一種壓氣機過渡態(tài)葉尖徑向間隙控制方法研究

龐燕龍，秦仕勇，陳妍妍，孫海鶴，周大慶，曾 瑤

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500)

1 引言

渦扇發(fā)動機葉尖徑向間隙對發(fā)動機的效率與安全性以及性能衰減有著十分重要的影響[1-3]。鑒于葉尖間隙的重要性，通常在葉尖間隙設計過程中采取特定的葉尖間隙控制措施，以防止壓氣機轉子葉尖徑向間隙由于過渡態(tài)改變而帶來的不利影響。葉尖間隙控制的任務，是使發(fā)動機在所有工作狀態(tài)下將轉子與機匣之間的徑向間隙保持為最小，且在正常飛行條件下不發(fā)生碰磨[3]。避免葉尖碰磨的間隙控制方法主要分為主動間隙控制和被動間隙控制[4]。主動間隙控制基于發(fā)動機葉尖間隙需求，特別強調在巡航狀態(tài)取得很小的間隙，在民用發(fā)動機的渦輪部件上較為常見。

國內(nèi)外學者在間隙控制研究方面已取得大量成果。張清[4]、顧偉[5]等對民用航空發(fā)動機壓氣機和渦輪葉尖間隙控制技術進行了綜述。Lattime 等[6]分析了影響葉尖間隙的因素。周驍?shù)萚7]研究了主動機械式間隙控制。楊家禮等[8]研究了主動熱式間隙控制。閆曉攀等[9]通過合理選材實現(xiàn)了被動間隙控制。上述方法雖然都可以實現(xiàn)葉尖徑向間隙控制，但需要的結構變化或代價較大。在發(fā)動機實際工程應用過程中，技術人員希望能有一種簡單的方法，在對發(fā)動機改動盡可能小的前提下，實現(xiàn)過渡態(tài)轉、靜子熱變形協(xié)調。

本文采用改變機匣局部厚度的方法，在發(fā)動機改動較小的前提下實現(xiàn)了葉尖徑向間隙被動控制。首先借助仿真分析，討論了影響壓氣機葉尖間隙控制的主要載荷因素；然后采用有限元方法，開展了過渡態(tài)下壓氣機轉子葉尖徑向間隙分析，揭示了過渡態(tài)壓氣機機匣和轉子葉尖熱響應匹配規(guī)律；最后通過改變壓氣機末級機匣局部厚度來調整機匣熱響應速率，實現(xiàn)了葉尖間隙控制效果。本文設計結果對壓氣機葉尖間隙工程設計具有一定參考。

2 間隙影響因素分析

發(fā)動機葉尖間隙變化由裝配狀態(tài)以及工作中的轉、靜子變形共同決定[10-11]，葉尖徑向間隙設計通常是在過渡態(tài)最小間隙的基礎上考慮制造公差、機動載荷和轉子振動等因素。方案設計階段壓氣機轉子葉尖徑向裝配間隙可按式(1)進行計算。

開展壓氣機葉尖間隙控制設計的前提，是明確引起葉尖間隙變化的主要影響因素[12]。確定壓氣機葉尖徑向間隙時，主要考慮機動飛行載荷、熱載荷、離心載荷和氣動載荷引起的間隙變化[3]。本文主要討論式(1)中的，即壓氣機轉、靜子在發(fā)動機循環(huán)中受熱載荷、離心載荷和氣動載荷導致的過渡態(tài)轉子葉尖徑向最小間隙。

采用有限元方法計算了某壓氣機在海平面穩(wěn)態(tài)中間狀態(tài)(此狀態(tài)具有典型代表性)下轉子葉尖和機匣的徑向變形組成(圖1)。分析可知：在影響葉尖間隙的諸多因素中，熱載荷和離心力載荷是最基本的也是主要的影響因素[13]。其中，壓氣機第1 級受離心載荷影響明顯，后幾級受熱載荷影響更明顯；機匣徑向變形主要由熱載荷決定。

圖1 海平面穩(wěn)態(tài)中間狀態(tài)下轉子葉尖和機匣的徑向變形組成Fig.1 Radial deformation constitution of blade tip and case in sea level middle steady state

