某型發(fā)動機高壓渦輪葉尖間隙變化規(guī)律及影響分析

徐 丹，張 清，霍 楓，李 娜

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所 航機總體設計二部，沈陽 110015)

發(fā)動機排氣溫度超溫是外場維護中的常見故障，成為延長發(fā)動機壽命、提高發(fā)動機經(jīng)濟性的瓶頸[1-3]。影響發(fā)動機整機排氣溫度的主要因素包括高壓渦輪效率、高壓壓氣機效率、主燃燒室總壓恢復系數(shù)和高、低壓渦輪導向器面積等[4]，其中高壓渦輪效率對發(fā)動機整機排氣溫度的影響最大，而高壓渦輪葉尖間隙直接影響著高壓渦輪效率。根據(jù)工業(yè)經(jīng)驗估計，高壓渦輪葉尖間隙減小0.25 mm，則渦輪效率提高1%；而燃油消耗率降低1%，發(fā)動機排氣溫度可降低10 ℃[5-7]。因此，高壓渦輪葉尖間隙是影響發(fā)動機排氣溫度裕度的關(guān)鍵因素。獲得發(fā)動機壽命期內(nèi)高渦葉尖間隙隨工作時間的變化規(guī)律及對應排氣溫度的影響規(guī)律，掌握發(fā)動機壽命期內(nèi)性能衰減情況，并根據(jù)衰減情況開展相應的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對延長發(fā)動機使用壽命具有重要意義。

間隙變化規(guī)律的分析包括兩方面：發(fā)動機裝配狀態(tài)下的冷態(tài)間隙值分析和工作中隨工作狀態(tài)實時變化的熱態(tài)間隙值分析。冷態(tài)間隙是熱態(tài)間隙的基礎(chǔ)和前提。盡管國際上對于發(fā)動機間隙的研究已經(jīng)有幾十年的時間，但基本都是針對發(fā)動機間隙控制方法尤其是熱態(tài)間隙控制方法的研究[8-9]，對發(fā)動機冷態(tài)間隙變化規(guī)律的研究比較缺乏。因此，本文基于某型發(fā)動機分解過程實測高壓渦輪冷態(tài)間隙，開展了冷態(tài)間隙變化規(guī)律研究，并結(jié)合實測排氣溫度數(shù)據(jù)，分析間隙對排氣溫度的影響規(guī)律，掌握發(fā)動機首翻期內(nèi)的性能衰減情況，并有針對性地提出間隙控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，具有較好的工程指導意義。

1 間隙設計狀態(tài)及測量方法

圖1 高壓渦輪結(jié)構(gòu)示意圖

分別測量高壓渦輪外環(huán)內(nèi)徑以及高壓渦輪葉尖外徑，二者相減后得到高壓渦輪葉尖的間隙值。高壓渦輪葉尖外徑的測量方法為在葉根底部與輪盤的間隙中裝入專用工裝使葉片呈外撐狀態(tài)，如圖2所示，任選其中一片為第一片，采用高速葉尖磨床周向均布測量4個方向數(shù)據(jù)，測量精度為0.01 mm。高壓渦輪外環(huán)內(nèi)徑采用內(nèi)徑千分尺測量，測量精度為0.01 mm，以正上方為第1點，順航向順時針測量周向均布4個方向數(shù)據(jù)。

圖2 葉片外撐裝置示意圖

2 間隙隨工作時間的變化規(guī)律

通過對30臺份某型發(fā)動機分解過程實測間隙數(shù)據(jù)及工作時間進行統(tǒng)計，篩選出7臺長期工作(累計工作時間大于500 h)的發(fā)動機分解中測量的葉尖外徑、外環(huán)內(nèi)徑數(shù)據(jù)共計46組，基于最小二乘法對數(shù)據(jù)進行處理，模擬出間隙隨工作時間的變化趨勢。

2.1 葉尖外徑變化規(guī)律

葉尖外徑隨工作時間的變化曲線如圖3所示，圖3中單點為實測數(shù)據(jù)，曲線為基于最小二乘法模擬出的外徑變化曲線。

圖3 葉尖外徑隨工作時間變化情況

從圖3中可以看出，葉尖外徑的變化有兩種趨勢：

趨勢1：隨工作時間增加，葉尖外徑經(jīng)歷了急劇減小和長時間穩(wěn)定兩個階段(臺份1、2)。最初約70 h內(nèi)為第一階段，發(fā)動機葉尖外徑迅速減小約0.87 mm；累計工作約70～950 h為第二階段，期間兩臺份葉尖外徑變化量不超過0.14 mm，11次測量葉尖外徑平均值為725.68 mm，與初始葉尖外徑相比減小0.92 mm。

