渦輪主動控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展分析

■ 王子堯 / 中國航發(fā)研究院

渦輪是航空發(fā)動機(jī)的核心部件，隨著對發(fā)動機(jī)性能要求的不斷提高，渦輪的工作條件愈發(fā)嚴(yán)苛，出現(xiàn)高溫、高應(yīng)力、振動、高負(fù)荷渦輪葉片流動分離等問題，主動控制技術(shù)是在現(xiàn)有技術(shù)條件下解決上述問題的重要手段。

主動控制技術(shù)是指在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中主動調(diào)控部件/系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使得部件/系統(tǒng)在給定工作條件下具有最佳性能，從而提高發(fā)動機(jī)整機(jī)的性能與可靠性。通過渦輪主動控制，可保證渦輪在寬范圍工況下的高效、穩(wěn)定工作，規(guī)避高溫、高應(yīng)力、振動、高負(fù)荷渦輪葉片流動分離等影響渦輪性能及可靠性的問題，從而支撐發(fā)動機(jī)根據(jù)任務(wù)靈活地調(diào)節(jié)自身工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)多變工況下的最優(yōu)綜合效能。

渦輪主動控制技術(shù)概述

渦輪主動控制技術(shù)主要包括主動冷卻技術(shù)、主動能量管理、主動間隙控制、主動振動控制以及主動流動控制等，技術(shù)概況如表1所示。

主動冷卻技術(shù)

渦輪前溫度是反映發(fā)動機(jī)設(shè)計水平的核心指標(biāo)，提高渦輪前溫度可增大發(fā)動機(jī)推力。為了保證渦輪在不同工作狀態(tài)下的良好運(yùn)行，在現(xiàn)有渦輪葉片材料水平下，還需對渦輪進(jìn)行有效冷卻，即采取冷卻技術(shù)降低渦輪的溫度水平及溫度梯度，為渦輪提供熱防護(hù)。

目前，先進(jìn)發(fā)動機(jī)會采用多通道強(qiáng)制對流、氣膜冷卻、沖擊冷卻、發(fā)散冷卻和層板冷卻等方式，通過減小渦輪盤的熱載荷達(dá)到熱防護(hù)的目的。主動冷卻技術(shù)是指通過液態(tài)或氣態(tài)冷卻介質(zhì)帶走或阻隔氣動熱，以保證被冷卻結(jié)構(gòu)不超過使用溫度的技術(shù)，其核心在于提高冷卻效率，即在有限的冷氣消耗量條件下獲得冷卻效果的提升，主要實(shí)現(xiàn)手段為渦輪盤腔與渦輪盤新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用。其中，渦輪盤腔采用的冷卻結(jié)構(gòu)包含中心進(jìn)氣、高位進(jìn)氣及預(yù)旋進(jìn)氣等冷卻結(jié)構(gòu)，如圖1所示；渦輪盤則采用新型結(jié)構(gòu)（如雙輻板渦輪盤）及新型材料（如功能梯度材料、壓電材料等）。

采用主動冷卻技術(shù)對渦輪進(jìn)行高效冷卻，可以有效地保護(hù)渦輪葉片，使得渦輪在不同工作點(diǎn)下均能良好地運(yùn)行，保證了渦輪的變工況性能；同時，可為渦輪前溫度的進(jìn)一步提高提供保障條件，從而促進(jìn)發(fā)動機(jī)推力的提升。

主動能量管理

主動能量管理技術(shù)在發(fā)動機(jī)渦輪上的應(yīng)用源于渦輪盤應(yīng)力控制的需要。渦輪盤工作應(yīng)力主要包括離心應(yīng)力與熱應(yīng)力，取決于相應(yīng)的負(fù)載條件。一般而言，離心載荷與整機(jī)性能相關(guān)，不會輕易變更；熱載荷往往有一定的調(diào)整空間。因此，可以通過調(diào)控?zé)彷d荷形式對熱應(yīng)力進(jìn)行控制，達(dá)到降低應(yīng)力的目的。

