冷却或加热定子或转子元件端部间隙调节专利技术综述

翟灵慧　张祥

摘 要：本文首先对选择地冷却或加热定子或转子元件从而调节端部间隙的技术分支进行简要介绍，然后对转子叶尖与定子之间间隙调节的技术发展路线进行梳理，并重点针对定子的加热和冷却方式进行了分析，并对申请量最大的申请人通用公司在有选择地冷却或加热定子或转子元件从而调节端部间隙的专利发展趋势、构成以及主要研究方向进行分析。

关键词：叶尖；定子；间隙；加热；冷却；控制

中图分类号：TM307 文献标识码：A

叶轮机械中，转子叶片在壳体内部并相对于壳体转动，为了避免转子叶片在转动时与壳体之间碰摩，转子叶片顶部和壳体径向内表面之间通常留有间隙。该间隙是燃气轮机的关键参数，对燃气轮机的性能、可靠性、安全性都有至关重要的影响。由于涡轮叶片和定子的膨胀效应不同，发动机在不同的工作状态下，涡轮叶尖和定子之间的间隙也会随之改变。如果间隙增大，则因为炽热气体从间隙逸出，涡轮的效率下降。如果间隙太小，则桨叶、护环及其他部件的热学性质会导致桨叶与护环摩擦。因此，为了防止由于间隙改变而带来的不利效果，控制涡轮叶尖间隙，保持发动机转子、定子之间良好的间隙配合，是必不可少的。

由于叶尖间隙对涡轮性能影响明显，各国从20世纪50年代开始在涡轮转子叶尖间隙泄漏流动的生成及发展过程、流动结构、损失机理等方面开展了广泛的研究，逐步揭示了涡轮转子叶尖间隙泄漏流动以及损失机理，并在此基础上进一步进行端部间隙的控制研究，采取主动间隙控制或自调节装置等，对转子叶尖和定子之间端部间隙进行调整，提高涡轮性能。

一、端部间隙调节技术概况

目前，对转子叶尖与定子之间的间隙调节的方式主要有以下四种：利通过自调节装置，利用带有预定热反应的定子或转子元件；用机械方式驱动定子或转子；有选择地冷却或加热定子或转子元件；本文将对有选择地冷却或加热定子或转子元件这一端部间隙调节方式进行分析研究。

二、端部间隙调节专利技术分析

1.全球申请量分析

总的申请趋势呈现出不断波动的状态，2004年前，每年的申请量大多在10个以下，为相对低谷期；在2004年之后，每年的申请量由10左右增长为25个左右，为快速发展期。申请量最大的密封方式为冷却定子方法，其次为加热定子。

2.申请人分析

根据申请人的申請量排名，在该领域申请量最大的公司为通用公司（此处通用公司包括通用电气公司和通用汽车公司），其次为斯奈克玛公司、联合工艺公司、劳斯莱斯公司、西门子公司、MOTU、三菱重工业，这些申请人在该领域也具有较多的研究。

根据申请人的国别，以美国居首，其申请量占总申请量的53.68%，其次是法国，占比22.06%，英国12%，英国9.93%，德国7.72%，日本3.31%，俄罗斯3.31%。由于转子叶尖与定子之间的间隙调整主要应用在燃气涡轮发动机上，尤其是飞机的燃气涡轮发动机上，以上占比主要与这些国家对于涡轮发动机的发展状况及研究量相关。

通用、斯奈克玛这两个公司从1988年至今在该领域的研究始终没有中断，而联合工艺公司和RORO则是在1997年之后保持持续研究；另外，通用公司虽然在该领域申请量最大，但从1991年之前的申请情况来看，申请量最大的申请人为联合工艺公司，1991年之后，通用的申请量才逐年增长，可见，联合工艺公司在早期对该领域投入了大量的研究。

