在不同工作狀態下的良好運行，在現有渦輪葉片材料水平下，還需對渦輪進行有效冷卻，即采取冷卻技術降低渦輪的溫度水平及溫度梯度，為渦輪提供熱防護。

目前，先進發動機會采用多通道強制對流、氣膜冷卻、沖擊冷卻、發散冷卻和層板冷卻等方式，通過減小渦輪盤的熱載荷達到熱防護的目的。主動冷卻技術是指通過液態或氣態冷卻介質帶走或阻隔氣動熱，以保證被冷卻結構不超過使用溫度的技術，其核心在于提高冷卻效率，即在有限的冷氣消耗量條件下獲得冷卻效果的提升，主要實現手段為渦輪盤腔與渦輪盤新型結構的設計及應用。其中，渦輪盤腔采用的冷卻結構包含中心進氣、高位進氣及預旋進氣等冷卻結構，如圖1所示；渦輪盤則采用新型結構（如雙輻板渦輪盤）及新型材料（如功能梯度材料、壓電材料等）。

采用主動冷卻技術對渦輪進行高效冷卻，可以有效地保護渦輪葉片，使得渦輪在不同工作點下均能良好地運行，保證了渦輪的變工況性能；同時，可為渦輪前溫度的進一步提高提供保障條件，從而促進發動機推力的提升。

主動能量管理

主動能量管理技術在發動機渦輪上的應用源于渦輪盤應力控制的需要。渦輪盤工作應力主要包括離心應力與熱應力，取決于相應的負載條件。一般而言，離心載荷與整機性能相關，不會輕易變更；熱載荷往往有一定的調整空間。因此，可以通過調控熱載荷形式對熱應力進行控制，達到降低應力的目的。

表1 渦輪主動控制技術概況

圖1 典型旋轉盤腔結構示意

圖2 渦輪盤腔冷卻能量分布形式

渦輪盤腔冷卻能量分布形式如圖2所示。傳統的渦輪盤外緣承受葉片導熱，迎風面和盤心由冷氣冷卻，熱載荷作用下渦輪盤沿徑向的溫度分布曲線類似于拋物線，最高溫度位于盤緣，最低溫度位于盤心。目前，渦輪采用的主動冷卻技術可強化熱防護效果，但并不改變熱載荷的分布形式，對應力的影響十分有限，無法滿足應力控制的需求。主動能量管理技術通過主動設計渦輪盤的邊界熱載荷，獲得更為合理的溫度分布，利用相應的熱應力抵消離心載荷產生的離心應力，降低渦輪盤的工作應力，從而進一步挖掘渦輪冷卻潛能，并且提升渦輪安全性。主動能量管理的實現方法包括盤心主動加熱技術、基于熱管原理的熱管渦輪盤冷卻技術等。其中，盤心主動加熱通過在渦輪盤內緣增加一路氣流通道，引入部分溫度較高的二次氣流，用以主動加熱盤心區域，實現渦輪盤新型溫度分布形式；熱管渦輪盤冷卻則是在渦輪盤中加工沿周向均布的管腔，管腔中段由絕熱襯套包裹，盤心附近區域則采用篦齒封嚴，使得盤心附近區域近似絕熱，在管腔中填充特定換熱工質（如液態金屬鈉），當渦輪盤旋轉時，在離心力與相變作用下，換熱工質將在管腔中往復運動，盤心被加熱，從而在盤心附近區域構建逆向溫度梯度，由此產生的熱應力可抵消部分離心應力，實現降低渦輪盤應力的目的。

主動間隙控制

葉尖間隙是指發動機轉子葉片和機匣的距離，對部件效率、發動機功率和燃油消耗有顯著影響。渦輪屬于熱端部件，葉尖間隙變化較大，間隙控制顯得尤為關鍵。主動間隙控制可使發動機保持在最優的葉尖間隙下運行，提高渦輪效率，進而提升發動機的整機效率，有助于增加渦輪壽命、減少發動機污染物排放和降低耗油率。

主動葉尖間隙控制主要有主動熱控制、主動機械控制和主動壓力控制等3種執行方式，均是通過改變機匣變形量來控制葉尖間隙。其中，主動熱控制通過引用外涵道或壓氣機的低溫氣流對機匣外表面進行冷卻，主動機械式和主動壓力式通過特殊裝置改變機匣的變形。相比之下，主動熱控制方法響應較慢，同時會產生較大的溫差，使機匣的熱應力增大，不利于機匣強度設計，但主動熱控制所需的配套控制構件相對簡單。主動機械控制與主動壓力控制需要設計配套的作動系統，對結構變形及位置要求精確，控制難度較大。因此，主動熱控制在渦輪間隙控制中應用更加廣泛。一種典型方法為基于形狀記憶合金的渦輪間隙控制，如圖3所示。形狀記憶合金絲及配套彈簧組成執行機構，利用形狀記憶合金材料特性隨溫度變化的特點，通過調節兩個腔體中的氣流控制形狀記憶合金絲的溫度，促使其長度發生變化，再通過作動桿帶動外環塊沿徑向移動，從而適應工作狀態變化的要求，自動控制渦輪葉尖間隙。

主動振動控制

振動會影響發動機部件及整機性能并危害發動機的安全性，對振動進行主動控制十分必要。渦輪作為轉子部件，除自身振動控制，還需要與發動機其他部件/系統進行統籌考慮，實現整機振動控制。振動控制即根據所監測到的振動信號，應用一定的控制策略，驅動執行機構對控制目標施加一定影響，達到抑制或消除振動的目的。

