某型航空發動機高壓渦輪葉尖間隙控制技術研究

■ 李鵬亮 何逸冕 羅利民 李俊/ 成都航利（集團）實業有限公司 空裝駐成都地區第二軍事代表室

0 引言

航空發動機是一種高速旋轉的流體機械，渦輪通過做功將熱能轉化為動能，因此渦輪轉靜子間隙直接影響發動機性能及油耗。現代航空發動機高壓渦輪葉尖間隙控制方式主要有主動間隙控制和被動間隙控制，主動間隙控制可以使發動機葉尖間隙隨著發動機工作狀態變化而進行相應的調整，使發動機在任何狀態下都可以保持最佳工作狀態，但結構復雜，加工困難；被動間隙控制方式下，發動機轉靜子間隙不會隨著發動機工作狀態變化而進行適應的調整。

某型航空發動機高壓渦輪葉尖間隙采用被動間隙控制方法，高壓渦輪葉尖間隙控制較小時，由于轉靜子碰磨嚴重，可能導致發動機振動超標；葉尖間隙控制較大時，發動機性能低，推力不達標。因此，探索合理的高壓渦輪葉尖間隙，可以為修理發動機提供參考。

1 研究過程

1.1 故障現象

某型航空發動機已進入批量化修理流程，主要的故障形式為振動超標、推力小、滑油壓力低等，而高壓渦輪葉尖間隙與發動機振動及發動機性能有直接關系。針對振動超標的發動機排故時，分解檢查發現大部分發動機轉靜子碰磨痕跡較為明顯，主要表現為低壓一導內環裝配組件與高渦后擋板之間的碰磨、壓氣機機匣與壓氣機轉子之間的碰磨、高壓渦輪葉尖與高壓渦輪外環之間的碰磨，而高壓渦輪葉尖與高壓渦輪外環之間的碰磨痕跡尤為明顯。后期，隨著該型發動機使用時間的增加，熱端部件變形越來越嚴重，因轉靜子碰磨引起的發動機振動故障也越來越多。針對性能差、推力不達標的發動機，對轉靜子間隙進行返工序測量，發現大多數發動機葉尖間隙偏大或局部間隙已超過設計給定的最大標準。

1.2 故障原因

該型發動機轉靜子碰磨的根本原因是為了追求發動機性能而縮小了轉靜子間隙，目前轉靜子間隙控制技術相對落后，當發動機工作狀態發生變化時，轉靜子間隙無法進行適應性調整。

總設計單位根據發動機換件情況給出了幾種修理標準：裝用新葉片、新外環葉尖間隙標準；裝用新葉片、舊外環葉尖間隙標準；裝用舊葉片、新外環葉尖間隙標準；裝用舊葉片、舊外環葉尖間隙標準。其中，裝用新葉片、新外環的葉尖間隙標準最苛刻，即為新發動機的設計標準。

對于大修發動機或返廠修理的發動機，如果高壓渦輪葉尖間隙控制較嚴，由于轉靜子材料的線性膨脹比不匹配、轉子或機匣變形、同軸度差，都極易發生轉靜子碰磨，碰磨嚴重時可能導致發動機振動超標。如果為了避免發動機轉靜子碰磨而放大葉尖間隙，則葉尖氣流損失大，渦輪葉片做功效率低。查閱國內相關文獻，高壓渦輪葉尖間隙減小0.25mm，渦輪效率提高1%，發動機排氣溫度降低10℃，因此葉尖間隙對發動機性能影響較大[3]。

自實行新的飛行訓練大綱后，該型發動機使用的頻次、強度增加，大機動、大過載使用載荷增加，對該型發動機性能和安全提出了更高的要求。發動機修理時，既要保證適當的葉尖間隙，又要防止間隙過小導致嚴重碰磨，尋求一個相對的平衡點至關重要。

