[發明專利]航空發動機渦輪葉尖間隙的主動控制

無效

• 申請號: 200710107216.8
• 申請日: 2007-05-24
• 公開（公告）號: CN101050712A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發明（設計）人: 豈興明
• 申請（專利權）人: 豈興明
• 主分類號: F01D11/16
• 分類號: F01D11/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術領域

葉尖間隙的主動控制可以顯著地提高航空發動機的效率，降低燃油消耗率。而航空發動機則需要葉尖間隙的快速主動控制系統(FACC)來提高經濟性的同時，并保證安全性的要求。

二、背景技術

2.1研究背景和意義

航空發動機葉尖間隙通常是指軸流式發動機轉子葉片葉尖與機閘之間的徑向間隙。葉尖間隙對航空發動機燃油消耗率、穩定性及渦輪和壓氣機的效率都有重大的影響，尤其對高壓壓氣機的后幾級和高壓渦輪的影響則更大。因此，國內外對于航空發動機葉間隙問題的研究都十分重視。

高壓渦輪的葉頂間隙對發動機的性能有很大的影響，為了提高現代航空發動機的經濟性和可靠性，國內外很多的研究機構都先后開展了葉頂間隙主動控制技術方面的研究。這是因為，先進的渦輪葉頂間隙主動控制技術可以顯著地降低燃油消耗率(SFC)和排氣溫度(EGT)；提高了發動機效率的同時，還增大的飛機飛行半徑和發動機的壽命。因此進一步開展高壓渦輪葉頂間隙主動控制技術方面的研究具有實際的工程意義。

據美國GE公司對CF6-50發動機的分析表明，其壓氣機、渦輪葉片葉尖間隙引起的耗油率的損失約占總損失的67％。高壓渦輪葉頂間隙增加0.001英寸，SFC將會增加大約0.1％而EGT將會增加1℃。軍用發動機的SFC、EGT受渦輪葉頂間隙的影響更為顯著，這是因為相對于大型商用飛機發動機(高涵道比)而言，軍用發動機(低涵道比)的轉速和渦輪前溫度都要高一些。渦輪葉頂間隙與葉高之比每增加0.01，會引起渦輪效率降低約0.8～1.2％，而效率降低1％則燃油消耗率增加約2％。而耗油率不僅影響發動機性能，同時也影響其全壽命費用。以2001年的航空燃油價格計算，僅僅1％SFC就可以為美國在2003年節省1.6億美元。

葉尖間隙對發動機工作時的穩定性也有一定的影響，如PW4000發動機喘振問題。近年來，PW4000發動機在世界范圍內屢屢發生喘振，這些喘振多發生在起飛和爬升階段，特別是達到起飛推力后40~60秒內。2001年8月7日，國內的一架767飛機在起飛階段因單臺PW4000發動機發生喘振而造成發動機自動停車，飛機返航。從1992年至今，該系列發動機在世界范圍內共發生209起大推力喘振。據惠普公司提供的數據，從1992年至今，我國共發生11起起飛階段非機械原因喘振，集中在使用PW4000發動機的B747和MD11兩種機型上。這里所說的喘振都是指第3類喘振，與機械損傷、控制失調無關，而與高壓壓氣機后幾級的葉尖間隙有關。

從上述介紹可以看出葉尖間隙的研究內容多、涉及面廣。葉尖間隙的主動控制技術對提高航空發動機的可靠性和經濟性意義巨大。現代航空發動機的氣動設計與試驗方法已可使發動機的壓氣機與渦輪效率達到90％以上，想要再通過改善氣動設計來提高發動機效率是很困難的。因此，為了提高發動機的性能，進一步研究發動機的葉尖間隙是十分必要的。

2.2國內外的研究進展

從二十世紀五十年代開始，國內外許多學者相繼開展了葉尖間隙的研究工作。大多數研究都是針對機匣處理、葉型優化等方面的試驗和數值研究。目前，國際上葉尖間隙的控制方法可以分為：主動間隙控制和被動間隙控制。

一類是主動間隙控制，它又可以分為兩種：一種是閉式間隙控制，它是利用先進的發動機葉尖間隙測量手段，測出某工況的間隙值，用反饋控制回路控制間隙的最佳值；另一種是開式間隙主動控制，通過找出葉尖間隙變化的準確規律，當發動機工況改變時，用機載計算機算出此時間隙大小，及時調整外部所需空氣量，進行最佳間隙的控制。兩種主動間隙控制方法都是根據發動機的工作狀態，人為地控制機閘或轉子的膨脹量，使轉子和靜子的熱響應達到較好的匹配，在高空巡航狀態間隙盡可能小，而在其它狀態又不致發生干擾摩擦。英國CFM56-3發動機高壓渦輪間隙控制就是利用這種方法實現的。

而另一類是被動間隙控制，即不隨發動機工作狀況調節的間隙控制技術。主要對轉子和靜子在不同工作狀態下的受力狀況進行認真分析，尤其是對機閘在各種工況下的熱變化進行精心設計，以求轉、靜子之間的熱配合恰當，使間隙保持在允許的范圍內。過去研制的發動機都采用這種方法。主要是通過減小裝配間隙、采用雙層機閘或低線膨脹系數的合金機閘等途徑來減小發動機工作時的徑向間隙。例如，美國GE公司的CF6在前安裝節處增加一個切向連桿，使壓氣機機閘最大局部變形由1.8mm減小到1mm，從而減小壓氣機間隙。美國普·惠公司的JT9D在外封氣環上噴覆陶瓷涂層，再葉尖上敷以碳化硅涂層，以改善環與葉片之間的可磨合性。

2.3面臨的挑戰