3.主要申请人——通用公司重点技术分析

通用公司作为该领域申请量最大的主要申请人，在1957年就提出了涂层密封这种应用最为广泛的密封形式，可见在转子叶尖与定子之间利用磨损带的间隙密封领域历经了近60年的研究历程。从研究伊始到1990年，通用公司的申请量处于平稳状态，到了2004年之后，申请量呈现出明显的增长，2010年之后，申请量呈现出快速的增长，进入了高峰期。从研究方向的侧重点来看，其主要针对冷却定子的方式调节端部间隙进行研究，并且随着时间的发展，总是冷却定子的方式要多于加热定子的方式。从通用公司历年来的申请涉及的主要端部间隙调节的申请量可以发现，通用公司主要研究的通过冷却定子来调节端部间隙，对加热定子的研究也较多，对加热转子的研究最少。下文也主要针对对定子的加热或冷却从而实现端部间隙调节的方式进行发展脉络的分析。

4.发展脉络

1945年，英国POWER JETS RES & DEV LTD公司提出了通过仅对涡轮壳体和进行冷却从而调节转子和定子的端部间隙，其在涡轮外壳设置冷却空气通道，冷却空气来自压缩机或者其他热源；在1959年之后出现一些美国和英国的个人申请，也都是通过对涡轮的壳体等进行冷却从而调节端部间隙：1975年，联合工艺公司提出从风扇中抽取冷气却对涡轮机匣进行；1976年通用电气公司提出从压气机抽取冷气却对涡轮的外环支撑件进行冷却，其中加入了传感器和控制阀门来实现对冷却空气的控制；1981年，联合工艺公司提出在不同的工况下对机匣进行冷却或加热，从而使间隙增大或减小，是在机匣外设置冷却管，采用冲击冷却方式：之后的几年的研究，主要是在改善冷却效果方面，1986年，慕尼黑发动机及涡轮机联合股份公司提出采用双机匣的对流换热方式来增强冷却效果，从而实现对机匣的冷却，从而调节端部间隙；1988年联合工艺公司提出通过增加机匣冷却管的截面积来增强冷却效果，从而调节端部间隙；1997年，法国的国家航空发动机研究制造公司，为了解决外壳受热不均匀的问题，提出一种用于加热或冷却外壳以调节其直径，尤其是调节转子叶片与该外壳之间之间隙的装置；2000年之后对端部间隙的调节的研究主要致力于保证加热的均匀性以及在引位置上的细小改进，相对于20世纪的研究，还提出了采用电加热的方法来加热或冷却定子。

国内自20世纪90年代末期开始主动间隙控制技术的相关研究工作，主要在高校开展了一些计算分析工作，北京航空航天大学的郭淑芬和徐波等人就温度与转速对涡轮叶尖间隙的影响进行了研究。王宝官和李玲等人进行了传热对叶尖间隙影响的研究，分别给出了转子伸长量和机匣膨胀量的计算方法。南京航空航天大学的陈伟教授研究小组，一直致力于涡轮叶尖间隙数值分析方法的研究。近几年来，随着民用大涵道比涡扇发动机设计工作的开展，国内主要的发动机设计院所开始进行主动间隙控制技术的研究，在探索自主设计涡轮主动间隙控制系统的道路取得了进展，突破了部分关键设计技术，通过计算分析和试验，正逐步建立起自己的设计方法。

通过对以上的发展脉络的梳理，可以看出，国外对于转子叶尖与定子之间通过加热或冷却定子从而调节端部间隙领域的研究开展的早，且针对结构、方式、不同工况下的间隙调节均展开了深入的研究；相比之下，国内在这一领域的研究十分少，由国内申请人申请的专利量不足30篇。

结语

主动间隙控制技术是民用先进大涵道比涡扇发动机设计的关键技术之一，对降低发动机的耗油率，提高性能、寿命和可靠性的具有重要的作用。目前，国内相关研究工作已启动，已经完成或正在开展的试验包括机匣冲击换热试验、冷却管路流阻与流量分配试验、涡轮盘腔流动换热试验、典型环境下全尺寸含间隙控制冷却系统的高压涡轮机匣组件温度分布与径向位移测量试验等。

参考文献

[1]曾军，等.民用航空发动机涡轮叶尖间隙主动控制技术分析[J].航空科学技术，2012（2）：1-6.

[2] 顾伟等.民用航空涡扇发动机涡轮叶尖间隙控制技术综述[J].燃气轮机技术，2013，26（1）：1-4.endprint