3 過渡態(tài)對葉尖間隙的影響

離心載荷對葉尖間隙的影響是及時的，溫度載荷對葉尖間隙的影響是延遲的，這種特性決定了過渡態(tài)葉尖間隙的變化規(guī)律。如發(fā)動機轉速上推瞬間，轉子由于轉速原因突然伸長，而靜子由于熱慣性基本沒有伸長，葉尖間隙會突然變小。此外，通常在發(fā)動機工作條件下，壓氣機機匣熱響應比轉子熱響應更快，這種特性會導致過渡態(tài)轉、靜子熱變形不匹配，過渡態(tài)與穩(wěn)態(tài)葉尖間隙有顯著差異。在能反映發(fā)動機預期用法的典型過渡態(tài)下，壓氣機轉子葉尖徑向間隙將出現(xiàn)最小或最大。間隙最小通常在壓氣機出現(xiàn)近似“冷機匣、熱轉子”時快速上推油門桿到大狀態(tài)(如民用發(fā)動機反推力裝置工作期間[3])。間隙最大是間隙最小的相反過程，通常在壓氣機出現(xiàn)近似“熱機匣、冷轉子”時快速下拉油門桿到慢車狀態(tài)(如發(fā)動機緊急起飛或暖機不充分起飛)。

采用有限元方法計算典型過渡態(tài)下，某壓氣機各級轉子和機匣隨時間變化的徑向變形，并用機匣變形減去轉子變形表述過渡態(tài)葉尖間隙變化。該壓氣機過渡態(tài)各級轉子葉尖間隙見圖2，過渡態(tài)各級轉子葉尖最小間隙組成見圖3(本文用過渡態(tài)最小間隙減去穩(wěn)態(tài)間隙來描述過渡態(tài)對葉尖間隙的影響，定義過渡態(tài)最小間隙為100%，定義穩(wěn)態(tài)除以過渡態(tài)最小間隙為穩(wěn)態(tài)變形占比，其余為過渡態(tài)變形占比)。分析圖2、圖3 可知，轉子葉尖徑向間隙受過渡態(tài)的影響不同。理論計算表明，該壓氣機前兩級轉子葉尖最小間隙受過渡態(tài)的影響較小，過渡態(tài)變形占比均小于10%；壓氣機后兩級轉子葉尖最小間隙受過渡態(tài)的影響較大，過渡態(tài)變形占比均大于70%；壓氣機中間兩級轉子葉尖最小間隙受過渡態(tài)的影響介于前兩級和后兩級之間，過渡態(tài)變形占比在20%～40%。

圖2 壓氣機過渡態(tài)各級轉子葉尖間隙變化Fig.2 Tip clearance variation of one compressor rotor

圖3 壓氣機過渡態(tài)最小轉子葉尖間隙組成Fig.3 The minimum tip clearance constitution of one compressor in transient state

各級轉子葉尖徑向間隙受過渡態(tài)的影響越大，采用式(1)得到的壓氣機轉子葉尖冷態(tài)裝配間隙越大，對壓氣機效率的影響就越大。另外，過渡態(tài)不僅影響最小間隙，而且還影響最大間隙。該壓氣機在典型過渡態(tài)下第6 級轉子葉尖間隙變化如圖4 所示。分析可知，緊急起飛或暖機不充分起飛時，第6 級轉子葉尖徑向過渡態(tài)最大間隙與最小間隙之差達1.8 mm。用最大間隙與最小間隙之差除以轉子葉尖半徑來描述壓氣機工作歷程中葉尖間隙變化量，第6 級轉子葉尖間隙變化量達0.6%。

圖4 壓氣機第6 級轉子葉尖徑向間隙變化歷程Fig.4 Tip clearance variation of one compressor's 6th stage rotor

通過過渡態(tài)葉尖間隙分析可以掌握過渡態(tài)對葉尖徑向間隙影響的本質。該壓氣機第6 級轉子葉尖、機匣變形和葉尖間隙過渡態(tài)變化規(guī)律見圖5。分析可知，葉尖最小間隙發(fā)生在“冷機匣，熱轉子”疊加轉速變化時，葉尖間隙最大發(fā)生在“熱機匣，冷轉子”疊加轉速變化時，過渡態(tài)機匣和轉子的熱匹配越差，壓氣機轉子葉尖徑向間隙受過渡態(tài)的影響越大。可見過渡態(tài)對壓氣機轉子葉尖徑向間隙影響的本質，是機匣和轉子熱響應不匹配。在發(fā)動機工作條件下，壓氣機機匣熱響應比轉子熱響應更快是壓氣機機匣的固有屬性，也是導致過渡態(tài)出現(xiàn)“冷機匣，熱轉子”和“熱機匣，冷轉子”的根本原因。因此，通過降低壓氣機機匣熱響應或加快轉子熱響應，可有效降低過渡態(tài)對壓氣機后幾級葉尖徑向間隙的影響。

