发动机主动间隙控制系统的应用及发展趋势

常智勇，曲 胜，黎 旭

（1．海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，沈阳110015；2．中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

0 引言

当前，对于主流航空发动机厂商和用户而言，都面临一系列的技术挑战，特别是对于现代的民用发动机，要求满足性能及操作性、安全性、经济性、噪声与排放等实际要求[1]。因此，航空发动机设计和研究部门进行了大量研究，主要目的是提高发动机效率，延长其使用寿命，降低噪声和排放。对于轴流式航空发动机，涡轮叶栅内存在的复杂的3维、黏性非稳定流动产生气动损失，显著影响发动机效率[2]。因为，3维效应和离心力的作用，在燃气流道中产生二次流，导致涡轮转子叶片的缘板和叶尖位置生成马蹄形涡。又由于转子叶片的叶尖和静止的涡轮外环之间存在间隙，在转子叶片的压力面和吸力面存在较大的压差，导致叶尖存在明显的燃气泄漏。上述现象均显著降低涡轮及整机效率。根据报道，叶尖间隙增加1%会导致涡轮效率下降1.5%[3]。Wise-man等人(2001)证实，高压涡轮间隙每减少0.254mm可以使得燃油消耗率（SFC）降低1%，并且发动机排气温度降低10K，显著提高发动机寿命，此外，对减少NOx，CO以及CO2的排放的作用也相当可观[4]。Kawecki（1979）认为改善高压涡轮转子叶尖间隙可以降低发动机寿命期使用成本[5]。合理控制叶尖间隙能带来巨大的经济收益，因此，各种间隙控制技术，尤其是主动间隙控制（ACC）技术被视为航空发动机的关键技术，国内外航空发动机研究和设计机构投入大量资源对其进行研究。

本文研究了主动间隙控制系统的控制方法及其技术特点，探讨了主动间隙控制技术的关键技术和发展方向。

1 叶尖间隙的变化机理

叶尖间隙的影响因素很多，在发动机加工和装配精度初始状态下决定了其冷态间隙。在1个飞行起落中，发动机处于不同的工作状态，如转速、大气温度、涡轮进口温度和压比等，发动机转子的叶尖间隙也随之发生变化。这些瞬态工作点包括起飞、减速、再加速和着陆等。

1种全新的发动机需要设计出适当的叶尖间隙，保证起动时转子能正常转动。飞行起落内涡轮叶尖间隙变化情况如图1所示。在起飞点需要发动机达到最大状态，产生最大推力，在起飞过程中，转子的叶尖间隙急剧减小，并达到1个最小间隙点。在起动过程中，高温燃气对转子叶片和涡轮盘加热，同时转子受到增大的离心力作用，转子迅速膨胀；但是静止件包括涡轮外环和机匣膨胀的速度要慢得多，因此，叶尖间隙迅速减小，并且有可能导致转子和静子部件发生碰摩。在此之后，转子继续膨胀并最终达到稳定状态，机匣持续膨胀，使得叶尖间隙开始增大。在巡航状态，作用在转子和机匣上的热负荷和机械载荷基本不变，二者的膨胀达到平衡状态，因此，叶尖间隙基本保持不变。与此类似，当发动机进入减速或者再加速等瞬态历程时，可能产生另1个“最小间隙点”。

图1 飞行起落内涡轮叶尖间隙变化情况[6]

均匀的发动机载荷，包括离心载荷、热载荷和气动载荷作用在静子和转子上，可以使其产生均匀的径向变形（如图2（a）所示），其中离心载荷和热载荷影响发动机的最大径向间隙变化。热载荷会使得转子和静子膨胀或者收缩，并且存在受热不均匀的现象，因此，热载荷会同时带来对称间隙变化和非对称间隙变化（如图2（b）所示）。

