翟靈慧　張祥

摘 要：本文首先對選擇地冷卻或加熱定子或轉(zhuǎn)子元件從而調(diào)節(jié)端部間隙的技術(shù)分支進行簡要介紹，然后對轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間間隙調(diào)節(jié)的技術(shù)發(fā)展路線進行梳理，并重點針對定子的加熱和冷卻方式進行了分析，并對申請量最大的申請人通用公司在有選擇地冷卻或加熱定子或轉(zhuǎn)子元件從而調(diào)節(jié)端部間隙的專利發(fā)展趨勢、構(gòu)成以及主要研究方向進行分析。

關(guān)鍵詞：葉尖；定子；間隙；加熱；冷卻；控制

中圖分類號：TM307 文獻標(biāo)識碼：A

葉輪機械中，轉(zhuǎn)子葉片在殼體內(nèi)部并相對于殼體轉(zhuǎn)動，為了避免轉(zhuǎn)子葉片在轉(zhuǎn)動時與殼體之間碰摩，轉(zhuǎn)子葉片頂部和殼體徑向內(nèi)表面之間通常留有間隙。該間隙是燃氣輪機的關(guān)鍵參數(shù)，對燃氣輪機的性能、可靠性、安全性都有至關(guān)重要的影響。由于渦輪葉片和定子的膨脹效應(yīng)不同，發(fā)動機在不同的工作狀態(tài)下，渦輪葉尖和定子之間的間隙也會隨之改變。如果間隙增大，則因為熾熱氣體從間隙逸出，渦輪的效率下降。如果間隙太小，則槳葉、護環(huán)及其他部件的熱學(xué)性質(zhì)會導(dǎo)致槳葉與護環(huán)摩擦。因此，為了防止由于間隙改變而帶來的不利效果，控制渦輪葉尖間隙，保持發(fā)動機轉(zhuǎn)子、定子之間良好的間隙配合，是必不可少的。

由于葉尖間隙對渦輪性能影響明顯，各國從20世紀50年代開始在渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流動的生成及發(fā)展過程、流動結(jié)構(gòu)、損失機理等方面開展了廣泛的研究，逐步揭示了渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流動以及損失機理，并在此基礎(chǔ)上進一步進行端部間隙的控制研究，采取主動間隙控制或自調(diào)節(jié)裝置等，對轉(zhuǎn)子葉尖和定子之間端部間隙進行調(diào)整，提高渦輪性能。

一、端部間隙調(diào)節(jié)技術(shù)概況

目前，對轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間的間隙調(diào)節(jié)的方式主要有以下四種：利通過自調(diào)節(jié)裝置，利用帶有預(yù)定熱反應(yīng)的定子或轉(zhuǎn)子元件；用機械方式驅(qū)動定子或轉(zhuǎn)子；有選擇地冷卻或加熱定子或轉(zhuǎn)子元件；本文將對有選擇地冷卻或加熱定子或轉(zhuǎn)子元件這一端部間隙調(diào)節(jié)方式進行分析研究。

二、端部間隙調(diào)節(jié)專利技術(shù)分析

1.全球申請量分析

總的申請趨勢呈現(xiàn)出不斷波動的狀態(tài)，2004年前，每年的申請量大多在10個以下，為相對低谷期；在2004年之后，每年的申請量由10左右增長為25個左右，為快速發(fā)展期。申請量最大的密封方式為冷卻定子方法，其次為加熱定子。

2.申請人分析

根據(jù)申請人的申請量排名，在該領(lǐng)域申請量最大的公司為通用公司（此處通用公司包括通用電氣公司和通用汽車公司），其次為斯奈克瑪公司、聯(lián)合工藝公司、勞斯萊斯公司、西門子公司、MOTU、三菱重工業(yè)，這些申請人在該領(lǐng)域也具有較多的研究。

根據(jù)申請人的國別，以美國居首，其申請量占總申請量的53.68%，其次是法國，占比22.06%，英國12%，英國9.93%，德國7.72%，日本3.31%，俄羅斯3.31%。由于轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間的間隙調(diào)整主要應(yīng)用在燃氣渦輪發(fā)動機上，尤其是飛機的燃氣渦輪發(fā)動機上，以上占比主要與這些國家對于渦輪發(fā)動機的發(fā)展?fàn)顩r及研究量相關(guān)。

通用、斯奈克瑪這兩個公司從1988年至今在該領(lǐng)域的研究始終沒有中斷，而聯(lián)合工藝公司和RORO則是在1997年之后保持持續(xù)研究；另外，通用公司雖然在該領(lǐng)域申請量最大，但從1991年之前的申請情況來看，申請量最大的申請人為聯(lián)合工藝公司，1991年之后，通用的申請量才逐年增長，可見，聯(lián)合工藝公司在早期對該領(lǐng)域投入了大量的研究。

