某型发动机高压涡轮叶尖间隙变化规律及影响分析

徐 丹，张 清，霍 枫，李 娜

(中国航发沈阳发动机研究所 航机总体设计二部，沈阳 110015)

发动机排气温度超温是外场维护中的常见故障，成为延长发动机寿命、提高发动机经济性的瓶颈[1-3]。影响发动机整机排气温度的主要因素包括高压涡轮效率、高压压气机效率、主燃烧室总压恢复系数和高、低压涡轮导向器面积等[4]，其中高压涡轮效率对发动机整机排气温度的影响最大，而高压涡轮叶尖间隙直接影响着高压涡轮效率。根据工业经验估计，高压涡轮叶尖间隙减小0.25 mm，则涡轮效率提高1%；而燃油消耗率降低1%，发动机排气温度可降低10 ℃[5-7]。因此，高压涡轮叶尖间隙是影响发动机排气温度裕度的关键因素。获得发动机寿命期内高涡叶尖间隙随工作时间的变化规律及对应排气温度的影响规律，掌握发动机寿命期内性能衰减情况，并根据衰减情况开展相应的结构优化，对延长发动机使用寿命具有重要意义。

间隙变化规律的分析包括两方面：发动机装配状态下的冷态间隙值分析和工作中随工作状态实时变化的热态间隙值分析。冷态间隙是热态间隙的基础和前提。尽管国际上对于发动机间隙的研究已经有几十年的时间，但基本都是针对发动机间隙控制方法尤其是热态间隙控制方法的研究[8-9]，对发动机冷态间隙变化规律的研究比较缺乏。因此，本文基于某型发动机分解过程实测高压涡轮冷态间隙，开展了冷态间隙变化规律研究，并结合实测排气温度数据，分析间隙对排气温度的影响规律，掌握发动机首翻期内的性能衰减情况，并有针对性地提出间隙控制结构优化方案，具有较好的工程指导意义。

1 间隙设计状态及测量方法

图1 高压涡轮结构示意图

分别测量高压涡轮外环内径以及高压涡轮叶尖外径，二者相减后得到高压涡轮叶尖的间隙值。高压涡轮叶尖外径的测量方法为在叶根底部与轮盘的间隙中装入专用工装使叶片呈外撑状态，如图2所示，任选其中一片为第一片，采用高速叶尖磨床周向均布测量4个方向数据，测量精度为0.01 mm。高压涡轮外环内径采用内径千分尺测量，测量精度为0.01 mm，以正上方为第1点，顺航向顺时针测量周向均布4个方向数据。

图2 叶片外撑装置示意图

2 间隙随工作时间的变化规律

通过对30台份某型发动机分解过程实测间隙数据及工作时间进行统计，筛选出7台长期工作(累计工作时间大于500 h)的发动机分解中测量的叶尖外径、外环内径数据共计46组，基于最小二乘法对数据进行处理，模拟出间隙随工作时间的变化趋势。

2.1 叶尖外径变化规律

叶尖外径随工作时间的变化曲线如图3所示，图3中单点为实测数据，曲线为基于最小二乘法模拟出的外径变化曲线。

图3 叶尖外径随工作时间变化情况

从图3中可以看出，叶尖外径的变化有两种趋势：

趋势1：随工作时间增加，叶尖外径经历了急剧减小和长时间稳定两个阶段(台份1、2)。最初约70 h内为第一阶段，发动机叶尖外径迅速减小约0.87 mm；累计工作约70～950 h为第二阶段，期间两台份叶尖外径变化量不超过0.14 mm，11次测量叶尖外径平均值为725.68 mm，与初始叶尖外径相比减小0.92 mm。

趋势2：随工作时间增加，叶尖外径经历了先急剧减小，再稳定，最后再一次急剧减小3个阶段(台份3、4、5)。前70 h为第一阶段，叶尖外径迅速减小；累计工作70～600 h为第二阶段，期间3台发动机外径变化不超过0.17 mm，8次测量外径平均为726.11 mm，与初始外径平均值相比，变化量为0.51 mm；后续约200 h内为第三阶段，叶尖外径再一次急剧减小，减小后的外径平均值为725.66 mm，减小量为0.94 mm。

5台发动机叶尖外径经历了2种不同的变化趋势，但最终外径减小量都接近于趋势1中外径达到稳定状态时的变化量0.94 mm。对照发动机工作程序发现，台份1、2发动机在第70 h后的程序转速变化较为急剧，如过渡态性能录取试车、遭遇加速、遭遇减速等，台份3、4、5在第70 h后的程序转速变化较为平稳，如磨合试车等。造成这两种不同变化趋势的原因为发动机试车程序不同，转速急剧变化的程序会引起间隙变化较快。由于转速急剧变化的瞬态过程，发动机间隙仅受离心载荷作用的影响，转子叶片直径突变，引起叶尖间隙突变。在转速变化相对平稳的程序下，间隙变化较缓。

2.2 外环内径变化规律

外环内径随工作时间的变化曲线如图4所示。

图4 外环内径随工作时间变化情况

从图4中可以看出，外环内径的整体变化趋势为随工作时间的增加稍有减小，1 000 h内7台发动机内径减小量不超过0.27 mm。理论上，当高压涡轮转、静子发生碰摩后，外环内径应增大，而实际外环内径变化规律与此相反。由于高压涡轮外环不是整环结构，而是沿周向分段分布，随工作时间增加，外环变形可能沿周向不均匀。同时，高压涡轮外环工作过程中会出现烧蚀、涂层脱落、掉块等现象，在上述因素作用下外环内径测量数据分散性大，规律不明显。

