第２６卷第１期 ２０１３年３月 《燃气轮机技术》 Ｖ０ｌ＿２６ Ｎｏ．１ ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ｒＥＣＨＮｏＬｏＧＹ Ｍａｒ．，２０１３ 民用航空涡扇发动机涡轮叶尖间隙控制技术综述 顾 伟，乔剑，陈 潇，刘玉芳 （中航商用航空发动机有限责任公司，上海２００２４１） 摘要：由于涡轮机匣和转子变形的不协调，需要对涡轮进行叶尖间隙控制，通过此技术可降低耗油率０．８％ 以上。本文针对民用航空发动机的涡轮叶尖间隙控制技术进行了介绍，包括其原理、分类、研究和应用现状 以及发展趋势。重点介绍热力式涡轮叶尖间隙控制的研究和应用现状。结论认为，应在民用航空发动机研 制中大力进行叶尖间隙控制技术的研究。 关键词：涡轮；民用；叶尖间隙控制 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—２８８９（２０１３）０１—０００１—０４ 中图分类号：ＴＫ４７３ 主动间隙控制技术是现代先进民用航空发动机 技术的代表之一。涡轮叶尖同静子机匣之间存在一 定间隙，在叶片压力面和吸力面之间存在的压差作 １叶尖间隙模型分析 涡轮盘和叶片受到转动离心力和热等因素影响 用下，燃气会产生泄漏，从而降低发动机的工作效 率，增加油耗。由于涡轮叶片和机匣的膨胀响应不 同，发动机在不同的工作状态下，涡轮叶尖和机匣之 间的间隙也随之改变。叶尖间隙过小又会导致叶片 和机匣之间产生摩擦，降低发动机的工作寿命。 为了防止由于叶尖间隙改变而带来的不利效 果，控制涡轮机匣的热膨胀是必不可少的。这个目 而发生变形，而静子机匣变形受热、压差等因素的影 响，转静子之间的变形在发动机不同的状态点，特别 是瞬态情况下存在着变形不协调的情况。因此，涡 轮的叶尖间隙在整个设计任务循环内有着较大的变 化。图１定性地给出了一个典型的设计任务循环内 涡轮叶尖间隙的变化情况。 当发动机由地面慢车变化至起飞状态时，此时由 的是通过具有变化的冷却效果的冷却系统——主动 间隙控制系统（Ａｃｔｉｖｅ Ｃｌｅａｒａｎｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ，ＡＣＣ）来实 现的。冷却介质是从高压压气机或者从外涵道引的 于转速突然上升，盘和叶片的离心变形瞬间增大；而 静子机匣由于热容的效应而尚未到达最高温度，热变 形的响应非常小。即在起飞开始后瞬间，发动机的转 子由于转速原因突然伸长，而静子基本没有伸长，涡 轮叶尖间隙突然变小，从而存在一个间隙极小值。 空气。冷却涡轮机匣通过一个逻辑控制系统保证发 动机工作中保持最佳的叶尖间隙。通过主动间隙控 制，发动机工作效率提高，耗油率降低。 通过主动间隙控制带来的发动机性能提升的收 益是巨大的，评估认为，涡轮间隙每减小０．２５ ｍｍ， 耗油率ＳＦＣ可减小０．８％～１％ ；美国ＧＥ公司的 研究认为 ，高压涡轮一级间隙减小０．５３ ｍｍ，二级 间隙减小０．６９ ｍｍ，级问间隙减小０．３３ ｍｍ，ＳＦＣ降 低１．２２％。由于主动间隙控制技术所能带来的巨 大的收益，国外几乎所有的现役民用航空发动机都 采用了此项技术，我国发展大涵道比航空发动机，也 必须突破此关键技术。 图１ 航空涡扇发动机设计任务循环内叶尖间隙变化 收稿日期：２０１２—０８—２２改稿日期：２０１２—０９—１２ ２ 燃气轮机技术 第２６卷 随着涡轮机匣逐渐受热膨胀，上述叶尖间隙逐 渐变大，在爬升、巡航以及空中慢车阶段间隙略有变 化，但是由于瞬态过程不剧烈，因此变化较小。 被动间隙控制指同样通过冷却气对涡轮机匣进 行冷却，但是不对冷却气的流量进行控制。因此，该 项技术对性能提升贡献有限。