1、主 动 间 隙 控 制涡轮将燃烧室出口高温高压燃气的热能转变为机械能，是带动压气机转动的动力部件。涡轮的主要性能指标是涡轮落压比和效率。涡轮动叶与机匣之间的间隙被称为叶尖间隙，叶尖间隙的大小对涡轮膨胀比和涡轮效率具有非常显著的影响。涡轮叶尖径向间隙过大，叶顶泄漏损失增大，涡轮效率降低，供油量增加，使发动机涡轮排气温度过高，对发动机的寿命有不利的影响。涡轮叶尖径向间隙过小，机动和飞行中气动（压力）载荷的频繁变化、发动机动态过程或大转速时可能导致叶片与机匣碰磨，甚至使叶片折断，发动机失效。经验公式表明：涡轮叶尖间隙减小0.25 m m，涡轮排气温度可降低10，涡轮效率可提高1%，同时燃油消耗率可减
2、少1%，且污染物排放也会相应减少。影响涡轮叶尖间隙的因素很多：首先，叶尖间隙大小与叶片、涡轮盘和机匣等零件的温度分布有关，各部分温度变化引起的膨胀或收缩会直接影响间隙；其次，转子高速旋转引起的离心伸长位移也直接影响间隙大小。而且，叶尖间隙与飞行状态有关，不同的飞行迎角，起飞或者降落的加、减速都会影响间隙。此外加工和装配精度，叶片、涡轮盘等旋转部件的振动以及高温蠕变等都会影响叶尖间隙。涡轮叶尖间隙变化是由施加在涡轮机匣和涡轮转子上的各种载荷引起涡轮机匣、涡轮盘和叶片等的位移和变形产生的。载荷可以分为两类，即发动机载荷和飞行载荷。发动机载荷包括离心力、热、发动机内部压力和推力载荷。飞行载荷包括惯性
3、力、气动力（外部压力）和回转（陀螺）载荷。发动机载荷会引起轴对称和非轴对称间隙变化，飞行载荷会引起非轴对称间隙变化。图1给出了民用发动机在一个飞行包线内高压涡轮叶尖间隙随时间的变化规律。在飞行包线范围内，涡轮叶尖间隙的变化可以达到约0.76 m m，即使在巡航阶段，叶尖间隙也比飞行包线内的最小值大0.3 m m。在影响涡轮叶尖间隙的诸多因素中，热载荷和离心力载荷是最基本也是主要的影响因素。通常叶片和涡轮盘径向位移主要考虑温度和转速的影响，机匣径向位移主要考虑温度和压力的影响。因此，为了对发动机飞行包线内涡轮叶尖间隙进行准确的控制，需要掌握高精度的涡轮机匣结构内部流动换热计算方法，涡轮盘腔内部的
4、流动换热计算方法和涡轮机匣、转子瞬态温度场分析技术，以及转子、涡轮机匣的结构强度设计技术等，以便通过冷却或机械位移的控制手段，控制发动机瞬态和稳态涡轮叶尖间隙的变化。图1飞行包线内高压涡轮叶尖间隙随时间的变化规律涡轮主动间隙控制是指通过控制发动机瞬态和稳态叶尖间隙的变化，提高部件效率，从而改善发动机的性能和耐久性。涡轮主动间隙控制被认为是最有可能增加民用飞机发动机寿命的技术之一，已在民用涡扇发动机上广泛使用。目前，涡轮叶尖间隙主动控制技术主要有3种：主动热控制、主动机械式控制和主动压力式控制。主动热控制方法的工作原理是：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
5、件进行冲击冷却或加热，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，使转子叶片与涡轮外环之间的间隙达到预期值。图2所示为GE-E3发动机高压涡轮间隙主动热控制方法的示意图。由于涡轮机匣是刚性件，对温度的敏感性不强，不易实现间隙控制，而高压涡轮外环支撑、机匣法兰边和凸缘等是温度敏感部位，其膨胀和收缩带动高压涡轮外环径向位移变化，从而改变叶尖间隙。JT9D-59/70发动机是通过风扇出口引气对高压涡轮机匣法兰边和凸缘进行冲击冷却来实现叶尖间隙控制的，所需冷却空气量随发动机工作状态变化，由高压涡轮叶尖间隙控制装置控制。主动机械控制采用连杆和一些作动系统（液压式、电子机械
