變幾何渦輪技術(shù)的發(fā)展

■ 李鳳超 周琨 邵飛/中國航發(fā)研究院

變幾何渦輪是自適應(yīng)/變循環(huán)發(fā)動機(jī)的核心部件，通過改變渦輪導(dǎo)向葉片的安裝角或厚度來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)調(diào)節(jié)。美國、英國和日本等均積極發(fā)展變幾何渦輪技術(shù)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。隨著對更高進(jìn)口溫度和更寬調(diào)節(jié)范圍的追求，未來變幾何渦輪的研制仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

美國軍方指出，對于多用途戰(zhàn)斗機(jī)，最富有吸引力的就是采用變幾何渦輪技術(shù)的變循環(huán)發(fā)動機(jī)。也有研究人員曾提出這樣的設(shè)想，通過變幾何渦輪與其他可調(diào)部件的配合，使得在任意給定的飛行剖面上各狀態(tài)點(diǎn)的性能都達(dá)到最佳。由此可見變幾何渦輪技術(shù)的重要性和特殊性。作為變循環(huán)發(fā)動機(jī)的核心部件，變幾何渦輪通過調(diào)節(jié)自身的流通能力來改變輸出功的大小，進(jìn)而改變高壓與低壓渦輪的轉(zhuǎn)速差，匹配風(fēng)扇和壓氣機(jī)的工作狀態(tài)，同時提高發(fā)動機(jī)部分推力狀態(tài)的經(jīng)濟(jì)性，并改善加速、減速等瞬態(tài)響應(yīng)特性[1]。VCTFE731-2、GE21、HYPR90和COPE等變循環(huán)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)上都使用了變幾何渦輪技術(shù)，如圖1所示。在超聲速循環(huán)研究（SCR）、先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器（ATEGG）、聯(lián)合技術(shù)驗(yàn)證發(fā)動機(jī)（JTDE）以及高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)研究（HYPR）等計劃的支持下，美國、英國、日本等國家對變循環(huán)技術(shù)開展了深入的研究，尤其是對其中關(guān)鍵的變幾何渦輪技術(shù)開展了較為全面的部件和整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，為高性能變幾何渦輪的研制積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

GE公司

圖1 變幾何渦輪在變循環(huán)發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

GE公司在變循環(huán)發(fā)動機(jī)研制方面時間最久、程度最深、成果最多，可謂一直引領(lǐng)著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。而變幾何渦輪技術(shù)就是該公司的一項核心技術(shù)。

GE21是該公司研發(fā)的第二代變循環(huán)發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，其單級低壓渦輪進(jìn)口導(dǎo)向葉片的安裝角是可調(diào)的[2]。改變安裝角被公認(rèn)為是最有效的變幾何方式之一，也被后續(xù)多種變幾何低壓渦輪所采用。如圖2所示，采用與壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片類似的傳動機(jī)構(gòu)，主要由液壓作動筒、曲柄、拉桿、聯(lián)動環(huán)和搖臂等部分組成。在傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，導(dǎo)向葉片能夠圍繞各自的轉(zhuǎn)軸整體轉(zhuǎn)動，往復(fù)的開大和關(guān)小角度，相應(yīng)地增大和減小喉道面積，從而控制流量的變化。鑒于承受的氣動載荷較大，可調(diào)導(dǎo)向葉片帶有較為粗壯的外軸和內(nèi)軸，且轉(zhuǎn)軸與葉片之間設(shè)有直徑較大的圓臺，占據(jù)了導(dǎo)向葉片端部間隙內(nèi)的大部分空間，有利于降低泄漏損失。為了便于導(dǎo)向葉片的安裝、簡化傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，通過增大弦長的方式將導(dǎo)向葉片的數(shù)量減少至只有30個，葉片稠度相對較低，僅為0.7。在設(shè)計狀態(tài)下，低壓渦輪進(jìn)口溫度約為1410K，在葉片、轉(zhuǎn)軸與圓臺的內(nèi)部均設(shè)有冷卻通道，使用引自壓氣機(jī)的低溫空氣對其進(jìn)行冷卻。

GE21發(fā)動機(jī)有兩種工作模式。當(dāng)發(fā)動機(jī)以單涵模式工作時，低壓渦輪的導(dǎo)向葉片角度開大，同時關(guān)閉模式選擇閥，關(guān)小前、后涵道引射器，此時變幾何低壓渦輪工作在低壓比、大流量狀態(tài)，低壓軸輸出功率降低，而高壓軸輸出功率提高，使涵道比達(dá)到最?。划?dāng)發(fā)動機(jī)以雙涵模式工作時，低壓渦輪導(dǎo)向葉片角度關(guān)小，同時開啟模式選擇閥，開大前、后涵道引射器，此時低壓渦輪工作在高壓比、小流量狀態(tài)，低壓軸輸出功率提高，而高壓軸輸出功率降低，使涵道比達(dá)到最大。