趨勢2：隨工作時間增加，葉尖外徑經(jīng)歷了先急劇減小，再穩(wěn)定，最后再一次急劇減小3個階段(臺份3、4、5)。前70 h為第一階段，葉尖外徑迅速減小；累計工作70～600 h為第二階段，期間3臺發(fā)動機外徑變化不超過0.17 mm，8次測量外徑平均為726.11 mm，與初始外徑平均值相比，變化量為0.51 mm；后續(xù)約200 h內(nèi)為第三階段，葉尖外徑再一次急劇減小，減小后的外徑平均值為725.66 mm，減小量為0.94 mm。

5臺發(fā)動機葉尖外徑經(jīng)歷了2種不同的變化趨勢，但最終外徑減小量都接近于趨勢1中外徑達到穩(wěn)定狀態(tài)時的變化量0.94 mm。對照發(fā)動機工作程序發(fā)現(xiàn)，臺份1、2發(fā)動機在第70 h后的程序轉(zhuǎn)速變化較為急劇，如過渡態(tài)性能錄取試車、遭遇加速、遭遇減速等，臺份3、4、5在第70 h后的程序轉(zhuǎn)速變化較為平穩(wěn)，如磨合試車等。造成這兩種不同變化趨勢的原因為發(fā)動機試車程序不同，轉(zhuǎn)速急劇變化的程序會引起間隙變化較快。由于轉(zhuǎn)速急劇變化的瞬態(tài)過程，發(fā)動機間隙僅受離心載荷作用的影響，轉(zhuǎn)子葉片直徑突變，引起葉尖間隙突變。在轉(zhuǎn)速變化相對平穩(wěn)的程序下，間隙變化較緩。

2.2 外環(huán)內(nèi)徑變化規(guī)律

外環(huán)內(nèi)徑隨工作時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 外環(huán)內(nèi)徑隨工作時間變化情況

從圖4中可以看出，外環(huán)內(nèi)徑的整體變化趨勢為隨工作時間的增加稍有減小，1 000 h內(nèi)7臺發(fā)動機內(nèi)徑減小量不超過0.27 mm。理論上，當高壓渦輪轉(zhuǎn)、靜子發(fā)生碰摩后，外環(huán)內(nèi)徑應增大，而實際外環(huán)內(nèi)徑變化規(guī)律與此相反。由于高壓渦輪外環(huán)不是整環(huán)結(jié)構(gòu)，而是沿周向分段分布，隨工作時間增加，外環(huán)變形可能沿周向不均勻。同時，高壓渦輪外環(huán)工作過程中會出現(xiàn)燒蝕、涂層脫落、掉塊等現(xiàn)象，在上述因素作用下外環(huán)內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)分散性大，規(guī)律不明顯。

2.3 間隙變化規(guī)律

間隙隨工作時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 間隙隨工作時間變化情況

由于高壓渦輪外環(huán)內(nèi)徑變化量較小，因此間隙的變化趨勢與葉尖外徑變化趨勢類似，存在兩種趨勢：

趨勢1：隨工作時間增加，間隙經(jīng)歷急劇增加和間隙長時間穩(wěn)定兩個階段(臺份2)。前100 h為第一階段，間隙迅速增加約0.4 mm；累計工作約100～800 h為第二階段，間隙基本穩(wěn)定，平均值為3.1 mm，與初始間隙相比增大0.41 mm。

趨勢2：隨工作時間增加，間隙經(jīng)歷先急劇增加，再穩(wěn)定，最后再一次急劇增加3個階段(臺份3、4、5)。前100 h為第一階段，間隙迅速增加；累計工作100～500 h為第二階段，間隙基本穩(wěn)定，平均為2.88 mm；累計工作500～800 h為第三階段，間隙快速增加達到3.12 mm，與初始間隙相比間隙增大0.43 mm。

4臺發(fā)動機間隙經(jīng)歷了兩種變化過程，但最終間隙變化量都接近于趨勢1,間隙變化量0.41 mm，兩種不同的變化趨勢與工作程序有關(guān)。

3 間隙變化對整機排氣溫度的影響

為掌握某型發(fā)動機間隙變化對排氣溫度的影響規(guī)律,將間隙與發(fā)動機工作過程中實際測量的排氣溫度進行了對比分析。

應用發(fā)動機實測排氣溫度數(shù)據(jù)，繪制出排氣溫度變化曲線，如圖6所示。由于發(fā)動機排氣溫度受到工作程序的影響，因此將發(fā)動機工作時間按照工作程序的加速比進行了折合。

