常智勇，曲 勝，黎 旭

（1．海軍駐沈陽地區(qū)發(fā)動機(jī)專業(yè)軍事代表室，沈陽110015；2．中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽110015）

0 引言

當(dāng)前，對于主流航空發(fā)動機(jī)廠商和用戶而言，都面臨一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是對于現(xiàn)代的民用發(fā)動機(jī)，要求滿足性能及操作性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、噪聲與排放等實際要求[1]。因此，航空發(fā)動機(jī)設(shè)計和研究部門進(jìn)行了大量研究，主要目的是提高發(fā)動機(jī)效率，延長其使用壽命，降低噪聲和排放。對于軸流式航空發(fā)動機(jī)，渦輪葉柵內(nèi)存在的復(fù)雜的3維、黏性非穩(wěn)定流動產(chǎn)生氣動損失，顯著影響發(fā)動機(jī)效率[2]。因為，3維效應(yīng)和離心力的作用，在燃?xì)饬鞯乐挟a(chǎn)生二次流，導(dǎo)致渦輪轉(zhuǎn)子葉片的緣板和葉尖位置生成馬蹄形渦。又由于轉(zhuǎn)子葉片的葉尖和靜止的渦輪外環(huán)之間存在間隙，在轉(zhuǎn)子葉片的壓力面和吸力面存在較大的壓差，導(dǎo)致葉尖存在明顯的燃?xì)庑孤?。上述現(xiàn)象均顯著降低渦輪及整機(jī)效率。根據(jù)報道，葉尖間隙增加1%會導(dǎo)致渦輪效率下降1.5%[3]。Wise-man等人(2001)證實，高壓渦輪間隙每減少0.254mm可以使得燃油消耗率（SFC）降低1%，并且發(fā)動機(jī)排氣溫度降低10K，顯著提高發(fā)動機(jī)壽命，此外，對減少NOx，CO以及CO2的排放的作用也相當(dāng)可觀[4]。Kawecki（1979）認(rèn)為改善高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙可以降低發(fā)動機(jī)壽命期使用成本[5]。合理控制葉尖間隙能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)收益，因此，各種間隙控制技術(shù)，尤其是主動間隙控制（ACC）技術(shù)被視為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)研究和設(shè)計機(jī)構(gòu)投入大量資源對其進(jìn)行研究。

本文研究了主動間隙控制系統(tǒng)的控制方法及其技術(shù)特點，探討了主動間隙控制技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向。

1 葉尖間隙的變化機(jī)理

葉尖間隙的影響因素很多，在發(fā)動機(jī)加工和裝配精度初始狀態(tài)下決定了其冷態(tài)間隙。在1個飛行起落中，發(fā)動機(jī)處于不同的工作狀態(tài)，如轉(zhuǎn)速、大氣溫度、渦輪進(jìn)口溫度和壓比等，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的葉尖間隙也隨之發(fā)生變化。這些瞬態(tài)工作點包括起飛、減速、再加速和著陸等。

1種全新的發(fā)動機(jī)需要設(shè)計出適當(dāng)?shù)娜~尖間隙，保證起動時轉(zhuǎn)子能正常轉(zhuǎn)動。飛行起落內(nèi)渦輪葉尖間隙變化情況如圖1所示。在起飛點需要發(fā)動機(jī)達(dá)到最大狀態(tài)，產(chǎn)生最大推力，在起飛過程中，轉(zhuǎn)子的葉尖間隙急劇減小，并達(dá)到1個最小間隙點。在起動過程中，高溫燃?xì)鈱D(zhuǎn)子葉片和渦輪盤加熱，同時轉(zhuǎn)子受到增大的離心力作用，轉(zhuǎn)子迅速膨脹；但是靜止件包括渦輪外環(huán)和機(jī)匣膨脹的速度要慢得多，因此，葉尖間隙迅速減小，并且有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和靜子部件發(fā)生碰摩。在此之后，轉(zhuǎn)子繼續(xù)膨脹并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，機(jī)匣持續(xù)膨脹，使得葉尖間隙開始增大。在巡航狀態(tài)，作用在轉(zhuǎn)子和機(jī)匣上的熱負(fù)荷和機(jī)械載荷基本不變，二者的膨脹達(dá)到平衡狀態(tài)，因此，葉尖間隙基本保持不變。與此類似，當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)入減速或者再加速等瞬態(tài)歷程時，可能產(chǎn)生另1個“最小間隙點”。

