航空发动机涡轮叶尖间隙控制方式研究
1.
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150000
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空装驻哈尔滨地区第二军事代表室 黑龙江哈尔滨 涡轮发动机150000
摘要：航空发动机是以空气为工质，将热能转化成机械能的热力机械，工质空气充满其中；发动机中存在大量转、静子间间隙，流动性很好空气，极易通过间隙泄漏，间隙控制是先进发动机设计关键技术之一。本文主要对航空发动机涡轮叶尖间隙的控制方式进行介绍，并对影响涡轮叶尖间隙的因素进行分析。
关键字：航空发动机 涡轮叶尖间隙 控制方式 影响因素
1.绪论
在涡轮部件的内部，旋转的动叶叶尖与静止的机匣之间必然存在径向间隙，间隙两侧的压差使主流中的一部分流体从压力面经过叶尖间隙流向吸力面，即形成叶尖泄漏流动。在粘性的作用下，泄漏流在吸力面附近与主流掺混并卷起形成泄漏涡。低压涡轮动叶叶尖一般带冠，能有效抑制泄漏流和泄漏涡的强度，但叶冠内部的流动非常复杂，并且，从叶冠泄漏的气流流量虽然较小，但仍会与主流之间发生显著的相互作用，在某些情况下甚至可能使流动损失增大。因此，单纯从结构强度的角度进行叶冠设计是不够合理的，进行气动-结构的一体化设计有利于充分利用叶片带冠的气动优势。由于高温、高转速的工作环境，高压涡轮一般不带冠，叶尖泄漏的强度往往很大，也是高压涡轮内部非常关键的二次流流动结构，其引起的流动损失可能占叶片排总损失的30%甚至更高。叶尖间隙的存在对于涡轮气动性能的影响主要表现在以下几个方面：使涡轮尖部气流做功减小；引起通道中流动堵塞；与主流作用导致掺混损失增大；导致下游叶片排进口气流角分布不均匀。
叶尖泄漏流动主要受叶尖吸压力面压差（即负荷分布）、叶尖间隙尺寸和几何、机匣边界层、机匣与叶片之间的相对运动等因素的影响，增大叶尖间隙的高度，泄漏流量将增大，泄漏涡的尺寸和强度将增加，从而叶尖泄漏损失增大。当叶尖间隙较大时，间隙内壁面边界层厚度相对较小，此时黏性影响在叶尖泄漏流动中可以忽略。泄漏流经过叶尖间隙的同时，有
可能在叶片尖部产生分离泡，它使得间隙内部靠近压力面处出现收缩—扩张的流道形式。研究表明，当叶片厚度达到4~6倍间隙高度之后，泄漏流会在叶尖靠近压力面处形成相对较小的闭式分离泡，泄漏流在间隙内部已经掺混完毕，静压和损失随之增大；当叶片厚度足够小时，分离将不会再附于叶尖表面，叶尖处静压得不到恢复。
在涡轮中，由于机匣壁相对于叶片的运动方向与叶尖射流的方向相反，机匣与叶片的相对运动会导致泄漏流量减小，泄漏涡减弱，从而减小了叶尖泄漏损失；但是对于机匣通道涡来说，机匣的相对运动使得通道涡增强，泄漏涡和通道涡都更加靠近叶片吸力面；另外，机匣与叶片的相对运动有可能引起机匣边界层与叶尖出流发生强烈剪切，进而形成与泄漏涡旋转方向相反的刮削涡。
图1 叶尖损失形式
2.涡轮叶尖间隙控制的意义
叶尖区域的流动异常复杂，间隙泄漏流动在叶片通道内以各种涡的形式存在，并和叶片附面层、通道涡相互影响，对叶栅通道内20%～30%区域的流动产生影响；所导致的端区损失占总损失的60%～70%，先进发动机尤甚。
叶尖间隙变大会导致涡轮效率的降低，理论分析表明：叶尖间隙每增大叶高的1％，涡轮效率下降约1.5%。英国RR公司对现代燃气涡轮发动机研究表明，如果将叶尖间隙每增加叶片长度的1%，效率就会降低1.5%；而效率每降低1%，耗油率增加2%，同时也会造成发动机推力的下降。
图2 叶尖间隙对效率影响关系图