從圖6中可以看出，排氣溫度的變化趨勢與葉尖間隙的變化趨勢基本一致：前1 000～1 500 h，受葉尖間隙影響，排氣溫度急劇增加，溫度增量約為35 ℃。1 500 h后，葉尖間隙保持穩(wěn)定，排氣溫度仍增加但幅度明顯減小。文獻[10-13]表明，影響發(fā)動機排氣溫度的主要因素除了間隙外，還包括葉片型面的變化、風扇葉片葉身附著物等因素，因此在1 000～1 500 h以后，在其他因素的影響下，排氣溫度繼續(xù)升高，即受高壓渦輪間隙的影響，新發(fā)動機在前期的使用中會出現(xiàn)較快的性能衰減速率，隨著使用時間的延長逐漸減緩。

圖6 排氣溫度隨工作時間變化情況

結(jié)合第2節(jié)分析出的間隙變化規(guī)律，得到間隙變化對整機排氣溫度的影響規(guī)律：前1 500 h，發(fā)動機高壓渦輪間隙變化0.41 mm，對應排氣溫度增加35 ℃，即間隙增加0.25 mm，排氣溫度增加21 ℃，對比工業(yè)經(jīng)驗數(shù)據(jù)高壓渦輪葉尖間隙增大0.25 mm，發(fā)動機排氣溫度增加10 ℃，可見某型發(fā)動機排氣溫度受間隙的影響較大，排氣溫度升高較快。

4 葉尖間隙控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

為避免排氣溫度升高較快，提高發(fā)動機性能保持能力，提出控制葉尖間隙的發(fā)動機結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

由第2節(jié)的分析可知，發(fā)動機工作過程中高壓渦輪轉(zhuǎn)、靜子碰摩，外環(huán)磨損量很小，而葉片磨損嚴重，不利于發(fā)動機葉尖間隙保持。因此，可以從改善涂層材料入手改善葉尖間隙，即高壓渦輪工作葉片上增加耐磨涂層，減少葉尖磨損，保持葉尖間隙。

某型發(fā)動機工作后，高壓渦輪外環(huán)分解檢查結(jié)果顯示外環(huán)磨損沿周向非均勻分布，磨痕多集中在發(fā)動機下半部，表明高壓渦輪轉(zhuǎn)子存在下沉現(xiàn)象。因此，需提高轉(zhuǎn)靜子同心度改善葉尖間隙。結(jié)構(gòu)上可采用的轉(zhuǎn)靜子同心度控制方法主要有低壓轉(zhuǎn)子后支點偏心襯套結(jié)構(gòu)、高壓渦輪外環(huán)塊偏心加工等，以消除轉(zhuǎn)子下沉，提高轉(zhuǎn)靜子同心度。

同時，某型發(fā)動機高壓渦輪熱態(tài)間隙變化規(guī)律表明發(fā)動機工作過程中轉(zhuǎn)靜子存在熱變形不協(xié)調(diào)問題。針對該問題，優(yōu)化方法主要有采用低膨脹系數(shù)高壓渦輪機匣、在高壓渦輪機匣對應位置的燃燒室機匣上設置“蒙皮”結(jié)構(gòu)、采用具有徑向補償能力的封嚴結(jié)構(gòu)等[14-15]，保證工作過程中轉(zhuǎn)靜子變形的一致性。

5 結(jié)論

本文應用某型發(fā)動機7臺份46組實測高壓渦輪冷態(tài)間隙數(shù)據(jù)，基于最小二乘法對間隙隨工作時長的變化規(guī)律進行了模擬，并結(jié)合實測排氣溫度，得到間隙對排氣溫度的影響規(guī)律，掌握發(fā)動機性能衰減情況，提出控制葉尖間隙的發(fā)動機結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，具有工程指導價值。

(1)得到高壓渦輪間隙隨工作時間的變化規(guī)律。發(fā)動機工作初期，間隙快速增大，累計工作時間500～800 h后間隙趨于穩(wěn)定，達到穩(wěn)定狀態(tài)的間隙增量約為0.41 mm。

(2)發(fā)動機累計工作前1 000～1 500 h，排氣溫度的變化主要受間隙影響增加(發(fā)動機排氣溫度較新機增量約為35 ℃)，間隙增大0.25 mm,對應排氣溫度增大21 ℃。1 000～1 500 h后，排氣溫度受其他因素影響繼續(xù)增加，但增速減緩。

(3)針對某型發(fā)動機性能衰減情況，從改善涂層材料、提高轉(zhuǎn)靜子同心度、改善轉(zhuǎn)靜子熱變形協(xié)調(diào)三方面，提出了葉尖間隙控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。