與被動振動控制相比，主動振動控制的一個顯著特點是引入外部能量對振動系統進行干預，通過調節執行機構材料或幾何參數，靈活改變執行機構剛度或阻尼，實現振動控制。主動振動控制執行機構主要類型如下：可控擠壓油膜阻尼器，通過調節阻尼器的結構參數（油膜間隙、油膜承載長度），產生非線性油膜力逼近線性轉子系統所需的控制力，以控制轉子系統的不平衡響應；形狀記憶合金調節器，利用材料特性隨溫度發生變化的特點，控制形狀記憶合金的恢復力，改變轉子系統支承剛度；電磁調節器，借助電磁力主動控制轉子的振動；壓電調節器，利用壓電材料在電壓作用下伸縮變形的特點，對軸承施加控制力或改變軸承的結構參數；電流變液體調節器，利用電流變液體在不同電壓作用下黏度發生明顯變化的特點，形成可控制裝置；液/氣壓調節器，利用液/氣體的壓力變化控制轉子系統的支承剛性，進而改變系統的剛性和阻尼，達到振動控制的目的。

圖3 基于形狀記憶合金的渦輪主動間隙控制示意

主動流動控制

為了滿足發動機多變環境適應性、減輕質量、增加推力等發展趨勢，低壓渦輪葉片負荷不斷提高，葉片吸力面邊界層易發生分離，導致流動損失增大、渦輪效率下降，影響發動機工作穩定性。主動流動控制是解決高負荷渦輪流動損失及性能下降問題的有效手段，通過在流場中施加適當的擾動并與流場耦合，實現對流動的控制，保證渦輪性能適應多變工作需求，并且有助于降低發動機的阻力和振動載荷。

渦輪主動流動控制的代表方法主要包括渦流發生器技術、尾緣射流、等離子體流動控制、邊界層吹/吸技術等。渦流發生器技術在葉片吸力面上開射流孔，使用渦流發生器產生高動能渦流并與主流摻混，增加近壁面流體能量，提高邊界層氣流抗分離能力，以改善葉片尾部流場特性。尾緣射流在葉片尾部開孔并引入射流，通過改變葉片表面壓力分布，加速邊界層流動，間接抑制流動分離。等離子體流動控制通過在葉片吸力面施加等離子體氣動激勵，向流場邊界層注入能量，提高近壁面的流動速度，從而延緩邊界層分離；邊界層吹/吸技術通過吹出高動量的流體或者抽吸壁面部分低能流體，提高邊界層抵抗逆壓梯度的能力，減緩或者消除流動分離。

渦輪主動控制發展思路

渦輪多目標主動控制

主動控制技術一般具有單一控制目標，而通過多種主動控制技術融合發展，可同時兼顧多種增益效果，推動形成多目標優化設計，如圖4所示。渦輪主動控制技術之間存在密切聯系：間隙與流動分離均會對渦輪的性能產生影響，主動間隙控制與主動流動控制緊密融合，可提升渦輪效率及流動穩定性；流場與振動互相影響，主動流動控制可降低振動載荷，有利于振動控制，而主動振動控制有利于保持流動穩定性；渦輪作為熱端部件，主動冷卻技術與主動能量管理緊密融合，可提升渦輪冷卻性能，并實現渦輪延壽設計；主動冷卻技術可作為主動間隙控制的重要手段；主動能量管理則可為主動振動控制提供所需的能量輸入。因此，可通過多種主動控制技術融合，實現渦輪性能與安全性等多目標匹配優化。未來，可首先在兩項主動控制技術之間進行雙目標平衡，例如將主動冷卻技術與主動能量管理融合，實現冷卻效能與應力控制的雙目標優化；進一步，循序漸進融入更多主動控制技術，實現渦輪多目標匹配。

渦輪與其他部件/系統協同匹配

圖4 渦輪主動控制技術融合示意

航空發動機是一個有機協同的整體，各個部件/系統之間存在密切的流量或能量交換，單一部件/系統的發展會對與之相關的其他部件/系統提出更高要求，同時又為推動其他部件/系統發展提供有力支持與條件。因此，通過不同部件/系統主動控制的協同匹配，構建發動機整機的主動控制系統，促使發動機在全生命周期內根據外部環境和自身狀態，重新規劃、布設、控制和優化自身性能、可靠性、健康等狀況。與渦輪密切相關的部件/系統主要包括空氣系統、壓縮系統、燃燒室以及發動機承力系統等，通過這些部件/系統的主動控制協同，構建多部件/系統多目標優化能力，可提升發動機綜合效能。

結束語

綜上，采用渦輪主動控制技術，可提高渦輪部件性能，實現渦輪流動、能量分配、振動及延壽等多目標優化；而通過渦輪與其他相關部件/系統的協同匹配，可提升發動機整機綜合效能。

具體可分階段將主動控制技術融入部件及發動機設計流程。首先，基于現有設計，通過對部件/系統的局部適應性改進，達到主動控制的效果。之后，以此為基礎，在設計之初充分考慮主動控制的需求，對部件性能及結構方案進行設計，探索主動控制部件/系統新方案。最終，將各個主動控制部件/系統方案有機結合，形成具備主動控制能力的發動機新方案，促進發動機能力的顛覆式創新發展。

在主動控制技術機理及實施方法研究的基礎上，可有針對性地開展主動控制技術收益論證，著力將主動控制技術融入發動機設計體系，打造具備“先天”主動控制能力的渦輪及發動機。