李长晖

摘要：叶尖间隙对航空发动机的效率、安全性、可靠性与寿命等方面均有着十分重要的影响。在航空发动机上应用主动间隙控制技术，能降低发动机排气温度和耗油率、提高发动机的稳定工作裕度、增加载重、提高航程、降低飞机全寿命周期费用，带来巨大的收益。本文主要介绍了国内外主动间隙控制技术的研究进展，分析了叶尖间隙影响因素，基于主动间隙控制原理确定了叶尖间隙对性能影响的试验验证方案，给出了主动间隙控制规律设计思路，为后续发动机主动间隙控制技术的研究提供理论依据。

关键词：航空发动机;主动间隙;控制技术

前言

航空发动机高压压气机和高低压涡轮的效率与其叶尖间隙大小的有着较大影响，存在发展上的制约。试验资料表明，若叶尖间隙与叶高之比上升1%，会导致压气机或涡轮效率下降约0.8%～1.2%，可造成整机排气温度有较大幅度上升;叶尖间隙的大小还会对航空发动机的耗油率产生重要的影响，叶尖间隙与叶高之比上升1%，会导致涡扇发动机的耗油率上升约2%～2.5%，而大涵道比涡扇发动机研制的初衷，就是通过增大涵道比，提高循环参数，从而降低耗油率，最终有效降低飞机全寿命周期的使用费用。基于以上原因，研究如何有效地在使用中控制叶尖间隙，保持压气机和涡轮转、静子之间有良好的间隙配合，对进一步提高航空发动机效率、降低耗油率和降低飞机全寿命使用费用有着极其重要的意义。

1国内外发展现状

1.1国外发动机发展现状

从20世纪70年代起，國际上如NASA Lewis研究中心、美国Wright空军实验室、美国通用电气公司、法国sNEcMA公司和CFM国际公司、英国RR公司、日本国家宇航实验室、德国BMW Rolls-Royce公司等相关研究机构均先后在叶尖间隙的相关领域开展了大量的设计分析与试验验证工作，这些工作主要集中在结构设计、数值分析方法、叶尖间隙测试技术、控制方法与控制系统设计研究、涡轮构件换热边界条件及温度场计算等方面。

GE公司从早期的CF6到CFM56直到最新的GEnx、LEAP-X等发动机均采用了传统的热气式主动间隙控制技术。改进的CF6发动机的主动间隙控制系统，使巡航耗油率下降0.7%，每架DC-10-10飞机年节省燃油30200～184000升。CFM56-3发动机由于采用了高压涡轮叶尖间隙主动控制系统，既避免了在加速或减速停车时因油门杆动作过猛造成的叶尖与机匣的相碰：又减小了爬升与巡航状态的叶尖间隙，改善了发动机的经济性。另外，由于在巡航状态时引温度较低的高压压气机第5级空气（比第9级约低180度）来冷却涡轮外环，比无主动控制叶尖间隙发动机通常直接采用第9级空气来冷却涡轮外环，径向叶尖间隙可减小约0.55mm，使涡轮效率约增加1.3%，可使巡航耗油率下降约0.9%。

1.2国内发动机发展现状

国内南航、北航都曾在国家航空科学基金的支持下做了一些基础性研究，部分科研院所也开展了相关方面的研究及试验验证工作，由于研究涉及的方面广，起步相对较晚，因此在能力上落后国外很多。

2叶尖间隙影响主要因素

影响叶尖间隙变化的因素很多，其中主要因素有以下几个方面：①温度及转速变化的影响;②转子振动的影响;③其他载荷的影响;④发动机使用时间的影响;⑤结构设计的影响;⑥加工和装配精度的影响。

3主动间隙控制原理研究

本文采用主动热间隙控制的方法进行控制规律设计，主动热控制是利用压气机和风扇中的气流，分别加热（使膨胀）或冷却（使收缩）高压涡轮叶冠扇形密封件支撑结构，来改变叶尖间隙。主动热控制是现代燃气涡轮发动机间隙控制的主要技术，但是由于它在低速时的热响应慢，所以在巡航期间，必须留有足够的间隙，以防止在油门急拉急推时发生碰磨。

本文将以大涵道比双转子涡扇发动机为例，进行高压涡轮主动间隙控制理论分析及试验验证，其中高压压气机共九级，分别由高压压气机五级及高压压气机九级进行主动间隙控制引气。

随发动机工作状态变化，调节主动间隙控制活门，实现主动间隙控制流路空气系统的三种引气方式：高压压气机五级引气、高压压气机九级引气、高压压气机五级和九级混合引气。

高压压气机五级引气——冷却空气引自高压压气机第五级转子后，流经高压气机机匣引气孔、控制活门进气管，进入控制活门五级引气控制碟阀前腔，经五级引气控制碟阀后进入控制活门内腔。

高压压气机九级引气——冷却空气引自燃烧室外环腔，流经燃烧室机匣引气孔、节流孔、九级引气管，进入控制活门九级引气控制碟阀前腔，经九级引气控制碟阀后进入控制活门内腔。

控制活门内腔的冷气流入控制活门出气管，流经燃烧室机匣外环上的两根分支管，分别经燃烧室机匣上的两个引气孔流入高压涡轮机匣集气环外腔。气流进入集气环外腔后经高压涡轮机匣集气环上的孔进入高压涡轮机匣集气环内腔，对高压涡轮机匣进行冷却，然后流入低压一导上缘板集气腔。

4主动间隙控制试验方案设计和主动间隙控制规律设计

4.1试验方案设计

为了满足航空发动机在不同使用条件下的性能，并保证使用安全，在理论研究的基础上，采用在地面台架进行整机试验的方法，设计主动间隙控制规律，假定发动机主动间隙的引气位置为九级引气和五级引气，试验方案如下：

阶段一：基础引气试验验证

选取不同的转速，分别进行九级、九五级、五级引气对比试验，测量出不同引气方式下高压涡轮转子叶尖间隙的大小，同时得出几种引气方式对发动机性能的影响趋势;

阶段二：优化验证

按照阶段一的方式，开展不同引气流量对高压涡轮转子叶尖间隙和发动机性能影响的试验验证。

4.2控制规律设计思路

主动间隙控制规律的设计主要是基于理论分析及试验结果，在保证安全的前提下尽可能提高经济性。

同时在设计中还要考虑以下两方面因素：

（1）要充分考虑不同环境条件可能带来的影响，例如环境温度、大气湿度等;

（2）地面台架试车验证的结果不完全适用于空中飞行，设计控制规律时首要保证安全性，其次考虑性能方面的因素。

5结束语

本文详细论述了主动间隙控制的目的和意义，明确了影响叶尖间隙的主要因素，基于主动间隙控制原理，制定了相关试验方案，提出了控制规律设计思路，该成果可应用于后续航空发动机及燃气轮机主动间隙控制规律设计。