圖1 飛行起落內(nèi)渦輪葉尖間隙變化情況[6]

均勻的發(fā)動機(jī)載荷，包括離心載荷、熱載荷和氣動載荷作用在靜子和轉(zhuǎn)子上，可以使其產(chǎn)生均勻的徑向變形（如圖2（a）所示），其中離心載荷和熱載荷影響發(fā)動機(jī)的最大徑向間隙變化。熱載荷會使得轉(zhuǎn)子和靜子膨脹或者收縮，并且存在受熱不均勻的現(xiàn)象，因此，熱載荷會同時帶來對稱間隙變化和非對稱間隙變化（如圖2（b）所示）。

圖2 2種葉尖間隙變化

通常，發(fā)動機(jī)在飛機(jī)上的安裝位置并不是其中心線，如圖3（a）所示，氣動力和推力產(chǎn)生1個作用在機(jī)匣上的合成力矩，使得靜子相對轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲，如圖（3）b所示。Olsson和Martin對JT9D的研究表明，在空中起動過程中，轉(zhuǎn)速增加和燃?xì)饧訜徂D(zhuǎn)子葉片和輪盤的作用帶來最大的間隙變化。除此之外，實際的葉尖間隙受發(fā)動機(jī)載荷（包括離心力、熱、發(fā)動機(jī)內(nèi)部壓力和推力載荷）和飛行載荷（包括慣性力、氣動力（外部壓力）和回轉(zhuǎn)載荷等）的共同作用，由此帶來對稱和非對稱的間隙變化。

圖3 飛行過程中的非對稱間隙變化[6]

除此之外，轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣的加工工裝和裝配精度對葉尖間隙也有一定的影響，但影響較小，可以通過合理設(shè)計轉(zhuǎn)軸和軸承位置及軸承間隙、控制葉尖高度和機(jī)匣圓心度、提高裝配的同心度和不平衡量來盡量減小生產(chǎn)對間隙的影響。

2 主動間隙控制及其分類

為了減小由于不恰當(dāng)?shù)娜~尖間隙帶來的性能損失，發(fā)展出各種間隙控制技術(shù)，使得在整個飛行包線內(nèi)保持較小的葉尖間隙，提高發(fā)動機(jī)效率并降低SFC。間隙控制的方法主要分為被動間隙控制PCC和主動間隙控制ACC。

被動間隙控制是1種不隨發(fā)動機(jī)工作狀況調(diào)節(jié)的間隙控制技術(shù)，通過匹配轉(zhuǎn)子和靜子的瞬態(tài)膨脹或收縮，在葉片氣動設(shè)計階段廣為使用。被動間隙控制選取最嚴(yán)苛的瞬態(tài)狀態(tài)（如起飛等狀態(tài)）為設(shè)計間隙，通過采用減小裝配間隙、雙層機(jī)匣和低膨脹系數(shù)材料機(jī)匣、使用耐磨涂層來減小葉尖磨損等措施，減小發(fā)動機(jī)工作中的葉尖間隙。因此，其主要缺點是間隙設(shè)定只滿足最嚴(yán)苛的瞬態(tài)狀態(tài)，而在1個飛行起落中占用時間最久的是巡航狀態(tài)，對于這種穩(wěn)定狀態(tài)而言，葉尖間隙太大，顯著影響整機(jī)效率和SFC。

20世紀(jì)70年代末以來，歐美主流發(fā)動機(jī)廠商開始用主動間隙控制來獲得更好的整機(jī)效率，如早期使用的E3，JT9D-70/59，以及CF6發(fā)動機(jī)[8-10]。目前，主動間隙控制系統(tǒng)已經(jīng)在民用發(fā)動機(jī)和工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上廣為使用，在發(fā)動機(jī)工作過程中控制葉尖間隙保持最小值，同時又保證在整個發(fā)動機(jī)飛行包線內(nèi)葉尖和渦輪外環(huán)不會發(fā)生碰摩。根據(jù)其控制方法，主動間隙控制系統(tǒng)可以分為主動熱控制、主動機(jī)械控制和主動壓力控制3類。

2.1 主動熱控制系統(tǒng)