3.主要申請人——通用公司重點技術(shù)分析

通用公司作為該領(lǐng)域申請量最大的主要申請人，在1957年就提出了涂層密封這種應(yīng)用最為廣泛的密封形式，可見在轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間利用磨損帶的間隙密封領(lǐng)域歷經(jīng)了近60年的研究歷程。從研究伊始到1990年，通用公司的申請量處于平穩(wěn)狀態(tài)，到了2004年之后，申請量呈現(xiàn)出明顯的增長，2010年之后，申請量呈現(xiàn)出快速的增長，進入了高峰期。從研究方向的側(cè)重點來看，其主要針對冷卻定子的方式調(diào)節(jié)端部間隙進行研究，并且隨著時間的發(fā)展，總是冷卻定子的方式要多于加熱定子的方式。從通用公司歷年來的申請涉及的主要端部間隙調(diào)節(jié)的申請量可以發(fā)現(xiàn)，通用公司主要研究的通過冷卻定子來調(diào)節(jié)端部間隙，對加熱定子的研究也較多，對加熱轉(zhuǎn)子的研究最少。下文也主要針對對定子的加熱或冷卻從而實現(xiàn)端部間隙調(diào)節(jié)的方式進行發(fā)展脈絡(luò)的分析。

4.發(fā)展脈絡(luò)

1945年，英國POWER JETS RES & DEV LTD公司提出了通過僅對渦輪殼體和進行冷卻從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子和定子的端部間隙，其在渦輪外殼設(shè)置冷卻空氣通道，冷卻空氣來自壓縮機或者其他熱源；在1959年之后出現(xiàn)一些美國和英國的個人申請，也都是通過對渦輪的殼體等進行冷卻從而調(diào)節(jié)端部間隙：1975年，聯(lián)合工藝公司提出從風(fēng)扇中抽取冷氣卻對渦輪機匣進行；1976年通用電氣公司提出從壓氣機抽取冷氣卻對渦輪的外環(huán)支撐件進行冷卻，其中加入了傳感器和控制閥門來實現(xiàn)對冷卻空氣的控制；1981年，聯(lián)合工藝公司提出在不同的工況下對機匣進行冷卻或加熱，從而使間隙增大或減小，是在機匣外設(shè)置冷卻管，采用沖擊冷卻方式：之后的幾年的研究，主要是在改善冷卻效果方面，1986年，慕尼黑發(fā)動機及渦輪機聯(lián)合股份公司提出采用雙機匣的對流換熱方式來增強冷卻效果，從而實現(xiàn)對機匣的冷卻，從而調(diào)節(jié)端部間隙；1988年聯(lián)合工藝公司提出通過增加機匣冷卻管的截面積來增強冷卻效果，從而調(diào)節(jié)端部間隙；1997年，法國的國家航空發(fā)動機研究制造公司，為了解決外殼受熱不均勻的問題，提出一種用于加熱或冷卻外殼以調(diào)節(jié)其直徑，尤其是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片與該外殼之間之間隙的裝置；2000年之后對端部間隙的調(diào)節(jié)的研究主要致力于保證加熱的均勻性以及在引位置上的細小改進，相對于20世紀的研究，還提出了采用電加熱的方法來加熱或冷卻定子。

國內(nèi)自20世紀90年代末期開始主動間隙控制技術(shù)的相關(guān)研究工作，主要在高校開展了一些計算分析工作，北京航空航天大學(xué)的郭淑芬和徐波等人就溫度與轉(zhuǎn)速對渦輪葉尖間隙的影響進行了研究。王寶官和李玲等人進行了傳熱對葉尖間隙影響的研究，分別給出了轉(zhuǎn)子伸長量和機匣膨脹量的計算方法。南京航空航天大學(xué)的陳偉教授研究小組，一直致力于渦輪葉尖間隙數(shù)值分析方法的研究。近幾年來，隨著民用大涵道比渦扇發(fā)動機設(shè)計工作的開展，國內(nèi)主要的發(fā)動機設(shè)計院所開始進行主動間隙控制技術(shù)的研究，在探索自主設(shè)計渦輪主動間隙控制系統(tǒng)的道路取得了進展，突破了部分關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，通過計算分析和試驗，正逐步建立起自己的設(shè)計方法。

通過對以上的發(fā)展脈絡(luò)的梳理，可以看出，國外對于轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間通過加熱或冷卻定子從而調(diào)節(jié)端部間隙領(lǐng)域的研究開展的早，且針對結(jié)構(gòu)、方式、不同工況下的間隙調(diào)節(jié)均展開了深入的研究；相比之下，國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究十分少，由國內(nèi)申請人申請的專利量不足30篇。

結(jié)語

主動間隙控制技術(shù)是民用先進大涵道比渦扇發(fā)動機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一，對降低發(fā)動機的耗油率，提高性能、壽命和可靠性的具有重要的作用。目前，國內(nèi)相關(guān)研究工作已啟動，已經(jīng)完成或正在開展的試驗包括機匣沖擊換熱試驗、冷卻管路流阻與流量分配試驗、渦輪盤腔流動換熱試驗、典型環(huán)境下全尺寸含間隙控制冷卻系統(tǒng)的高壓渦輪機匣組件溫度分布與徑向位移測量試驗等。

參考文獻

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