2.3 间隙变化规律

间隙随工作时间的变化曲线如图5所示。

图5 间隙随工作时间变化情况

由于高压涡轮外环内径变化量较小，因此间隙的变化趋势与叶尖外径变化趋势类似，存在两种趋势：

趋势1：随工作时间增加，间隙经历急剧增加和间隙长时间稳定两个阶段(台份2)。前100 h为第一阶段，间隙迅速增加约0.4 mm；累计工作约100～800 h为第二阶段，间隙基本稳定，平均值为3.1 mm，与初始间隙相比增大0.41 mm。

趋势2：随工作时间增加，间隙经历先急剧增加，再稳定，最后再一次急剧增加3个阶段(台份3、4、5)。前100 h为第一阶段，间隙迅速增加；累计工作100～500 h为第二阶段，间隙基本稳定，平均为2.88 mm；累计工作500～800 h为第三阶段，间隙快速增加达到3.12 mm，与初始间隙相比间隙增大0.43 mm。

4台发动机间隙经历了两种变化过程，但最终间隙变化量都接近于趋势1,间隙变化量0.41 mm，两种不同的变化趋势与工作程序有关。

3 间隙变化对整机排气温度的影响

为掌握某型发动机间隙变化对排气温度的影响规律,将间隙与发动机工作过程中实际测量的排气温度进行了对比分析。

应用发动机实测排气温度数据，绘制出排气温度变化曲线，如图6所示。由于发动机排气温度受到工作程序的影响，因此将发动机工作时间按照工作程序的加速比进行了折合。

从图6中可以看出，排气温度的变化趋势与叶尖间隙的变化趋势基本一致：前1 000～1 500 h，受叶尖间隙影响，排气温度急剧增加，温度增量约为35 ℃。1 500 h后，叶尖间隙保持稳定，排气温度仍增加但幅度明显减小。文献[10-13]表明，影响发动机排气温度的主要因素除了间隙外，还包括叶片型面的变化、风扇叶片叶身附着物等因素，因此在1 000～1 500 h以后，在其他因素的影响下，排气温度继续升高，即受高压涡轮间隙的影响，新发动机在前期的使用中会出现较快的性能衰减速率，随着使用时间的延长逐渐减缓。

图6 排气温度随工作时间变化情况

结合第2节分析出的间隙变化规律，得到间隙变化对整机排气温度的影响规律：前1 500 h，发动机高压涡轮间隙变化0.41 mm，对应排气温度增加35 ℃，即间隙增加0.25 mm，排气温度增加21 ℃，对比工业经验数据高压涡轮叶尖间隙增大0.25 mm，发动机排气温度增加10 ℃，可见某型发动机排气温度受间隙的影响较大，排气温度升高较快。

4 叶尖间隙控制结构优化方法

为避免排气温度升高较快，提高发动机性能保持能力，提出控制叶尖间隙的发动机结构优化方案。

由第2节的分析可知，发动机工作过程中高压涡轮转、静子碰摩，外环磨损量很小，而叶片磨损严重，不利于发动机叶尖间隙保持。因此，可以从改善涂层材料入手改善叶尖间隙，即高压涡轮工作叶片上增加耐磨涂层，减少叶尖磨损，保持叶尖间隙。

某型发动机工作后，高压涡轮外环分解检查结果显示外环磨损沿周向非均匀分布，磨痕多集中在发动机下半部，表明高压涡轮转子存在下沉现象。因此，需提高转静子同心度改善叶尖间隙。结构上可采用的转静子同心度控制方法主要有低压转子后支点偏心衬套结构、高压涡轮外环块偏心加工等，以消除转子下沉，提高转静子同心度。

同时，某型发动机高压涡轮热态间隙变化规律表明发动机工作过程中转静子存在热变形不协调问题。针对该问题，优化方法主要有采用低膨胀系数高压涡轮机匣、在高压涡轮机匣对应位置的燃烧室机匣上设置“蒙皮”结构、采用具有径向补偿能力的封严结构等[14-15]，保证工作过程中转静子变形的一致性。

5 结论

本文应用某型发动机7台份46组实测高压涡轮冷态间隙数据，基于最小二乘法对间隙随工作时长的变化规律进行了模拟，并结合实测排气温度，得到间隙对排气温度的影响规律，掌握发动机性能衰减情况，提出控制叶尖间隙的发动机结构优化方案，具有工程指导价值。

(1)得到高压涡轮间隙随工作时间的变化规律。发动机工作初期，间隙快速增大，累计工作时间500～800 h后间隙趋于稳定，达到稳定状态的间隙增量约为0.41 mm。

(2)发动机累计工作前1 000～1 500 h，排气温度的变化主要受间隙影响增加(发动机排气温度较新机增量约为35 ℃)，间隙增大0.25 mm,对应排气温度增大21 ℃。1 000～1 500 h后，排气温度受其他因素影响继续增加，但增速减缓。

(3)针对某型发动机性能衰减情况，从改善涂层材料、提高转静子同心度、改善转静子热变形协调三方面，提出了叶尖间隙控制结构优化方法。