主動熱控制系統(tǒng)目前已被發(fā)動機(jī)廠商廣泛采用。E3發(fā)動機(jī)采用的主用熱間隙控制系統(tǒng)如圖4所示，其工作原理是在發(fā)動機(jī)工作過程中，利用從壓氣機(jī)或風(fēng)扇中抽取的冷氣對渦輪機(jī)匣及渦輪外環(huán)支撐進(jìn)行沖擊冷卻，通過控制冷卻空氣的流量和溫度，改變高壓渦輪機(jī)匣熱膨脹量，進(jìn)而控制其徑向位移，獲得預(yù)期的葉尖間隙。JT9D、CFM56、PW4000、V2500、GE90等發(fā)動機(jī)都采用了主動熱控制系統(tǒng)。

圖4 E3發(fā)動機(jī)主動熱間隙控制系統(tǒng)[8]

主動熱間隙存在1個主要缺點，即間隙控制系統(tǒng)的熱響應(yīng)速度較慢，并不適合整個飛行包線。雖然瞬態(tài)時主動熱間隙控制系統(tǒng)的效果不太明顯，但是在1個飛行起落中的大部分時間，即巡航狀態(tài)，熱控制系統(tǒng)能夠有效減小葉尖間隙，從而提高發(fā)動機(jī)效率，降低SFC。

2.2 主動機(jī)械控制系統(tǒng)

在主動機(jī)械控制系統(tǒng)（如圖5所示）中，不同的發(fā)動機(jī)載荷下通過使用一系列機(jī)械裝置調(diào)整葉尖間隙。在機(jī)匣和渦輪外環(huán)間安裝驅(qū)動軸，通過水壓式、電-機(jī)械式、電磁式等驅(qū)動方法在徑向移動外環(huán)位置，從而實現(xiàn)葉尖間隙變化。

圖5 主動機(jī)械控制系統(tǒng)[11]

主動機(jī)械控制的優(yōu)點是不需要從發(fā)動機(jī)引氣，不會降低發(fā)動機(jī)性能，并且能夠快速響應(yīng)。但是主動機(jī)械控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，增加了發(fā)動機(jī)的質(zhì)量，更加困難的是，機(jī)械裝置必須在較高的溫度下長期運行，這是該系統(tǒng)必須解決的問題。主動機(jī)械控制系統(tǒng)已在RB211系列發(fā)動機(jī)上采用。

2.3 主動壓力控制系統(tǒng)

主動壓力控制使用壓氣機(jī)引氣來實現(xiàn)對葉尖間隙的控制，其利用壓氣機(jī)引氣與葉尖位置燃?xì)忾g的壓差使渦輪外環(huán)產(chǎn)生徑向位移。因此，主動壓力控制系統(tǒng)對壓力的變化非常敏感，并且承受高周疲勞作用。進(jìn)行間隙控制時需要從壓氣機(jī)大量引氣，而這些引氣沒有作功能力，因此，在某種程度上降低發(fā)動機(jī)效率。B?ck(2010)提出1項主動壓力控制系統(tǒng)的專利，如圖6所示，利用壓力腔和外部的壓力差來改變?nèi)~尖間隙。

獲知真相，意味著成為一個不幸。快到春節(jié)了，醫(yī)院里的人比較少，病房里，很多病情較輕的，也都辦理了出院，誰也不希望春節(jié)待在病房里。核桃臉閉著眼睛打盹兒，遠(yuǎn)處傳來煙花爆炸的聲音。

3 主動間隙控制的優(yōu)點

圖6 主動壓力控制系統(tǒng)[12]

主動間隙控制使發(fā)動機(jī)能夠在最優(yōu)的葉尖間隙下運行，因此，能夠顯著改善渦輪效率并提高整機(jī)效率，并允許發(fā)動機(jī)在較低的渦輪進(jìn)口溫度下運行，即可以較少燃油消耗。由此，渦輪部件可以在較低的進(jìn)口溫度和排氣溫度下工作，可以明顯改善熱端部件的蠕變壽命，對于用戶而言，大大降低了維修成本。

3.1 減少燃油消耗

燃油消耗（SFC）是飛行機(jī)隊或者燃機(jī)機(jī)組最大的成本支出。SFC和發(fā)動機(jī)效率和渦輪效率直接相關(guān)，也和渦輪葉尖間隙緊密相關(guān)。