圖5 壓氣機第6 級轉子、機匣變形和葉尖間隙過渡態(tài)變化規(guī)律Fig.5 Transient variation law of one compressor's 6th stage rotor,case and tip clearance

4 葉尖間隙控制

過渡態(tài)壓氣機葉尖間隙影響過大可能帶來不利影響，因此有必要針對過渡態(tài)影響較大的壓氣機后幾級采取葉尖間隙控制，這也是壓氣機后幾級葉尖間隙設計的重要內(nèi)容。本文主要研究被動間隙控制方法，其主要目的是實現(xiàn)機匣和轉子的最佳熱匹配，進而達到使壓氣機在所有工作狀態(tài)下葉尖徑向間隙保持為最小，且避免葉尖和涂層碰磨的設計目標。

根據(jù)工程經(jīng)驗，控制轉子熱響應的難度顯然遠高于控制機匣熱響應的難度，因此國外成熟發(fā)動機普遍采取減緩壓氣機機匣熱響應的措施。如CFM56 發(fā)動機壓氣機后幾級通過在機匣局部增加質量來改變機匣熱容，進而起到減緩機匣熱響應的作用(圖6)。

圖6 CFM56 降低壓氣機機匣熱響應措施Fig.6 A measure of slowing down the thermal response of CFM56 compressor case

對該壓氣機第6 級機匣采用與CFM56 發(fā)動機類似的葉尖間隙控制結構，即通過在機匣局部增加質量來改變機匣熱容，其結構示意見圖7。

圖7 壓氣機機匣局部增加熱容結構示意Fig.7 A measure of improving the local heat capacity of one compressor case

采用有限元方法，計算對比了壓氣機機匣采用圖7 所示葉尖間隙控制結構在過渡態(tài)下的葉尖間隙收益。壓氣機機匣增加熱容結構前、后的機匣熱響應曲線和間隙變化見圖8。分析可知，采取在機匣局部增加質量來改變機匣熱容的葉尖間隙控制結構，可以起到減緩機匣熱響應的作用。從圖9 中的過渡態(tài)影響對比可以看出，采取葉尖間隙控制結構后，最小間隙從0.31 mm 增加到0.48 mm，增加0.17 mm，進而可以降低葉尖轉、靜子碰磨風險或允許減小葉尖間隙；最大間隙從2.11 mm 下降到1.87 mm，減小0.24 mm，進而可以提高發(fā)動機效率和安全性。

圖8 壓氣機機匣局部增加熱容后的機匣熱響應曲線和間隙變化曲線Fig.8 Heat response curve and tip clearance variation curve of one compressor case after increasing case heat capacity

圖9 過渡態(tài)影響對比Fig.9 Comparison of transient effect

5 結論

壓氣機后幾級轉子采取葉尖間隙控制結構可有效降低過渡態(tài)對葉尖間隙的影響，對于減小葉尖間隙，避免在正常飛行條件下發(fā)生轉、靜子碰磨有重要意義。以某壓氣機為例開展了相關分析，主要結論如下：

(1) 壓氣機葉尖間隙控制結構設計中需要重點考慮的載荷因素為熱載荷和離心力載荷，影響壓氣機葉尖間隙的諸多載荷因素中，熱載荷和離心力載荷是最基本也是主要的載荷因素。

(2) 掌握了壓氣機被動葉尖間隙控制的基本原理，為進一步開展壓氣機葉尖間隙控制奠定了基礎。在發(fā)動機工作條件下，壓氣機機匣熱響應通常比轉子熱響應更快，這種特點會導致過渡態(tài)轉、靜子熱變形不匹配，這是過渡態(tài)對壓氣機轉子葉尖徑向間隙影響的本質。

(3) 通過降低壓氣機機匣熱響應可達到過渡態(tài)轉、靜子熱變形匹配的目的，可有效降低過渡態(tài)對壓氣機后幾級葉尖徑向間隙的影響。如采取在機匣局部增加質量來改變機匣熱容的葉尖間隙控制結構，可以起到減緩機匣熱響應的作用。