被动式间隙控制技术 当发动机由慢车状态突然增大至反推时，由于涡 轮机匣热容较小，在前期的慢车过程中机匣已经被冷 却；而涡轮盘热容极大，尚未被完全冷却；而转速在反 在ＣＦＭ５６—３型低压涡轮等发动机中应用。 机械式间隙控制技术利用某些复杂的机械结 构，通过执行器控制机匣平移，以调整叶尖间隙。这 推时突然上升。上述三个原因的叠加，导致反推瞬态 时，涡轮叶尖间隙可能比起飞开始瞬间更小。 上述间隙变化情况都是需要在进行叶尖间隙控 制时首先考虑和分析的。通常进行的间隙控制，是 在爬升和巡航点对机匣进行可控的冷却，以减小此 时的间隙；但是也有发动机在上述间隙较小的点对 机匣进行加热，如ＣＦＭ５６系列。 表１给出了不同因素对叶尖间隙变化的影响大 小的数值参考（这些值仅适用于某型发动机，不具 有普遍适用的意义），从中可以看出，对间隙影响较 大的因素通常是叶片和盘的离心力、热变形，以及机 匣的热变形。 表１ 叶尖间隙影响因素的初步评估 变形量预估 间隙变化类型影响间隙的参数 — ２常见涡轮叶尖间隙控制技术 表２列出了叶尖间隙控制技术的分类。 表２叶尖间隙控制技术的分类 种形式的间隙控制，其执行机构、涡轮机匣等的结构 设计复杂，并且对流道有较大影响，仅有罗罗公司 ＲＢ２１１型号有应用。 热力式间隙控制采用控制机匣热膨胀的方式对 叶尖间隙进行控制，是半主动间隙控制技术的主流， 大多数型号发动机均采用此种方式。与全主动间隙 控制技术相比较，此种技术简单可靠有效，是主动间 隙控制技术的主流。 全主动间隙控制技术采用在线测量叶尖间隙， 形成一个完整的闭环控制。普惠公司部分研究认 为，闭环控制可进一步降低耗油率０．７５％一１％ 。 此项技术的关键是叶尖间隙传感器，目前全世界尚 未彻底解决叶尖间隙在线测量难题。 ３ 热力式涡轮叶尖间隙控制现状 国外几乎所有的民用航空发动机均已采用涡轮 叶尖间隙控制技术，其技术自７０年代开始，已经过 了充分地发展，达到了技术成熟度ＴＲＬ９。表３给出 了通过德温特专利数据库查询得到的国外涡轮叶尖 间隙控制专利的分布情况（截止到２０１２年１月３０ 日），可见，主要的专利申请单位是ＧＥ，ＵＴＣ（ＰＷ母 公司）等发动机制造商。国内在民用航空发动机研 制中如何规避专利，也是一个需要考虑的问题。 表３ 叶尖间隙控制技术专利分布情况 采用热力式的叶尖间隙控制系统，关键在于其 引气方案、冷却方案等，下面对其进行具体分析。 第１期 民用航空涡扇发动机涡轮叶尖间隙控制技术综述 ３ ３．１引气方案 表５ 主要型号发动机机匣冷却方案 型号 ＣＦＭ公司 引气的选取直接影响到间隙控制方案的选择。 常见的引气位置分为：１）风扇外涵；２）高压压气 机。冷却方案的选择对主动间隙控制的方案有重大 特点 两层机匣构成环形流道，空气以对流冷却的方 阿一 一 一 ㈣啪 洲 一 一 一枷影响。常见的冷却方案是：１）仅对涡轮机匣进行冷 却；２）在不同工况下对涡轮机匣分别进行冷却或者 加热。通常，对机匣进行加热的气体来自高压压气 机末级，在发动机即将起飞前，对涡轮机匣进行加 热，使得涡轮机匣能够率先进行膨胀，从而可以有效 避免起飞瞬间的极小值。 表４给出了主要型号发动机的引气位置表。其 中ＲＢ２１１为机械式间隙控制，普惠公司Ｅ３发动 机Ｌ６ 和ＣＦＭ５６型高压涡轮采用从高压压气机引气， 并采用冷却和加热的方式，而其他发动机大多采用 从风扇外涵引气。 表４主要型号发动机引气位置表 型号 间隙控制引气位置 ＨＰＴ风扇外涵 Ｅ３ ＧＥ ＬＰｒ风扇外涵 ＨＰＴ高压１０级＋１５级 ＬＰＴ高压ｌＯ级＋１５级 ＨＰＴ高压４（５）级＋９级 ＬＰＴ风扇出口 Ｈ 风扇外涵 Ｌｆｒｒ风扇外涵 ＨＰＴ风扇外涵 ＬＰＴ风扇外涵 机械式间隙控制 ＨＰＴ风扇外涵 ＬＰＴ风扇外涵 ＨＰＴ风扇外涵 ＬＰＴ风扇外涵 ３．２机匣冷却方案 对涡轮机匣采用何种冷却方式，也是叶尖间 隙控制需要进行设计的内容。