圖2 GE21發(fā)動機(jī)的變幾何低壓渦輪

可控壓比發(fā)動機(jī)（COPE）是GE公司和艾利遜公司在F120發(fā)動機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上聯(lián)合研發(fā)的第四代變循環(huán)發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)，其渦輪部件革命性地使用了可調(diào)面積高壓導(dǎo)向器、兩級無導(dǎo)向葉片對轉(zhuǎn)低壓渦輪等先進(jìn)技術(shù)[3]。特別是高壓可調(diào)導(dǎo)向葉片的使用，允許發(fā)動機(jī)在一個寬壓比范圍內(nèi)以恒定的涵道比工作，并且高壓壓氣機(jī)能夠在寬范圍內(nèi)運(yùn)行在固定的匹配點(diǎn)上而保持較高的效率。同時，變幾何高壓渦輪與無導(dǎo)向葉片對轉(zhuǎn)低壓渦輪搭配使用，能夠獲得更高的調(diào)節(jié)收益，導(dǎo)向葉片的轉(zhuǎn)角變化范圍進(jìn)一步減小。

高壓渦輪導(dǎo)向器的工作溫度高，大大增加了傳動機(jī)構(gòu)和冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計難度。因此，COPE并未沿用GE21導(dǎo)向葉片安裝角可調(diào)的傳統(tǒng)變幾何方式，而是采用了一種全新的“零間隙”調(diào)節(jié)方式?？烧{(diào)導(dǎo)向葉片由固定（包括頭部、壓力面和部分吸力面）和轉(zhuǎn)動（包括部分吸力面）兩個部分組成，其中固定部分與端壁之間沒有間隙，而僅是轉(zhuǎn)動部分與端壁之間存在一定間隙。搖臂驅(qū)動導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸帶動一個凸輪結(jié)構(gòu)，凸輪驅(qū)動葉片的轉(zhuǎn)動部分轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動部分像蚌殼一樣地開合，使葉片厚度相應(yīng)地增減，進(jìn)而改變導(dǎo)向葉片的喉道面積。這種獨(dú)特的設(shè)計有效避免了傳統(tǒng)方案中由于冷氣泄漏、葉片轉(zhuǎn)動形成的臺階和間隙等原因所引起的損失增大的問題，以及葉片前駐點(diǎn)位置變化帶來的冷卻困難的問題。同時，通過有效地控制由于吸力面不連續(xù)而附加的葉型損失，使最大推力狀態(tài)（導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)動部分處于使喉道面積最大的位置）下導(dǎo)向葉片葉柵效率僅比設(shè)計狀態(tài)（導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)動部分處于使喉道面積最小的位置）降低約1%，相應(yīng)的高壓渦輪效率僅降低約2%，如圖3所示。另外，葉片轉(zhuǎn)動部分輸出的旋轉(zhuǎn)角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)軸輸入的旋轉(zhuǎn)角度，減速比能夠達(dá)到10～40∶1，顯著提高了操縱精度。

圖3 COPE發(fā)動機(jī)高壓可調(diào)導(dǎo)葉氣動性能

蓋瑞公司

蓋瑞（Garrett）公司在美國空軍航空推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的支持下，采用可變面積導(dǎo)向器，將常規(guī)TFE731-2渦扇發(fā)動機(jī)改為變循環(huán)發(fā)動機(jī)，并進(jìn)行了72h臺架試車和75h高空模擬試驗(yàn)，較為全面地驗(yàn)證了變幾何渦輪技術(shù)的優(yōu)勢。

將原有3級低壓渦輪的第一級導(dǎo)向葉片改為安裝角可調(diào)，喉道面積變化范圍為-7%～40%。導(dǎo)向葉片為懸臂結(jié)構(gòu)，外軸通過螺母與搖臂固定，搖臂由聯(lián)動環(huán)驅(qū)動以保證同步動作。導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)軸中心線并不與發(fā)動機(jī)中心線垂直，而存在10°左右的傾角。以導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)軸中心線和發(fā)動機(jī)中心線的交點(diǎn)為球心，將內(nèi)外端壁改為同心的球面，使得在所有角度下可調(diào)葉片端部都具有相同的間隙，有效地抑制了間隙泄漏。軸套采用分段結(jié)構(gòu)，中間用隔套隔開，導(dǎo)向葉片依靠上下兩個軸套與轉(zhuǎn)軸相配合而定心。燃燒室為回流形式，傳動機(jī)構(gòu)位于其二次氣流通道內(nèi)，燃燒室內(nèi)的低溫空氣將向渦輪通道內(nèi)泄漏，這時少量的漏氣將對轉(zhuǎn)軸等起到冷卻作用。在壓差作用下，墊環(huán)與外套的端面貼緊，并借助軸套與轉(zhuǎn)軸的配合，共同起到密封作用。該結(jié)構(gòu)基本上沿用了TSCP700輔助動力裝置（APU）的變幾何技術(shù)，而該APU當(dāng)時已積累了數(shù)萬小時的飛行經(jīng)驗(yàn)，表明其結(jié)構(gòu)方案是可靠的。

