[发明专利]航空发动机涡轮叶尖间隙的主动控制

说明书

一、技术领域

叶尖间隙的主动控制可以显著地提高航空发动机的效率，降低燃油消耗率。而航空发动机则需要叶尖间隙的快速主动控制系统(FACC)来提高经济性的同时，并保证安全性的要求。

二、背景技术

2.1研究背景和意义

航空发动机叶尖间隙通常是指轴流式发动机转子叶片叶尖与机闸之间的径向间隙。叶尖间隙对航空发动机燃油消耗率、稳定性及涡轮和压气机的效率都有重大的影响，尤其对高压压气机的后几级和高压涡轮的影响则更大。因此，国内外对于航空发动机叶间隙问题的研究都十分重视。

高压涡轮的叶顶间隙对发动机的性能有很大的影响，为了提高现代航空发动机的经济性和可靠性，国内外很多的研究机构都先后开展了叶顶间隙主动控制技术方面的研究。这是因为，先进的涡轮叶顶间隙主动控制技术可以显著地降低燃油消耗率(SFC)和排气温度(EGT)；提高了发动机效率的同时，还增大的飞机飞行半径和发动机的寿命。因此进一步开展高压涡轮叶顶间隙主动控制技术方面的研究具有实际的工程意义。

据美国GE公司对CF6-50发动机的分析表明，其压气机、涡轮叶片叶尖间隙引起的耗油率的损失约占总损失的67％。高压涡轮叶顶间隙增加0.001英寸，SFC将会增加大约0.1％而EGT将会增加1℃。军用发动机的SFC、EGT受涡轮叶顶间隙的影响更为显著，这是因为相对于大型商用飞机发动机(高涵道比)而言，军用发动机(低涵道比)的转速和涡轮前温度都要高一些。涡轮叶顶间隙与叶高之比每增加0.01，会引起涡轮效率降低约0.8～1.2％，而效率降低1％则燃油消耗率增加约2％。而耗油率不仅影响发动机性能，同时也影响其全寿命费用。以2001年的航空燃油价格计算，仅仅1％SFC就可以为美国在2003年节省1.6亿美元。

叶尖间隙对发动机工作时的稳定性也有一定的影响，如PW4000发动机喘振问题。近年来，PW4000发动机在世界范围内屡屡发生喘振，这些喘振多发生在起飞和爬升阶段，特别是达到起飞推力后40~60秒内。2001年8月7日，国内的一架767飞机在起飞阶段因单台PW4000发动机发生喘振而造成发动机自动停车，飞机返航。从1992年至今，该系列发动机在世界范围内共发生209起大推力喘振。据惠普公司提供的数据，从1992年至今，我国共发生11起起飞阶段非机械原因喘振，集中在使用PW4000发动机的B747和MD11两种机型上。这里所说的喘振都是指第3类喘振，与机械损伤、控制失调无关，而与高压压气机后几级的叶尖间隙有关。

从上述介绍可以看出叶尖间隙的研究内容多、涉及面广。叶尖间隙的主动控制技术对提高航空发动机的可靠性和经济性意义巨大。现代航空发动机的气动设计与试验方法已可使发动机的压气机与涡轮效率达到90％以上，想要再通过改善气动设计来提高发动机效率是很困难的。因此，为了提高发动机的性能，进一步研究发动机的叶尖间隙是十分必要的。

2.2国内外的研究进展

从二十世纪五十年代开始，国内外许多学者相继开展了叶尖间隙的研究工作。大多数研究都是针对机匣处理、叶型优化等方面的试验和数值研究。目前，国际上叶尖间隙的控制方法可以分为：主动间隙控制和被动间隙控制。

一类是主动间隙控制，它又可以分为两种：一种是闭式间隙控制，它是利用先进的发动机叶尖间隙测量手段，测出某工况的间隙值，用反馈控制回路控制间隙的最佳值；另一种是开式间隙主动控制，通过找出叶尖间隙变化的准确规律，当发动机工况改变时，用机载计算机算出此时间隙大小，及时调整外部所需空气量，进行最佳间隙的控制。两种主动间隙控制方法都是根据发动机的工作状态，人为地控制机闸或转子的膨胀量，使转子和静子的热响应达到较好的匹配，在高空巡航状态间隙尽可能小，而在其它状态又不致发生干扰摩擦。英国CFM56-3发动机高压涡轮间隙控制就是利用这种方法实现的。

而另一类是被动间隙控制，即不随发动机工作状况调节的间隙控制技术。主要对转子和静子在不同工作状态下的受力状况进行认真分析，尤其是对机闸在各种工况下的热变化进行精心设计，以求转、静子之间的热配合恰当，使间隙保持在允许的范围内。过去研制的发动机都采用这种方法。主要是通过减小装配间隙、采用双层机闸或低线膨胀系数的合金机闸等途径来减小发动机工作时的径向间隙。例如，美国GE公司的CF6在前安装节处增加一个切向连杆，使压气机机闸最大局部变形由1.8mm减小到1mm，从而减小压气机间隙。美国普·惠公司的JT9D在外封气环上喷覆陶瓷涂层，再叶尖上敷以碳化硅涂层，以改善环与叶片之间的可磨合性。

2.3面临的挑战