表５为主要型号 发动机机匣冷却方案，主要的冷却类型包括：采 用双层机匣的对流换热形式，采用管路（或异型 管）的冲击冷却形式。ＣＦＭ５６—３型采用两层机 匣的对流换热形式，而其余大多数均采用冲击冷 却形式。 式带走机匣的热量。 单级高压涡轮，三根方形管路，冲击冷却动叶上 方两条加强肋，冲击位置为加强肋的根部。 ＧＥ公司 每级高压涡轮各有一条加强肋、一个法兰，两根 管路分别冲击冷却加强肋和法兰的一侧。 ＧＥ９０－１００，－１１５ 法兰墒平形管路柚冷却加 ＰＷ公司 两级高压涡轮，每级涡轮上方各一条加强肋，四 根方形管路冷却加强肋根部。 …ｏｏｏ 暑黧 各一条安装边罔 Ｅ３ ＰＷ 类似方形管路冲击冷却加强肋根部一侧。 ＪＴ９Ｄ一７Ｒ４ 异型管路进行冲击冷却。 ４发展趋势 ４．１ 闭环涡轮叶尖间隙控制 现阶段成熟应用的所谓主动间隙控制系统，本 质上都是半闭环的问隙控制系统，即控制系统的反 馈量并不是直接控制对象——间隙。例如在 ＣＦＭ５６系列发动机中，其反馈量是高压涡轮机匣温 度，叶尖间隙是通过间隙计算模型，根据转速、机匣 温度、发动机排气温度等计算得到。采用这样的策 略，主要原因是目前尚无成熟的机载间隙测量系统。 但是，初步的评估认为，采用完全闭环的间隙控制系 统，即机载间隙测量设备，直接在控制系统中进行反 馈的系统，可进一步降低耗油率０．７５％一１％。 进行全闭环的涡轮叶尖间隙控制，其关键在于 研制耐极高温度、压力等恶劣环境下的机载间隙传 感器。在Ｅ３的研究中，详细分析了８种类型的间隙 传感器，最终认为光学式、微波式或者射流式可能具 有一定发展潜力 。 ４．２叶尖间隙测量技术 前述已经提到，在闭环叶尖间隙控制系统中，间 隙传感器是其关键技术。事实上，间隙传感器对于 主动间隙控制系统的研制，即试验测试也具有重要 意义。但是，由于涡轮工作环境的极端恶劣，测试用 间隙传感器也具有极高难度。常用的间隙传感器 ４ 燃气轮机技术 第２６卷 有：接触式、涡流式、阻抗式、ｘ射线式、电容式、光学 式、微波式、射流式等。常见的间隙测量设备供应 厂商有ＣａｐＬｏｎｇ、Ｆｏｇａｌｅ、Ｍｅｇｇｉｔｔ等，其常用的测量 方式是电容法、光学法等。间隙传感器的发展趋 势是耐更高的温度、压力，以实现其在机载设备上 的使用。 ４．３采用记忆金属的叶尖间隙控制 一５ 结 论 涡轮叶尖间隙控制对于提升民用航空发动机经 济性具有重要的意义，这也是我国研制民用航空发 动机必须突破的技术瓶颈。本文对该项技术的原 理、当前的发展现状以及发展趋势进行了介绍。对 于民用航空发动机的研制，应重点开展热力式涡轮 种更先进的叶尖间隙控制方式是采用记忆金 叶尖间隙控制的技术攻关。同时，也应开展各类预 研项目，如闭环叶尖间隙控制等。 参考文献： ［１］Ｌａｔｔｉｍｅ，Ｓ．Ｂ．ａｎｄ Ｂ．Ｍ．Ｓｔｅｉｎｅｔｚ．ＴＵＲＢＩＮＥ ＥＮＧＩＮＥ ＣＬＥＡＲ— ＡＮＣＥ ＣＯＮＴＲＯＬ ＳＹＳＴＥＭＳ：ＣＵＲＲＥＮＴ ＰＲＡＣＴＩＣＥＳ ＡＮＤ ＦＵＴＵＲＥ ＤＩＲＥＣＴＩＯＮＳ．２００４，Ｏｈｉｏ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｌｅｎｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ． 属。其基本原理是，训练记忆金属使其具有在不同 工况（如温度）下的可控的变形量，将其用于涡轮机 匣某个位置。当发动机处在例如起飞开始瞬间、反 推瞬间等间隙较小时，记忆合金感受到此时发动机 的工作温度，根据之前的训练自动变形，使得间隙值 增大。而当发动机工作在巡航、爬升等状态时，记 忆合金同样感受发动机温度，根据训练值自动变 形，使得发动机间隙尽可能小。通过上述的方式， 即可实现叶尖间隙控制。这种方式的主要优点 是：不需要复杂的控制系统，不需要额外引气，系 统非常简单。 