圖4 VCTFE731-2發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速特性

試驗(yàn)表明：在變幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計位置和相同的凈推力下，發(fā)動機(jī)耗油率增大約1%，渦輪前溫度不變，所有參數(shù)均在生產(chǎn)型的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，說明這種變幾何結(jié)構(gòu)并未使低壓渦輪的性能出現(xiàn)明顯降低；可調(diào)導(dǎo)向葉片喉道面積增大時，高壓渦輪轉(zhuǎn)速升高，而喉道面積減小時，高壓渦輪轉(zhuǎn)速降低，顯示出變幾何低壓渦輪能夠有效控制高壓和低壓渦輪之間的功率分配，如圖4所示；與低壓壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片相比，低壓渦輪可調(diào)導(dǎo)向葉片同樣具有提高低壓壓氣機(jī)喘振裕度的能力；低壓渦輪可調(diào)導(dǎo)向葉片與可調(diào)面積尾噴管配合使用，能夠在發(fā)動機(jī)進(jìn)口流量和低壓壓氣機(jī)裕度不變的條件下，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)推力的調(diào)節(jié)，并可以降低發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣損失。

格倫研究中心

美國國家航空航天局（NASA）格倫（Glenn）研究中心針對用于超聲速飛機(jī)渦噴發(fā)動機(jī)雙級渦輪的第一級開展了變幾何技術(shù)試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析了喉道面積對渦輪效率和損失的影響規(guī)律。在試驗(yàn)中，并未設(shè)計傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向葉片安裝角的改變，而是加工了3套分別處于不同固定喉道面積狀態(tài)的導(dǎo)向器。分別對70%、100%和130%喉道面積下渦輪內(nèi)部流場進(jìn)行了細(xì)致的測量，對應(yīng)的導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)角分別為-7.8°、0°和8.4°。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，喉道面積對渦輪性能具有較大影響，如圖5所示。當(dāng)喉道面積變化時，設(shè)計轉(zhuǎn)速下渦輪的最高絕熱效率均有所降低，且喉道面積減小時效率降低更加明顯。當(dāng)導(dǎo)向葉片開大時，轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口呈負(fù)迎角狀態(tài)，轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部損失增大，這是引起渦輪性能惡化的主要原因。當(dāng)導(dǎo)向葉片關(guān)小時，導(dǎo)向葉片內(nèi)部流速增大，損失有所增加；同時，轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)口呈正迎角狀態(tài)，且靜壓降低，特別是在輪轂附近，進(jìn)口靜壓低于出口靜壓，反力度變?yōu)樨?fù)值，轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部流動呈“壓氣機(jī)”狀態(tài)，在進(jìn)口正迎角與逆壓梯度的共同作用下，葉背表面出現(xiàn)分離，轉(zhuǎn)子葉片損失顯著增加；因此，通常導(dǎo)向葉片關(guān)小狀態(tài)下渦輪性能更差。在試驗(yàn)中，100%喉道面積時渦輪的效率為92.3%，130%喉道面積時為90.9%，降低了1.4%，而70%喉道面積時僅為86.9%，降幅達(dá)5.4%。

圖5 變幾何渦輪的效率和損失

羅羅公司

羅羅公司研究了兩類變幾何方式對渦輪流通能力的影響，并驗(yàn)證其在航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的可行性。第一類變幾何的本質(zhì)是基于S1流面的調(diào)節(jié)方法，即導(dǎo)向葉片全部轉(zhuǎn)動（改變安裝角）或部分轉(zhuǎn)動（改變彎度）。試驗(yàn)中渦輪流量變化了17.5%，表明該方法能夠在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)渦輪的流通能力。另一類變幾何是基于S2流面的調(diào)節(jié)方法，即在通道內(nèi)引入楔形塊，阻塞導(dǎo)向葉片出口的環(huán)形通道。當(dāng)通道面積減小12%時，渦輪流量將降低8%。但該方法僅能使渦輪流量減小而無法增大，并且熱環(huán)境下難以實(shí)施高效冷卻和可靠密封。