叶尖换热系数值很高，增大叶尖间隙使换热增强；叶尖尺寸小，难以组织有效冷却；增大叶尖间隙易使叶尖发生烧蚀、掉块故障。
图3 叶尖间隙对叶尖温度影响 图4 涡轮叶尖烧蚀
而减小涡轮叶尖间隙虽然会减小叶尖损失，提高涡轮效率，但会导致转静子碰磨，不但会造成发动机振动的增加，严重的会造成涡轮叶片报废，产生较大损失。
3.间隙的设计与控制技术
3.1低压转子设置偏心衬套
大涵道比发动机直径增大，带来重量增大，低压转子相对于小涵道比发动机更易产生由重力造成的挠曲变形。在低压转子后支点设置偏心衬套结构，使低压转子存在一定量的向上偏心，以改善重量载荷造成的转子挠曲变形和支点下沉，避免低压转子不同心对高压转子叶尖间隙的影响。
图5 偏心衬套结构
3.2斜支板后机匣
斜支板后机匣指的是指连接内外环的支板沿周向倾斜，支板中心线不通过内外环圆心，而是
成一定夹角，当内外环变形量不协调时，可以通过内外环周向位移来释放一部分应力，保证了转、静子的同心度，减小了高涡转子叶片叶尖间隙。
当机匣外壳温度场不均时，径向支板的变化使轴承座发生径向移动，切向支板则只引起轴承座的转动，变形更加协调。
图6 直支板后机匣 图7 斜支板后机匣
图8 后机匣变形示意图
3.3偏心涡外环
低压转子在重力作用下产生弯曲变形，同时带来转子下沉，易导致高压转子叶尖间隙“上大下小”。此外，在气动载荷、推力载荷和热载荷共同作用下，高压涡轮叶尖间隙下部减小、顶部增加，产生“脊骨弯曲”现象。为了保持高压转子叶尖间隙的均匀性，避免发生碰磨，采用偏心高压涡轮外环块，用以补偿低压转子下沉和“脊骨弯曲”带来的间隙不均匀。
图9 偏心涡轮外环示意图
3.4滚珠滚棒双轴承并列设计
滚珠/滚棒并用的高压转子前支点如图示。采用滚珠、滚棒两轴承并列设计时，滚珠轴承支承于弹性支座中，不承受径向负荷，仅承受轴向负荷; 滚棒轴承支承于刚性支座中，承受全部径向负荷。由于滚棒轴承游隙远远小于滚珠轴承，因此能够限制转子转动时轴线的位置，提高转子同心度，进而可以保持工作叶片叶尖与机匣间间隙均匀。
图10 并列轴承示意
3.5主动间隙热控制系统
主动热控制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件进行冲击冷却，通过控制冷却空气的流量和温度，改变涡轮机匣热膨胀量，进而控制其径向位移，使转子叶片与涡轮外环之间的间隙达到预期值。
图11 主动间隙控制示意
3.6外环块V型槽设计
间隙控制设计的目标是使发动机在所有工作状态下将转子和机匣之间的径向间隙保持最小，
且在正常飞行条件下不发生摩擦。实际工程中碰磨几乎无法避免。控制碰磨危害也是间隙设计之一。通过设计外环块V型槽可以加快叶尖和外环的磨损，减小振动；也可以减小粘连面积，同时利用转子轴向的窜动去除粘连。
图12 V型槽涡轮外环
4.叶尖间隙的封严技术
4.1叶尖间隙封严方式介绍
为了把叶尖泄漏降低，涡轮每级叶片排都要采用外壁封严装置，在这种设计中，工作叶片是转动的，而叶片上面的环面或叫“磨道”是静止不动的。为了减少二次流的损失，必须保持叶尖最佳间隙。为了保证发动机在主要工作状态下间隙最佳，在其他状态时又不产生摩擦，因此对间隙进行控制是十分必要的。通常提到的间隙控制主要是指主流道中高、低压涡轮的叶尖径向间隙控制。根据控制原理的不同，间隙控制种类可分为主动间隙控制和被动间隙控制两大类。所谓主动间隙控制是靠发动机的主调节系统控制机匣的径向位移，主动控制叶尖间隙使之达到最佳，被动间隙控制则不需要与主调节器联系，叶尖间隙的变化是被动地跟随发动机的工作状态而变化，不能对它施加人为影响。