表1 渦輪主動控制技術(shù)概況

圖1 典型旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu)示意

圖2 渦輪盤腔冷卻能量分布形式

渦輪盤腔冷卻能量分布形式如圖2所示。傳統(tǒng)的渦輪盤外緣承受葉片導(dǎo)熱，迎風(fēng)面和盤心由冷氣冷卻，熱載荷作用下渦輪盤沿徑向的溫度分布曲線類似于拋物線，最高溫度位于盤緣，最低溫度位于盤心。目前，渦輪采用的主動冷卻技術(shù)可強(qiáng)化熱防護(hù)效果，但并不改變熱載荷的分布形式，對應(yīng)力的影響十分有限，無法滿足應(yīng)力控制的需求。主動能量管理技術(shù)通過主動設(shè)計渦輪盤的邊界熱載荷，獲得更為合理的溫度分布，利用相應(yīng)的熱應(yīng)力抵消離心載荷產(chǎn)生的離心應(yīng)力，降低渦輪盤的工作應(yīng)力，從而進(jìn)一步挖掘渦輪冷卻潛能，并且提升渦輪安全性。主動能量管理的實(shí)現(xiàn)方法包括盤心主動加熱技術(shù)、基于熱管原理的熱管渦輪盤冷卻技術(shù)等。其中，盤心主動加熱通過在渦輪盤內(nèi)緣增加一路氣流通道，引入部分溫度較高的二次氣流，用以主動加熱盤心區(qū)域，實(shí)現(xiàn)渦輪盤新型溫度分布形式；熱管渦輪盤冷卻則是在渦輪盤中加工沿周向均布的管腔，管腔中段由絕熱襯套包裹，盤心附近區(qū)域則采用篦齒封嚴(yán)，使得盤心附近區(qū)域近似絕熱，在管腔中填充特定換熱工質(zhì)（如液態(tài)金屬鈉），當(dāng)渦輪盤旋轉(zhuǎn)時，在離心力與相變作用下，換熱工質(zhì)將在管腔中往復(fù)運(yùn)動，盤心被加熱，從而在盤心附近區(qū)域構(gòu)建逆向溫度梯度，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力可抵消部分離心應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)降低渦輪盤應(yīng)力的目的。

主動間隙控制

葉尖間隙是指發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣的距離，對部件效率、發(fā)動機(jī)功率和燃油消耗有顯著影響。渦輪屬于熱端部件，葉尖間隙變化較大，間隙控制顯得尤為關(guān)鍵。主動間隙控制可使發(fā)動機(jī)保持在最優(yōu)的葉尖間隙下運(yùn)行，提高渦輪效率，進(jìn)而提升發(fā)動機(jī)的整機(jī)效率，有助于增加渦輪壽命、減少發(fā)動機(jī)污染物排放和降低耗油率。

主動葉尖間隙控制主要有主動熱控制、主動機(jī)械控制和主動壓力控制等3種執(zhí)行方式，均是通過改變機(jī)匣變形量來控制葉尖間隙。其中，主動熱控制通過引用外涵道或壓氣機(jī)的低溫氣流對機(jī)匣外表面進(jìn)行冷卻，主動機(jī)械式和主動壓力式通過特殊裝置改變機(jī)匣的變形。相比之下，主動熱控制方法響應(yīng)較慢，同時會產(chǎn)生較大的溫差，使機(jī)匣的熱應(yīng)力增大，不利于機(jī)匣強(qiáng)度設(shè)計，但主動熱控制所需的配套控制構(gòu)件相對簡單。主動機(jī)械控制與主動壓力控制需要設(shè)計配套的作動系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)變形及位置要求精確，控制難度較大。因此，主動熱控制在渦輪間隙控制中應(yīng)用更加廣泛。一種典型方法為基于形狀記憶合金的渦輪間隙控制，如圖3所示。形狀記憶合金絲及配套彈簧組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用形狀記憶合金材料特性隨溫度變化的特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)兩個腔體中的氣流控制形狀記憶合金絲的溫度，促使其長度發(fā)生變化，再通過作動桿帶動外環(huán)塊沿徑向移動，從而適應(yīng)工作狀態(tài)變化的要求，自動控制渦輪葉尖間隙。