羅羅公司的專利給出了一種齒輪嚙合式傳動方案[4]，具有調(diào)節(jié)范圍大、磨損表面小、操縱精度高等優(yōu)點(diǎn)，如圖6所示。與傳統(tǒng)聯(lián)動環(huán)驅(qū)動式方案相比，用環(huán)形齒輪取代聯(lián)動環(huán)，用端部帶齒的小齒輪取代搖臂，通過環(huán)形齒輪與小齒輪的相互嚙合實(shí)現(xiàn)傳動。導(dǎo)向葉片外軸和內(nèi)軸均由軸承支承，外軸承為調(diào)心軸承，內(nèi)軸承為滑動軸承，從而允許由于部件的膨脹和結(jié)構(gòu)的熱蠕變而產(chǎn)生相對運(yùn)動。軸承盡量遠(yuǎn)離高溫燃?xì)馔ǖ?，并用空氣進(jìn)行冷卻，以降低工作溫度。為了降低冷氣的泄漏量，采用活塞環(huán)進(jìn)行密封。導(dǎo)向葉片端壁設(shè)計為球面形狀，保持導(dǎo)向葉片與內(nèi)環(huán)、外環(huán)間隙較小。導(dǎo)向葉片內(nèi)環(huán)與外環(huán)采用分段結(jié)構(gòu)，每個外環(huán)分段對應(yīng)一個葉片，每個內(nèi)環(huán)分段對應(yīng)3個葉片，以減少熱應(yīng)力并方便裝配。

圖6 齒輪嚙合式傳動方案

圖7 HYPR90發(fā)動機(jī)變幾何低壓渦輪流量特性

日本工業(yè)技術(shù)研究院

日本工業(yè)技術(shù)研究院聯(lián)合石川島播磨重工、川崎重工、三菱重工，以及GE、普惠、羅羅和賽峰飛機(jī)發(fā)動機(jī)等公司開展了HYPR項目，對馬赫數(shù)（Ma）5以上的串聯(lián)式渦輪基沖壓組合（TBCC）發(fā)動機(jī)進(jìn)行了縮尺試驗(yàn)研究[5]。其中，渦輪發(fā)動機(jī)部分采用低壓渦輪導(dǎo)向器角度可調(diào)的雙轉(zhuǎn)子無加力變循環(huán)渦扇發(fā)動機(jī)。

采用準(zhǔn)三維氣動方法設(shè)計渦輪葉片型面，并確保在各安裝角下，流動均不分離。特別地，通過降低低壓渦輪氣動設(shè)計工況（導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)角0°）下的葉片峰值馬赫數(shù)和尾緣擴(kuò)散度，來避免發(fā)動機(jī)設(shè)計工況（導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)角4.5°）下渦輪性能的大幅惡化。模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，設(shè)計狀態(tài)下，渦輪的絕熱效率達(dá)到88.3%；導(dǎo)向葉片的角度開大或關(guān)小5°，流量相應(yīng)變化12%～14%，如圖7所示。

可調(diào)導(dǎo)向葉片由搖臂驅(qū)動，外軸和內(nèi)軸上分別安裝有一個軸承。外軸承采用滑動軸承，承受葉片受到的氣動載荷，同時外表涂有耐高溫材料以保證能夠在500℃以上的高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。內(nèi)軸承利用與內(nèi)環(huán)、外環(huán)相連的板簧的彈性變形，可以在±10°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。采用彈性支座，既可支撐內(nèi)部機(jī)構(gòu)，又可使由熱膨脹引起的導(dǎo)向葉片頂部和根部的間隙最小。設(shè)計狀態(tài)下，低壓渦輪進(jìn)口溫度高達(dá)1470K，因此導(dǎo)向葉片采用了單晶材料，且內(nèi)部帶有冷卻結(jié)構(gòu)，頭部采用沖擊冷卻，中后部采用柱肋冷卻，冷氣量約為2.5%。在模擬的高負(fù)荷和高溫狀態(tài)下，通過耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證了可調(diào)導(dǎo)向葉片及其傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案的可靠性。

結(jié)束語

變幾何渦輪技術(shù)是變循環(huán)發(fā)動機(jī)的一項關(guān)鍵技術(shù)，與可變面積涵道引射器、風(fēng)扇/壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片、可調(diào)面積噴管等其他變幾何技術(shù)配合使用，可使發(fā)動機(jī)具有更大的熱力循環(huán)調(diào)節(jié)范圍和更強(qiáng)的多任務(wù)適應(yīng)能力。隨著變幾何渦輪技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，在多個變循環(huán)驗(yàn)證平臺上使用和驗(yàn)證之后，也將繼續(xù)在新一代自適應(yīng)發(fā)動機(jī)中得到沿用。由于變幾何渦輪工作環(huán)境惡劣、運(yùn)行狀態(tài)多變，并且隨著對其流量調(diào)節(jié)能力的更高追求，未來寬工況渦輪葉型氣動設(shè)計、可調(diào)導(dǎo)向葉片端部泄漏損失控制、傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計等工作仍將面臨巨大的挑戰(zhàn)。