[發明專利]渦輪機及其主動間隙控制方法、間隙控制系統和機構

在審

• 申請號: 202010619104.6
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN113863995A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 辛長堃;魏芳;周健;佘云峰
• 申請（專利權）人: 中國航發商用航空發動機有限責任公司
• 主分類號: F01D11/20
• 分類號: F01D11/20;F01D11/24
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 喻學兵

本發明提供一種渦輪機及其主動間隙控制方法、間隙控制系統和間隙控制機構。該間隙控制機構包括有多個導向孔的固定外環；多個活動環塊，在固定外環的外周側環繞固定外環設置；多個封嚴組件，每個活動環塊對應一個封嚴組件，每個封嚴組件包括多個封嚴單元，封嚴單元包括細長形狀的封嚴件，封嚴件可滑動地穿過固定外環的導向孔，封嚴件的外端固定于活動環塊，封嚴件的內端位于固定外環的內側，每個活動環塊對應的封嚴組件的所有封嚴件的內端限定可變的封嚴曲面；其中，通過活動環塊的徑向移動，帶動封嚴組件進行移動，以調節封嚴曲面與位于固定外環的內側的葉片之間的間隙。該間隙控制系統包括該間隙控制機構以及使活動環塊徑向移動的驅動裝置。

技術領域

本發明涉及航空發動機、燃氣輪機技術領域，具體涉及一種渦輪機及其主動間隙控制方法、間隙控制系統和間隙控制機構。

背景技術

如圖1和圖2所示，傳統的航空發動機的渦輪機100包括冷卻管路1、渦輪機匣2、懸掛3、渦輪外環4和渦輪轉子5，圖中O方向為渦輪機100的軸向。渦輪外環4(如果有封嚴層，就是封嚴層底端)與渦輪轉子5的葉片6之間存在葉尖間隙7。如圖3所示，由于渦輪內部的各元件的表面壓力不一樣，以及在來自燃燒室外環腔的冷卻氣流(未圖示)的作用下，導致高溫燃氣從高壓區域流向低壓區域，來自壓力面61的葉尖區域內的流體沿葉尖間隙流入吸力面62，造成燃氣流泄漏，圖3中箭頭21表示渦輪機匣2的移動方向，箭頭22表示渦輪機100的軸線方向，箭頭23表示翼展方向，箭頭25表示泄露流，箭頭24表示近機匣第二氣流。

葉尖間隙對渦輪機的性能有較大影響，葉尖間隙每增加1％會導致渦輪機的效率下降1.5％，高壓渦輪的葉尖間隙每減少0.254mm可以使得燃油消耗率降低1％，且發動機排氣溫度降低10K，可以顯著提高發動機的壽命，此外氮氧化合物、一氧化碳以及二氧化碳的排放也大大降低。

在不同飛行狀態下，葉尖間隙的控制要求不同：在起飛階段，應留有足夠的間隙，以避免渦輪葉片由于離心力而突然形變伸長，與機匣發生碰摩；在巡航階段，應盡可能減小間隙，從而盡可能的減小泄漏流帶來的損失。因此，間隙控制技術的關鍵在于如何適應不同工況的變化，在不發生碰摩的前提下，盡可能的減小間隙。

如表1所示，現有的改變葉尖間隙的基本方式是通過位移、形變的方式，大致分為機械式、熱力式、液壓式、膨脹式。目前的間隙控制主要分三類：被動控制、半主動控制、主動控制。其中的被動控制主要分為封嚴層設計法和根據轉速開環控制空氣流路閥門開度的方法，其中如蜂窩封嚴已被廣泛使用，其作用在于渦輪葉片可通過刮磨封嚴層的方法防止葉尖的燃氣流泄漏。對于半主動控制來說，關鍵點在于通過建立一個準確的間隙模型計算出間隙的大小并通過開環控制空氣流路閥門開度從而間接控制間隙，其難點在于準確計算間隙。而主動間隙控制相對半主動間隙控制的主要區別在于引入了閉環反饋控制，在主動間隙控制領域內認可度比較高的方式是熱力式控制，具體來說就是通過設置引氣管路來控制冷卻氣流對機匣進行換熱，通過改變溫度從而改變渦輪機匣的膨脹量，以進一步調節間隙大小。

例如，申請人為中國航發商用航空發動機有限責任公司，公開號為CN108661723A的專利文獻公開了一種可以主動控制葉尖間隙的渦輪性能試驗件機匣結構，包括渦輪機匣、中層機匣以及渦輪外環，所述中層機匣由供氣管供氣，并由排氣管排氣，使得通過向所述中層機匣供熱氣或冷氣來改變所述中層機匣的溫度使得所述中層機匣熱脹或冷縮，所述中層機匣帶動掛在其上的所述渦輪外環徑向運動以改變葉尖間隙。然而，此類控制方法需要額外設計復雜的管路來控制熱氣或冷氣氣流，導致渦輪的結構復雜性和重量的增加。

表1葉尖間隙變化的實現方法