主動振動控制

振動會影響發(fā)動機(jī)部件及整機(jī)性能并危害發(fā)動機(jī)的安全性，對振動進(jìn)行主動控制十分必要。渦輪作為轉(zhuǎn)子部件，除自身振動控制，還需要與發(fā)動機(jī)其他部件/系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，實(shí)現(xiàn)整機(jī)振動控制。振動控制即根據(jù)所監(jiān)測到的振動信號，應(yīng)用一定的控制策略，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)對控制目標(biāo)施加一定影響，達(dá)到抑制或消除振動的目的。

與被動振動控制相比，主動振動控制的一個顯著特點(diǎn)是引入外部能量對振動系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)，通過調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)材料或幾何參數(shù)，靈活改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)剛度或阻尼，實(shí)現(xiàn)振動控制。主動振動控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要類型如下：可控擠壓油膜阻尼器，通過調(diào)節(jié)阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（油膜間隙、油膜承載長度），產(chǎn)生非線性油膜力逼近線性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所需的控制力，以控制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡響應(yīng)；形狀記憶合金調(diào)節(jié)器，利用材料特性隨溫度發(fā)生變化的特點(diǎn)，控制形狀記憶合金的恢復(fù)力，改變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承剛度；電磁調(diào)節(jié)器，借助電磁力主動控制轉(zhuǎn)子的振動；壓電調(diào)節(jié)器，利用壓電材料在電壓作用下伸縮變形的特點(diǎn)，對軸承施加控制力或改變軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)；電流變液體調(diào)節(jié)器，利用電流變液體在不同電壓作用下黏度發(fā)生明顯變化的特點(diǎn)，形成可控制裝置；液/氣壓調(diào)節(jié)器，利用液/氣體的壓力變化控制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支承剛性，進(jìn)而改變系統(tǒng)的剛性和阻尼，達(dá)到振動控制的目的。

圖3 基于形狀記憶合金的渦輪主動間隙控制示意

主動流動控制

為了滿足發(fā)動機(jī)多變環(huán)境適應(yīng)性、減輕質(zhì)量、增加推力等發(fā)展趨勢，低壓渦輪葉片負(fù)荷不斷提高，葉片吸力面邊界層易發(fā)生分離，導(dǎo)致流動損失增大、渦輪效率下降，影響發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定性。主動流動控制是解決高負(fù)荷渦輪流動損失及性能下降問題的有效手段，通過在流場中施加適當(dāng)?shù)臄_動并與流場耦合，實(shí)現(xiàn)對流動的控制，保證渦輪性能適應(yīng)多變工作需求，并且有助于降低發(fā)動機(jī)的阻力和振動載荷。

渦輪主動流動控制的代表方法主要包括渦流發(fā)生器技術(shù)、尾緣射流、等離子體流動控制、邊界層吹/吸技術(shù)等。渦流發(fā)生器技術(shù)在葉片吸力面上開射流孔，使用渦流發(fā)生器產(chǎn)生高動能渦流并與主流摻混，增加近壁面流體能量，提高邊界層氣流抗分離能力，以改善葉片尾部流場特性。尾緣射流在葉片尾部開孔并引入射流，通過改變?nèi)~片表面壓力分布，加速邊界層流動，間接抑制流動分離。等離子體流動控制通過在葉片吸力面施加等離子體氣動激勵，向流場邊界層注入能量，提高近壁面的流動速度，從而延緩邊界層分離；邊界層吹/吸技術(shù)通過吹出高動量的流體或者抽吸壁面部分低能流體，提高邊界層抵抗逆壓梯度的能力，減緩或者消除流動分離。