图2 2种叶尖间隙变化

通常，发动机在飞机上的安装位置并不是其中心线，如图3（a）所示，气动力和推力产生1个作用在机匣上的合成力矩，使得静子相对转子发生弯曲，如图（3）b所示。Olsson和Martin对JT9D的研究表明，在空中起动过程中，转速增加和燃气加热转子叶片和轮盘的作用带来最大的间隙变化。除此之外，实际的叶尖间隙受发动机载荷（包括离心力、热、发动机内部压力和推力载荷）和飞行载荷（包括惯性力、气动力（外部压力）和回转载荷等）的共同作用，由此带来对称和非对称的间隙变化。

图3 飞行过程中的非对称间隙变化[6]

除此之外，转子叶片和机匣的加工工装和装配精度对叶尖间隙也有一定的影响，但影响较小，可以通过合理设计转轴和轴承位置及轴承间隙、控制叶尖高度和机匣圆心度、提高装配的同心度和不平衡量来尽量减小生产对间隙的影响。

2 主动间隙控制及其分类

为了减小由于不恰当的叶尖间隙带来的性能损失，发展出各种间隙控制技术，使得在整个飞行包线内保持较小的叶尖间隙，提高发动机效率并降低SFC。间隙控制的方法主要分为被动间隙控制PCC和主动间隙控制ACC。

被动间隙控制是1种不随发动机工作状况调节的间隙控制技术，通过匹配转子和静子的瞬态膨胀或收缩，在叶片气动设计阶段广为使用。被动间隙控制选取最严苛的瞬态状态（如起飞等状态）为设计间隙，通过采用减小装配间隙、双层机匣和低膨胀系数材料机匣、使用耐磨涂层来减小叶尖磨损等措施，减小发动机工作中的叶尖间隙。因此，其主要缺点是间隙设定只满足最严苛的瞬态状态，而在1个飞行起落中占用时间最久的是巡航状态，对于这种稳定状态而言，叶尖间隙太大，显著影响整机效率和SFC。

20世纪70年代末以来，欧美主流发动机厂商开始用主动间隙控制来获得更好的整机效率，如早期使用的E3，JT9D-70/59，以及CF6发动机[8-10]。目前，主动间隙控制系统已经在民用发动机和工业燃气轮机上广为使用，在发动机工作过程中控制叶尖间隙保持最小值，同时又保证在整个发动机飞行包线内叶尖和涡轮外环不会发生碰摩。根据其控制方法，主动间隙控制系统可以分为主动热控制、主动机械控制和主动压力控制3类。

2.1 主动热控制系统

主动热控制系统目前已被发动机厂商广泛采用。E3发动机采用的主用热间隙控制系统如图4所示，其工作原理是在发动机工作过程中，利用从压气机或风扇中抽取的冷气对涡轮机匣及涡轮外环支撑进行冲击冷却，通过控制冷却空气的流量和温度，改变高压涡轮机匣热膨胀量，进而控制其径向位移，获得预期的叶尖间隙。JT9D、CFM56、PW4000、V2500、GE90等发动机都采用了主动热控制系统。

图4 E3发动机主动热间隙控制系统[8]

主动热间隙存在1个主要缺点，即间隙控制系统的热响应速度较慢，并不适合整个飞行包线。虽然瞬态时主动热间隙控制系统的效果不太明显，但是在1个飞行起落中的大部分时间，即巡航状态，热控制系统能够有效减小叶尖间隙，从而提高发动机效率，降低SFC。

2.2 主动机械控制系统

在主动机械控制系统（如图5所示）中，不同的发动机载荷下通过使用一系列机械装置调整叶尖间隙。在机匣和涡轮外环间安装驱动轴，通过水压式、电-机械式、电磁式等驱动方法在径向移动外环位置，从而实现叶尖间隙变化。

图5 主动机械控制系统[11]

主动机械控制的优点是不需要从发动机引气，不会降低发动机性能，并且能够快速响应。但是主动机械控制系统的结构比较复杂，增加了发动机的质量，更加困难的是，机械装置必须在较高的温度下长期运行，这是该系统必须解决的问题。主动机械控制系统已在RB211系列发动机上采用。