2 高壓渦輪葉尖間隙計算方法與控制措施

2.1 高壓渦輪葉尖間隙計算方法

查閱設計給定的標準以及相關圖樣，該型發動機高壓渦輪外環（靜子機匣）理論上由兩個半圓組成，圓的半徑為r（設計已給定），下半圓圓心向下偏心0.24mm，同時下半圓半徑增加0.36mm，整個高壓渦輪外環是在主燃燒室聯合單元體上組和加工而成，其理論型面類似于“葫蘆”的剖面。修理標準要求測量高壓渦輪外環126點跳動，則第一點對應的角度為360°/126，其余點角度累加即可求出126點所對應的角度值，根據已有條件可以使用余弦定理計算出每個點到理論圓心的距離，如圖1所示，則理論跳動δ=a-r，具體計算過程如下：

圖1 高壓渦輪外環理論跳動計算示意圖

b2=a2+c2-2accosα

a2-2accosα=b2-c2

其中，r=366.1（設計已給定）；c=0.24mm；b=R=r+0.36；α=360°/126（后一點角度由前面點角度累加）。根據已知條件計算出a值，得到該點的理論跳動δ=a-r，依次類推，利用Excel計算出126點的理論跳動值，將126點理論跳動首尾連接即為高壓渦輪外環理論型面，如圖2所示。

圖2 高壓渦輪外環理論型面

計算出126點理論跳動值，依據設計給定的間隙范圍，將高壓渦輪外環理論半徑及高壓渦輪轉子理論半徑代入間隙計算公式，計算出高壓渦輪葉尖間隙的上下邊界。

為了驗證某型高壓渦輪葉尖間隙計算方法的正確性，選取5臺第一次到壽返廠且外場使用較好的發動機，將發動機分解至主燃燒室聯合單元體狀態和高壓渦輪單元體狀態，分別測量高壓渦輪外環直徑、126點跳動、高壓渦輪轉子直徑等參數，將各參數代入Excel的公式中，計算出高壓渦輪轉靜子間隙范圍，形成間隙雷達圖，如圖3所示。對5臺發動機返工序測量后，排除靜子機匣變形、高壓渦輪外環局部磨損、測量點誤差等因素，高壓渦輪葉尖間隙圖非常接近。

圖3 高壓渦輪轉靜子間隙模擬雷達圖

2.2 高壓渦輪轉靜子間隙控制方法

通過理論計算和返工序測量，基本上可以確定該型發動機高壓渦輪轉靜子間隙的合理范圍。前文提到設計給定的4種高壓渦輪葉尖間隙標準，實際上對修理發動機而言，部分標準過于嚴苛，不適用于發動機的修理。假設更換新葉片或新外環時按發動機設計標準控制高壓渦輪葉尖間隙，而發動機使用一個或多個大修周期后，主燃燒室機匣、高壓渦輪機匣變形加大、同軸度變差且轉子撓度增加，如果按照設計標準控制高壓渦輪葉尖間隙，將發生嚴重碰磨，可能導致發動機振動超標。通過對該型發動機修理經驗的總結和返工序測量，對該型發動機修理中高壓渦輪葉尖間隙控制措施提出以下建議：

1）高壓渦輪外環重新梳齒，減輕轉靜子碰磨能量，目前比較成熟的梳齒方法有機械加工和電火花加工；

2）按照裝用舊葉片、舊外環的標準進行控制，上半部間隙應控制在中上線，下半部間隙應控制在上線，對于部分早期批次的發動機還應該適當放大高壓渦輪葉尖間隙；

3）以主燃燒室聯合單元體前止口為基準，測量并計算高壓渦輪葉尖間隙，生成間隙雷達圖，根據間隙雷達圖對高壓渦輪外環局部進行修磨或者車磨加工，保證高壓渦輪間隙在合理范圍內；

4）外場工作情況較好的發動機返廠大修時，對其進行返工序測量，總結經驗，逐步對高壓渦輪葉尖間隙雷達圖進行修正。

3 總結與展望

1）本文從實際情況從出發，通過總結修理經驗、理論計算、返工序測量等手段分析和討論了某型航空發動機高壓渦輪葉尖間隙控制技術，制訂了高壓渦輪葉尖間隙控制措施，為該型航空發動機修理提供參考。

2）隨著加工技術、材料科學、熱處理、表面處理等技術的快速發展，為了提升航空發動機性能、降低油耗，高壓渦輪葉尖間隙還會逐步收緊，也可能隨著發動機研發技術的提升，采用主動間隙控制方法，使發動機始終保持在最佳工作狀態。