在使用主動間隙控制系統(tǒng)對CF6發(fā)動機(jī)進(jìn)行效率提升后，Rich等(1982)對CF6的燃油消耗情況進(jìn)行估算。高壓渦輪在進(jìn)行主動間隙控制后，第1、2級高壓渦輪轉(zhuǎn)子的間隙分別是0.15mm和0.10mm，很大程度上改善了發(fā)動機(jī)性能，并且使得SFC下降0.7%。對于3700km航程的飛機(jī)來說，1年內(nèi)可以使用184000L燃油（節(jié)省0.58%），對于整個機(jī)隊而言收益是巨大的[13]。

3.2 降低排放

主動控制系統(tǒng)有效改善了整機(jī)效率，降低燃油消耗，因此，也降低了排放。

Ruiz等人(2009)介紹GE90發(fā)動機(jī)高壓渦輪由于采用主動間隙控制，降低0.95%的SFC，排放也降低1%，特別是NOX和CO排放分別降低約10%和16%[11]。

3.3 降低維修成本

由于葉尖間隙得到優(yōu)化，發(fā)動機(jī)可以在更高的循環(huán)效率和更低的溫度下運行，必然會延緩熱端部件由于熱疲勞和蠕變造成的故障時間。普遍認(rèn)為，渦輪前溫度提高10℃會使渦輪葉片壽命減少一半，熱端部件的失效概率會相應(yīng)減小。從而，增加發(fā)動機(jī)的在役時間，使發(fā)動機(jī)的整個服役周期可以降低大量的維修成本。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 葉尖間隙分析技術(shù)

葉尖區(qū)域由于存在復(fù)雜的流動和換熱現(xiàn)象，并且在使用過程中存在變形，因此，精確的葉尖間隙分析技術(shù)是進(jìn)行間隙控制的基礎(chǔ)。

郭淑芬和徐波等就溫度與轉(zhuǎn)速對渦輪葉尖間隙的影響進(jìn)行了研究[14]，Mayle和Metzger認(rèn)為旋轉(zhuǎn)對葉尖換熱和總壓損失影響并不明顯[15]，王寶官和李玲等進(jìn)行了傳熱對葉尖間隙影響的研究，給出了轉(zhuǎn)子伸長量和機(jī)匣膨脹量的計算方法[16]。此外，過渡態(tài)葉尖區(qū)域的流動、換熱、葉尖位置及渦輪外環(huán)的溫度場計算分析及變形分析也需要進(jìn)行深入研究。使用氣－固－熱耦合分析方法可以對葉尖間隙進(jìn)行數(shù)值模擬，但是目前該方法缺乏進(jìn)一步有效驗證。

4.2 葉尖間隙測量技術(shù)

葉尖間隙測量是實現(xiàn)主動間隙控制，驗證控制系統(tǒng)設(shè)計的重要手段。在整個飛行包線內(nèi)，飛行載荷以及發(fā)動機(jī)載荷的共同作用，在葉尖產(chǎn)生對稱間隙和非對稱間隙，并且在瞬態(tài)過程中間隙隨時間變化。因此，需要借助于葉尖間隙測量，對發(fā)動使用過程中的間隙包括最小間隙進(jìn)行實時測量?；跍y試數(shù)據(jù)確定發(fā)動機(jī)使用中的有效間隙，設(shè)計主動間隙控制規(guī)律，并對間隙控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗驗證。

由于發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速、高溫高壓條件下進(jìn)行運轉(zhuǎn)，葉尖間隙測量的傳感器，要求滿足長期穩(wěn)定工作、快速實時響應(yīng)，存在很大的考驗。目前主要有電容法、探針法和電渦流法對葉尖間隙進(jìn)行測量。

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

根據(jù)具體的控制方法，主動間隙控制系統(tǒng)主要可以分為開/關(guān)式、模型式和反饋式控制系統(tǒng)3類。開/關(guān)式控制規(guī)律比較簡單，只能在1個工作點進(jìn)行有效優(yōu)化控制，這種控制方法目前在發(fā)動機(jī)上廣泛使用，主要用于對巡航點的葉尖間隙進(jìn)行控制，有效降低燃油油耗。模型式控制通過測量發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、溫度、壓力等，通過模型來估算間隙，這種控制方法可以對多狀態(tài)的葉尖間隙進(jìn)行控制。反饋式控制需要在發(fā)動機(jī)上實時對葉尖間隙進(jìn)行測量，要求間隙測量傳感器均有很高的精確性和可靠性。