2.3 主动压力控制系统

主动压力控制使用压气机引气来实现对叶尖间隙的控制，其利用压气机引气与叶尖位置燃气间的压差使涡轮外环产生径向位移。因此，主动压力控制系统对压力的变化非常敏感，并且承受高周疲劳作用。进行间隙控制时需要从压气机大量引气，而这些引气没有作功能力，因此，在某种程度上降低发动机效率。Böck(2010)提出1项主动压力控制系统的专利，如图6所示，利用压力腔和外部的压力差来改变叶尖间隙。

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3 主动间隙控制的优点

图6 主动压力控制系统[12]

主动间隙控制使发动机能够在最优的叶尖间隙下运行，因此，能够显著改善涡轮效率并提高整机效率，并允许发动机在较低的涡轮进口温度下运行，即可以较少燃油消耗。由此，涡轮部件可以在较低的进口温度和排气温度下工作，可以明显改善热端部件的蠕变寿命，对于用户而言，大大降低了维修成本。

3.1 减少燃油消耗

燃油消耗（SFC）是飞行机队或者燃机机组最大的成本支出。SFC和发动机效率和涡轮效率直接相关，也和涡轮叶尖间隙紧密相关。

在使用主动间隙控制系统对CF6发动机进行效率提升后，Rich等(1982)对CF6的燃油消耗情况进行估算。高压涡轮在进行主动间隙控制后，第1、2级高压涡轮转子的间隙分别是0.15mm和0.10mm，很大程度上改善了发动机性能，并且使得SFC下降0.7%。对于3700km航程的飞机来说，1年内可以使用184000L燃油（节省0.58%），对于整个机队而言收益是巨大的[13]。

3.2 降低排放

主动控制系统有效改善了整机效率，降低燃油消耗，因此，也降低了排放。

Ruiz等人(2009)介绍GE90发动机高压涡轮由于采用主动间隙控制，降低0.95%的SFC，排放也降低1%，特别是NOX和CO排放分别降低约10%和16%[11]。

3.3 降低维修成本

由于叶尖间隙得到优化，发动机可以在更高的循环效率和更低的温度下运行，必然会延缓热端部件由于热疲劳和蠕变造成的故障时间。普遍认为，涡轮前温度提高10℃会使涡轮叶片寿命减少一半，热端部件的失效概率会相应减小。从而，增加发动机的在役时间，使发动机的整个服役周期可以降低大量的维修成本。

4 关键技术

4.1 叶尖间隙分析技术

叶尖区域由于存在复杂的流动和换热现象，并且在使用过程中存在变形，因此，精确的叶尖间隙分析技术是进行间隙控制的基础。

郭淑芬和徐波等就温度与转速对涡轮叶尖间隙的影响进行了研究[14]，Mayle和Metzger认为旋转对叶尖换热和总压损失影响并不明显[15]，王宝官和李玲等进行了传热对叶尖间隙影响的研究，给出了转子伸长量和机匣膨胀量的计算方法[16]。此外，过渡态叶尖区域的流动、换热、叶尖位置及涡轮外环的温度场计算分析及变形分析也需要进行深入研究。使用气－固－热耦合分析方法可以对叶尖间隙进行数值模拟，但是目前该方法缺乏进一步有效验证。

4.2 叶尖间隙测量技术

叶尖间隙测量是实现主动间隙控制，验证控制系统设计的重要手段。在整个飞行包线内，飞行载荷以及发动机载荷的共同作用，在叶尖产生对称间隙和非对称间隙，并且在瞬态过程中间隙随时间变化。因此，需要借助于叶尖间隙测量，对发动使用过程中的间隙包括最小间隙进行实时测量。基于测试数据确定发动机使用中的有效间隙，设计主动间隙控制规律，并对间隙控制系统进行试验验证。

由于发动机在高转速、高温高压条件下进行运转，叶尖间隙测量的传感器，要求满足长期稳定工作、快速实时响应，存在很大的考验。目前主要有电容法、探针法和电涡流法对叶尖间隙进行测量。

