航空發(fā)動機(jī)主動間隙控制技術(shù)研究

李長暉

摘要：葉尖間隙對航空發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)上應(yīng)用主動間隙控制技術(shù)，能降低發(fā)動機(jī)排氣溫度和耗油率、提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作裕度、增加載重、提高航程、降低飛機(jī)全壽命周期費用，帶來巨大的收益。本文主要介紹了國內(nèi)外主動間隙控制技術(shù)的研究進(jìn)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(guī)律設(shè)計思路，為后續(xù)發(fā)動機(jī)主動間隙控制技術(shù)的研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī);主動間隙;控制技術(shù)

前言

航空發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)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(fā)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(dǎo)致壓氣機(jī)或渦輪效率下降約0.8%～1.2%，可造成整機(jī)排氣溫度有較大幅度上升;葉尖間隙的大小還會對航空發(fā)動機(jī)的耗油率產(chǎn)生重要的影響，葉尖間隙與葉高之比上升1%，會導(dǎo)致渦扇發(fā)動機(jī)的耗油率上升約2%～2.5%，而大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)研制的初衷，就是通過增大涵道比，提高循環(huán)參數(shù)，從而降低耗油率，最終有效降低飛機(jī)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(jī)和渦輪轉(zhuǎn)、靜子之間有良好的間隙配合，對進(jìn)一步提高航空發(fā)動機(jī)效率、降低耗油率和降低飛機(jī)全壽命使用費用有著極其重要的意義。

1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國外發(fā)動機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)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(guān)研究機(jī)構(gòu)均先后在葉尖間隙的相關(guān)領(lǐng)域開展了大量的設(shè)計分析與試驗驗證工作，這些工作主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)值分析方法、葉尖間隙測試技術(shù)、控制方法與控制系統(tǒng)設(shè)計研究、渦輪構(gòu)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(fā)動機(jī)均采用了傳統(tǒng)的熱氣式主動間隙控制技術(shù)。改進(jìn)的CF6發(fā)動機(jī)的主動間隙控制系統(tǒng)，使巡航耗油率下降0.7%，每架DC-10-10飛機(jī)年節(jié)省燃油30200～184000升。CFM56-3發(fā)動機(jī)由于采用了高壓渦輪葉尖間隙主動控制系統(tǒng)，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(jī)匣的相碰：又減小了爬升與巡航狀態(tài)的葉尖間隙，改善了發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。另外，由于在巡航狀態(tài)時引溫度較低的高壓壓氣機(jī)第5級空氣（比第9級約低180度）來冷卻渦輪外環(huán)，比無主動控制葉尖間隙發(fā)動機(jī)通常直接采用第9級空氣來冷卻渦輪外環(huán)，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(nèi)發(fā)動機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)南航、北航都曾在國家航空科學(xué)基金的支持下做了一些基礎(chǔ)性研究，部分科研院所也開展了相關(guān)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(zhuǎn)速變化的影響;②轉(zhuǎn)子振動的影響;③其他載荷的影響;④發(fā)動機(jī)使用時間的影響;⑤結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行控制規(guī)律設(shè)計，主動熱控制是利用壓氣機(jī)和風(fēng)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(jié)構(gòu)，來改變?nèi)~尖間隙。主動熱控制是現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)間隙控制的主要技術(shù)，但是由于它在低速時的熱響應(yīng)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(fā)生碰磨。

本文將以大涵道比雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)為例，進(jìn)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(jī)共九級，分別由高壓壓氣機(jī)五級及高壓壓氣機(jī)九級進(jìn)行主動間隙控制引氣。

隨發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)變化，調(diào)節(jié)主動間隙控制活門，實現(xiàn)主動間隙控制流路空氣系統(tǒng)的三種引氣方式：高壓壓氣機(jī)五級引氣、高壓壓氣機(jī)九級引氣、高壓壓氣機(jī)五級和九級混合引氣。

高壓壓氣機(jī)五級引氣——冷卻空氣引自高壓壓氣機(jī)第五級轉(zhuǎn)子后，流經(jīng)高壓氣機(jī)機(jī)匣引氣孔、控制活門進(jìn)氣管，進(jìn)入控制活門五級引氣控制碟閥前腔，經(jīng)五級引氣控制碟閥后進(jìn)入控制活門內(nèi)腔。

高壓壓氣機(jī)九級引氣——冷卻空氣引自燃燒室外環(huán)腔，流經(jīng)燃燒室機(jī)匣引氣孔、節(jié)流孔、九級引氣管，進(jìn)入控制活門九級引氣控制碟閥前腔，經(jīng)九級引氣控制碟閥后進(jìn)入控制活門內(nèi)腔。

控制活門內(nèi)腔的冷氣流入控制活門出氣管，流經(jīng)燃燒室機(jī)匣外環(huán)上的兩根分支管，分別經(jīng)燃燒室機(jī)匣上的兩個引氣孔流入高壓渦輪機(jī)匣集氣環(huán)外腔。氣流進(jìn)入集氣環(huán)外腔后經(jīng)高壓渦輪機(jī)匣集氣環(huán)上的孔進(jìn)入高壓渦輪機(jī)匣集氣環(huán)內(nèi)腔，對高壓渦輪機(jī)匣進(jìn)行冷卻，然后流入低壓一導(dǎo)上緣板集氣腔。

4主動間隙控制試驗方案設(shè)計和主動間隙控制規(guī)律設(shè)計

4.1試驗方案設(shè)計

為了滿足航空發(fā)動機(jī)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(chǔ)上，采用在地面臺架進(jìn)行整機(jī)試驗的方法，設(shè)計主動間隙控制規(guī)律，假定發(fā)動機(jī)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(chǔ)引氣試驗驗證

選取不同的轉(zhuǎn)速，分別進(jìn)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(zhuǎn)子葉尖間隙的大小，同時得出幾種引氣方式對發(fā)動機(jī)性能的影響趨勢;

階段二：優(yōu)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(zhuǎn)子葉尖間隙和發(fā)動機(jī)性能影響的試驗驗證。

4.2控制規(guī)律設(shè)計思路

主動間隙控制規(guī)律的設(shè)計主要是基于理論分析及試驗結(jié)果，在保證安全的前提下盡可能提高經(jīng)濟(jì)性。

同時在設(shè)計中還要考慮以下兩方面因素：

（1）要充分考慮不同環(huán)境條件可能帶來的影響，例如環(huán)境溫度、大氣濕度等;

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

5結(jié)束語

本文詳細(xì)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(guān)試驗方案，提出了控制規(guī)律設(shè)計思路，該成果可應(yīng)用于后續(xù)航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)主動間隙控制規(guī)律設(shè)計。