但记忆金属用于间隙控制现阶段技术成熟度较 ［２］ 蔡睿贤，王存诚．高校节能发动机文集：第五分册涡轮设计与 试验［Ｍ］．北京：航空工业出版社，１９９１：４５—４６． ［３］ Ａ，ｗ．Ｒ．ｃ．Ｒ．Ｓ．Ｐ．Ｊ．Ｄ．Ｌ．Ｋ．Ｄ．Ａｃｔｉｖｅ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒ ｇａｓ ｃｕｒｂｉｎｅ ｅｎｇｉｎｅ．Ｇ．ＥＬＥＣＴＲＩＣ，Ｅｄｉｔｏｒ．１９９１：ＵＳ． 『４］ＨＯＷＡＲＤ，Ｄ．Ｓ．Ｈ．Ｃ．Ａ．Ｗ．Ｋ．Ｋ．，Ａｃｔｉｖｅ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏ１． １９８９：ＥＰ． ［５］ 梁钧襄，侯志兴．高效节能发动机文集：第八分册控制系统设 计［Ｍ］．北京：航空工业出版社，１９９１：８５—９７． ［６］ 蔡睿贤，王存诚．高校节能发动机文集：第五分册涡轮设计与 试验［Ｍ］．北京：航空工业出版社，１９９１：３３９—３４０． 低＿ｌ Ｊ。其主要问题是：（１）记忆金属的耐高温性； （２）记忆金属的记忆退化问题。因此，该技术可能 还需要较长的发展时间才能达到实用阶段。 Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｌｅａｒａｎｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｉｖｉｌ Ｔｕｒｂｏｆａｎ Ｅｎｇｉｎｅ ＧＵ Ｗｅｉ，ＱＩＡＯ Ｊｉａｎ，ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ，ＬＩＵ Ｙｕ—ｆａｎｇ （Ａｖｉｃ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ａｉｃｒｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｆｏｒ ｃｉｖｉｌ ｔｕｒｂｏｆａｎ ｅｎｇｉｎｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｏｒ ｔｕｒｂｉｎｅ ｃａｓ— ｉｎｇ ａｎｄ ｒｏｔｏｒ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｆｕｅｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ａｂｏｖｅ ０．８％．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｎｃｅｐｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ，ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｃｕｒｒｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｃｏｎ— ｔｍｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈａｔ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ａ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｃｉｖｉｌ ｔｕｒｂｏｆａｎ ｅｎｇｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｉｎｅ；ｃｉｖｉｌ；ｔｉｐ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