4.3 控制系统设计技术

根据具体的控制方法，主动间隙控制系统主要可以分为开/关式、模型式和反馈式控制系统3类。开/关式控制规律比较简单，只能在1个工作点进行有效优化控制，这种控制方法目前在发动机上广泛使用，主要用于对巡航点的叶尖间隙进行控制，有效降低燃油油耗。模型式控制通过测量发动机状态参数，如转速、温度、压力等，通过模型来估算间隙，这种控制方法可以对多状态的叶尖间隙进行控制。反馈式控制需要在发动机上实时对叶尖间隙进行测量，要求间隙测量传感器均有很高的精确性和可靠性。

控制系统需要对控制规律、执行机构进行合理设计，对执行机构作用力的来源，包括压力机引气、压力装置和机械传动机构进行有效管理，实现预期的叶尖间隙控制。

此外，控制系统还需要包含容错设计。在主动间隙控制系统过程中，如果间隙不合适，可能造成涡轮外环或者转子发生故障甚至危及发动机安全。因此，需要对采用传感器和执行装置冗余设计、主动间隙控制系统健康管理等技术手段。

5 主动间隙控制的发展趋势

5.1 快速响应的主动间隙控制系统

在PROPULSION21计划框架下，NASA格林研究中心和GE公司针对快速响应的主动间隙控制系统独立展开研究。

Lattime等(2003)在试验器上验证了快速响应的主动机械控制系统的概念[17-18]。快速响应的机械控制系统如图7所示，该系统包括2个模块：实时控制模块和试验器。实时控制模块包含1个时域变化的发动机参数的动态模型和相关控制规律。试验器包含封严外环、间隙传感器、位移执行机构等。在使用中，控制模块根据发动机状态，利用动态模型计算转静子之间的间隙，并计算理论值和实测间隙的差值。控制系统利用差值计算出新的执行机构位移点，在试验器上利用传动杆实现外环块的径向位移，使用传感器测定外环块的位移量，并将其反馈至控制系统，实现闭环控制。

图7 NASA主动机械控制系统[18]

与此同时，GE公司致力于使用热控制的方法，实现快速响应的主动间隙控制[19]。如图8所示，使用高压压气机引气对机匣加热或冷却，由于压力较高，并且流量较大，气流作用到机匣上可以有更高的对流换热系数。研究表明：这种热控制系统能够加快机匣温度响应，使机匣的变形速率能够与涡轮盘和叶片的变形相匹配。此外，用于加热或冷却的压气机引气可以再次用于涡轮叶片引气，从而相对减小冷气用量，有利于改善整机性能。

图8 快速响应主动热间隙控制系统[19]

5.2 采用记忆合金的主动间隙控制系统

高温记忆合金（HTSMA）是由NASA格林研究中心研发的1种材料，可以产生复杂变形，在加热时自动恢复原始形状。HTSMA能承受500℃的高温，因此可用于主动间隙控制系统中的位移执行机构。1种使用HTSMA的主动间隙控制系统如图9所示，HTSMA被制成线圈，可以带动传动杆在径向移动涡轮外环，从而实现增大或减小叶尖间隙的目的。

图9 采用高温记忆合金的主动间隙控制[20]

HTSMA控制系统的主要优点是机构比较轻巧，并且只用少量引气就能达到控制的目的。

6 结束语

主动间隙控制系统是现代航空发动机，特别是民用发动机的基本标志和关键技术之一，能够有效改善发动机性能，降低燃油消耗，减少排放，降低维修成本，具有巨大的经济效益。目前欧美主流发动机厂商针对主动间隙控制展开大量研究，并且在发动机上广泛应用。本文对主动间隙控制的机理进行介绍，对当前主动间隙控制系统的应用进行了综述，认为需要从叶尖间隙分析和测量、控制系统设计等方面开展主动间隙控制系统的关键技术研究。国内研究机构可以在基础上学习借鉴，开展自主的主动间隙控制系统设计和改进。

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