6、式、电磁式等）共同控制叶尖间隙变化。与主动热控制相比，机械控制方法结构更为复杂，整个系统的尺寸、重量和成本也比较高，其优点是不需要从发动机风扇或压气机引气，不会对发动机性能产生不利影响，而且控制系统响应快、控制精度较高。主动机械控制有多种实现方案，一种方案是：将涡轮外环连接在同一环形连接装置上，这个装置与一个可径向运动的轮辐相连。当环形装置往不同方向转动时，涡轮外环的各段将沿径向一起向内或向外移动，从而实现叶尖间隙控制。图2涡轮叶尖间隙主动热控制方法示意图图3给出了RB211发动机涡轮叶尖间隙主动机械控制示意图。发动机主调节器控制液压作动筒推动摇臂转动，使锥形机匣前后移动，达到按发动机循环工作
7、需要主动改变叶尖间隙的目的。图3涡轮叶尖间隙主动热控制方法示意图主动压力控制是利用发动机内部或外部供应的压力，引起载荷偏移，致使涡轮外环沿径向产生位移，从未实现叶尖间隙控制。图4中所示的一种主动压力控制方案，该方案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，实现叶尖间隙控制。图4涡轮叶尖间隙主动压力控制方法示意图总体来说，主动热控制技术，控制系统结构简单，系统在飞行起落中的大部分时间能够有效的降低叶尖间隙，但是系统的响应慢，不适合整个飞行包线，并且引气会引起机匣温差和热应力大的问题。主动机械式控制技术，控制系统不需要从发动机引气，系统响应快，精度高，但是系统的结构复杂，尺寸、重
8、量和成本高，机械装置必须在较高的温度下长期运行。主动压力式控制技术，控制精度表1三种叶尖间隙主动控制方法对比高，但是对压力平衡非常敏感，面临高周疲劳问题,并且需要借助系统压力或辅助压力源，会对发动机的性能产生影响。对于当前的民用航空发动机来说，大多数均采用主动热控制的方式，如JT9D，CFM56，PW4000，V2500，GE90等发动机，主动机械式控制使用较少，如罗-罗公司的RB211发动机，而主动压力式控制技术则未见应用。下面我们以CFM56-7B和V2500发动机为例，来介绍发动机主动间隙控制系统的结构和工作过程。三种叶尖间隙主动控制方法优缺点对比如表1所示。图5中所示为CFM56-7B
9、发动机高压涡轮的主动间隙控制系统，控制系统主要包括数字电子控制器EEC、液压机械装置HMU、引气系统以及传感器等。具体的工作过程为：数字式电子控制器EEC根据采集的高、低压转子转速，压气机进气温度、燃烧室温度、高压涡轮机匣温度等传感器参数信号，以及飞机的飞行状态和发动机的工作状态等，计算出控制高压涡轮间隙所需的引气量，折合成与液压机械装置的阀门开度相对应的控制指令。液压机械装置在控制指令的作用下，驱动控制阀控制来自压气机第4级和第9级的引气量，并将引气输送到高压涡轮机匣的进气孔，实现高压涡轮间隙控制。图5 CFM56-7B发动机高压涡轮间隙控制系统V2500发动机的主动间隙控制系统与CFM56
10、-7B发动机基本类似。控制系统包括数字电子控制器EEC、作动器、传感器、控制阀、高、低压涡轮冷却总管等。EEC通过电液伺服阀和线性位移传感器（LVDT）的反馈信号控制作动器，作动器控制两个控制阀，调节进入高压和低压总管的风扇冷却空气量，进而控制高低压涡轮叶尖间隙。图6 V2500发动机主动间隙控制系统示意图需要指出，刚才我们介绍的CFM56-7B、V2500等发动机的主动间隙控制系统本质上属于半闭环的间隙控制系统，控制系统的反馈量并不是直接控制对象叶尖间隙，而是涡轮机匣温度。叶尖间隙是通过计算模型得到的，这是因为当前尚没有成熟的在线间隙测量系统。目前，NASA正在发展快速响应的叶尖间隙控制系统和基于先进材料如形状记忆金属的间隙控制系统，这些系统在未来有望代替目前的主动热控制系统。图7快速响应主动间隙热控制图8采用高温记忆合金的主动间隙控制参考文献1.臧军.现代航空发动机控制技术M.北京：航空工业出版社，2016.2.常智勇,曲胜,黎旭.发动机主动间隙控制系统的应用及发展趋势.航空发动机, 2014, 40(6): 73-78.