渦輪主動控制發(fā)展思路

渦輪多目標(biāo)主動控制

主動控制技術(shù)一般具有單一控制目標(biāo)，而通過多種主動控制技術(shù)融合發(fā)展，可同時兼顧多種增益效果，推動形成多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，如圖4所示。渦輪主動控制技術(shù)之間存在密切聯(lián)系：間隙與流動分離均會對渦輪的性能產(chǎn)生影響，主動間隙控制與主動流動控制緊密融合，可提升渦輪效率及流動穩(wěn)定性；流場與振動互相影響，主動流動控制可降低振動載荷，有利于振動控制，而主動振動控制有利于保持流動穩(wěn)定性；渦輪作為熱端部件，主動冷卻技術(shù)與主動能量管理緊密融合，可提升渦輪冷卻性能，并實(shí)現(xiàn)渦輪延壽設(shè)計；主動冷卻技術(shù)可作為主動間隙控制的重要手段；主動能量管理則可為主動振動控制提供所需的能量輸入。因此，可通過多種主動控制技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)渦輪性能與安全性等多目標(biāo)匹配優(yōu)化。未來，可首先在兩項主動控制技術(shù)之間進(jìn)行雙目標(biāo)平衡，例如將主動冷卻技術(shù)與主動能量管理融合，實(shí)現(xiàn)冷卻效能與應(yīng)力控制的雙目標(biāo)優(yōu)化；進(jìn)一步，循序漸進(jìn)融入更多主動控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)渦輪多目標(biāo)匹配。

渦輪與其他部件/系統(tǒng)協(xié)同匹配

圖4 渦輪主動控制技術(shù)融合示意

航空發(fā)動機(jī)是一個有機(jī)協(xié)同的整體，各個部件/系統(tǒng)之間存在密切的流量或能量交換，單一部件/系統(tǒng)的發(fā)展會對與之相關(guān)的其他部件/系統(tǒng)提出更高要求，同時又為推動其他部件/系統(tǒng)發(fā)展提供有力支持與條件。因此，通過不同部件/系統(tǒng)主動控制的協(xié)同匹配，構(gòu)建發(fā)動機(jī)整機(jī)的主動控制系統(tǒng)，促使發(fā)動機(jī)在全生命周期內(nèi)根據(jù)外部環(huán)境和自身狀態(tài)，重新規(guī)劃、布設(shè)、控制和優(yōu)化自身性能、可靠性、健康等狀況。與渦輪密切相關(guān)的部件/系統(tǒng)主要包括空氣系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、燃燒室以及發(fā)動機(jī)承力系統(tǒng)等，通過這些部件/系統(tǒng)的主動控制協(xié)同，構(gòu)建多部件/系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化能力，可提升發(fā)動機(jī)綜合效能。

結(jié)束語

綜上，采用渦輪主動控制技術(shù)，可提高渦輪部件性能，實(shí)現(xiàn)渦輪流動、能量分配、振動及延壽等多目標(biāo)優(yōu)化；而通過渦輪與其他相關(guān)部件/系統(tǒng)的協(xié)同匹配，可提升發(fā)動機(jī)整機(jī)綜合效能。

具體可分階段將主動控制技術(shù)融入部件及發(fā)動機(jī)設(shè)計流程。首先，基于現(xiàn)有設(shè)計，通過對部件/系統(tǒng)的局部適應(yīng)性改進(jìn)，達(dá)到主動控制的效果。之后，以此為基礎(chǔ)，在設(shè)計之初充分考慮主動控制的需求，對部件性能及結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計，探索主動控制部件/系統(tǒng)新方案。最終，將各個主動控制部件/系統(tǒng)方案有機(jī)結(jié)合，形成具備主動控制能力的發(fā)動機(jī)新方案，促進(jìn)發(fā)動機(jī)能力的顛覆式創(chuàng)新發(fā)展。

在主動控制技術(shù)機(jī)理及實(shí)施方法研究的基礎(chǔ)上，可有針對性地開展主動控制技術(shù)收益論證，著力將主動控制技術(shù)融入發(fā)動機(jī)設(shè)計體系，打造具備“先天”主動控制能力的渦輪及發(fā)動機(jī)。