控制系統(tǒng)需要對控制規(guī)律、執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用力的來源，包括壓力機(jī)引氣、壓力裝置和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效管理，實現(xiàn)預(yù)期的葉尖間隙控制。

此外，控制系統(tǒng)還需要包含容錯設(shè)計。在主動間隙控制系統(tǒng)過程中，如果間隙不合適，可能造成渦輪外環(huán)或者轉(zhuǎn)子發(fā)生故障甚至危及發(fā)動機(jī)安全。因此，需要對采用傳感器和執(zhí)行裝置冗余設(shè)計、主動間隙控制系統(tǒng)健康管理等技術(shù)手段。

5 主動間隙控制的發(fā)展趨勢

5.1 快速響應(yīng)的主動間隙控制系統(tǒng)

在PROPULSION21計劃框架下，NASA格林研究中心和GE公司針對快速響應(yīng)的主動間隙控制系統(tǒng)獨立展開研究。

Lattime等(2003)在試驗器上驗證了快速響應(yīng)的主動機(jī)械控制系統(tǒng)的概念[17-18]?？焖夙憫?yīng)的機(jī)械控制系統(tǒng)如圖7所示，該系統(tǒng)包括2個模塊：實時控制模塊和試驗器。實時控制模塊包含1個時域變化的發(fā)動機(jī)參數(shù)的動態(tài)模型和相關(guān)控制規(guī)律。試驗器包含封嚴(yán)外環(huán)、間隙傳感器、位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。在使用中，控制模塊根據(jù)發(fā)動機(jī)狀態(tài)，利用動態(tài)模型計算轉(zhuǎn)靜子之間的間隙，并計算理論值和實測間隙的差值?？刂葡到y(tǒng)利用差值計算出新的執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移點，在試驗器上利用傳動桿實現(xiàn)外環(huán)塊的徑向位移，使用傳感器測定外環(huán)塊的位移量，并將其反饋至控制系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖7 NASA主動機(jī)械控制系統(tǒng)[18]

與此同時，GE公司致力于使用熱控制的方法，實現(xiàn)快速響應(yīng)的主動間隙控制[19]。如圖8所示，使用高壓壓氣機(jī)引氣對機(jī)匣加熱或冷卻，由于壓力較高，并且流量較大，氣流作用到機(jī)匣上可以有更高的對流換熱系數(shù)。研究表明：這種熱控制系統(tǒng)能夠加快機(jī)匣溫度響應(yīng)，使機(jī)匣的變形速率能夠與渦輪盤和葉片的變形相匹配。此外，用于加熱或冷卻的壓氣機(jī)引氣可以再次用于渦輪葉片引氣，從而相對減小冷氣用量，有利于改善整機(jī)性能。

圖8 快速響應(yīng)主動熱間隙控制系統(tǒng)[19]

5.2 采用記憶合金的主動間隙控制系統(tǒng)

高溫記憶合金（HTSMA）是由NASA格林研究中心研發(fā)的1種材料，可以產(chǎn)生復(fù)雜變形，在加熱時自動恢復(fù)原始形狀。HTSMA能承受500℃的高溫，因此可用于主動間隙控制系統(tǒng)中的位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1種使用HTSMA的主動間隙控制系統(tǒng)如圖9所示，HTSMA被制成線圈，可以帶動傳動桿在徑向移動渦輪外環(huán)，從而實現(xiàn)增大或減小葉尖間隙的目的。

圖9 采用高溫記憶合金的主動間隙控制[20]

HTSMA控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是機(jī)構(gòu)比較輕巧，并且只用少量引氣就能達(dá)到控制的目的。

6 結(jié)束語

主動間隙控制系統(tǒng)是現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)，特別是民用發(fā)動機(jī)的基本標(biāo)志和關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠有效改善發(fā)動機(jī)性能，降低燃油消耗，減少排放，降低維修成本，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前歐美主流發(fā)動機(jī)廠商針對主動間隙控制展開大量研究，并且在發(fā)動機(jī)上廣泛應(yīng)用。本文對主動間隙控制的機(jī)理進(jìn)行介紹，對當(dāng)前主動間隙控制系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，認(rèn)為需要從葉尖間隙分析和測量、控制系統(tǒng)設(shè)計等方面開展主動間隙控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)可以在基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)借鑒，開展自主的主動間隙控制系統(tǒng)設(shè)計和改進(jìn)。

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