一种压气机过渡态叶尖径向间隙控制方法研究

庞燕龙，秦仕勇，陈妍妍，孙海鹤，周大庆，曾 瑶

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500)

1 引言

涡扇发动机叶尖径向间隙对发动机的效率与安全性以及性能衰减有着十分重要的影响[1-3]。鉴于叶尖间隙的重要性，通常在叶尖间隙设计过程中采取特定的叶尖间隙控制措施，以防止压气机转子叶尖径向间隙由于过渡态改变而带来的不利影响。叶尖间隙控制的任务，是使发动机在所有工作状态下将转子与机匣之间的径向间隙保持为最小，且在正常飞行条件下不发生碰磨[3]。避免叶尖碰磨的间隙控制方法主要分为主动间隙控制和被动间隙控制[4]。主动间隙控制基于发动机叶尖间隙需求，特别强调在巡航状态取得很小的间隙，在民用发动机的涡轮部件上较为常见。

国内外学者在间隙控制研究方面已取得大量成果。张清[4]、顾伟[5]等对民用航空发动机压气机和涡轮叶尖间隙控制技术进行了综述。Lattime 等[6]分析了影响叶尖间隙的因素。周骁等[7]研究了主动机械式间隙控制。杨家礼等[8]研究了主动热式间隙控制。闫晓攀等[9]通过合理选材实现了被动间隙控制。上述方法虽然都可以实现叶尖径向间隙控制，但需要的结构变化或代价较大。在发动机实际工程应用过程中，技术人员希望能有一种简单的方法，在对发动机改动尽可能小的前提下，实现过渡态转、静子热变形协调。

本文采用改变机匣局部厚度的方法，在发动机改动较小的前提下实现了叶尖径向间隙被动控制。首先借助仿真分析，讨论了影响压气机叶尖间隙控制的主要载荷因素；然后采用有限元方法，开展了过渡态下压气机转子叶尖径向间隙分析，揭示了过渡态压气机机匣和转子叶尖热响应匹配规律；最后通过改变压气机末级机匣局部厚度来调整机匣热响应速率，实现了叶尖间隙控制效果。本文设计结果对压气机叶尖间隙工程设计具有一定参考。

2 间隙影响因素分析

发动机叶尖间隙变化由装配状态以及工作中的转、静子变形共同决定[10-11]，叶尖径向间隙设计通常是在过渡态最小间隙的基础上考虑制造公差、机动载荷和转子振动等因素。方案设计阶段压气机转子叶尖径向装配间隙可按式(1)进行计算。

开展压气机叶尖间隙控制设计的前提，是明确引起叶尖间隙变化的主要影响因素[12]。确定压气机叶尖径向间隙时，主要考虑机动飞行载荷、热载荷、离心载荷和气动载荷引起的间隙变化[3]。本文主要讨论式(1)中的，即压气机转、静子在发动机循环中受热载荷、离心载荷和气动载荷导致的过渡态转子叶尖径向最小间隙。

采用有限元方法计算了某压气机在海平面稳态中间状态(此状态具有典型代表性)下转子叶尖和机匣的径向变形组成(图1)。分析可知：在影响叶尖间隙的诸多因素中，热载荷和离心力载荷是最基本的也是主要的影响因素[13]。其中，压气机第1 级受离心载荷影响明显，后几级受热载荷影响更明显；机匣径向变形主要由热载荷决定。

图1 海平面稳态中间状态下转子叶尖和机匣的径向变形组成Fig.1 Radial deformation constitution of blade tip and case in sea level middle steady state

3 过渡态对叶尖间隙的影响

离心载荷对叶尖间隙的影响是及时的，温度载荷对叶尖间隙的影响是延迟的，这种特性决定了过渡态叶尖间隙的变化规律。如发动机转速上推瞬间，转子由于转速原因突然伸长，而静子由于热惯性基本没有伸长，叶尖间隙会突然变小。此外，通常在发动机工作条件下，压气机机匣热响应比转子热响应更快，这种特性会导致过渡态转、静子热变形不匹配，过渡态与稳态叶尖间隙有显著差异。在能反映发动机预期用法的典型过渡态下，压气机转子叶尖径向间隙将出现最小或最大。间隙最小通常在压气机出现近似“冷机匣、热转子”时快速上推油门杆到大状态(如民用发动机反推力装置工作期间[3])。间隙最大是间隙最小的相反过程，通常在压气机出现近似“热机匣、冷转子”时快速下拉油门杆到慢车状态(如发动机紧急起飞或暖机不充分起飞)。

采用有限元方法计算典型过渡态下，某压气机各级转子和机匣随时间变化的径向变形，并用机匣变形减去转子变形表述过渡态叶尖间隙变化。该压气机过渡态各级转子叶尖间隙见图2，过渡态各级转子叶尖最小间隙组成见图3(本文用过渡态最小间隙减去稳态间隙来描述过渡态对叶尖间隙的影响，定义过渡态最小间隙为100%，定义稳态除以过渡态最小间隙为稳态变形占比，其余为过渡态变形占比)。分析图2、图3 可知，转子叶尖径向间隙受过渡态的影响不同。理论计算表明，该压气机前两级转子叶尖最小间隙受过渡态的影响较小，过渡态变形占比均小于10%；压气机后两级转子叶尖最小间隙受过渡态的影响较大，过渡态变形占比均大于70%；压气机中间两级转子叶尖最小间隙受过渡态的影响介于前两级和后两级之间，过渡态变形占比在20%～40%。

图2 压气机过渡态各级转子叶尖间隙变化Fig.2 Tip clearance variation of one compressor rotor

图3 压气机过渡态最小转子叶尖间隙组成Fig.3 The minimum tip clearance constitution of one compressor in transient state

各级转子叶尖径向间隙受过渡态的影响越大，采用式(1)得到的压气机转子叶尖冷态装配间隙越大，对压气机效率的影响就越大。另外，过渡态不仅影响最小间隙，而且还影响最大间隙。该压气机在典型过渡态下第6 级转子叶尖间隙变化如图4 所示。分析可知，紧急起飞或暖机不充分起飞时，第6 级转子叶尖径向过渡态最大间隙与最小间隙之差达1.8 mm。用最大间隙与最小间隙之差除以转子叶尖半径来描述压气机工作历程中叶尖间隙变化量，第6 级转子叶尖间隙变化量达0.6%。

图4 压气机第6 级转子叶尖径向间隙变化历程Fig.4 Tip clearance variation of one compressor's 6th stage rotor

通过过渡态叶尖间隙分析可以掌握过渡态对叶尖径向间隙影响的本质。该压气机第6 级转子叶尖、机匣变形和叶尖间隙过渡态变化规律见图5。分析可知，叶尖最小间隙发生在“冷机匣，热转子”叠加转速变化时，叶尖间隙最大发生在“热机匣，冷转子”叠加转速变化时，过渡态机匣和转子的热匹配越差，压气机转子叶尖径向间隙受过渡态的影响越大。可见过渡态对压气机转子叶尖径向间隙影响的本质，是机匣和转子热响应不匹配。在发动机工作条件下，压气机机匣热响应比转子热响应更快是压气机机匣的固有属性，也是导致过渡态出现“冷机匣，热转子”和“热机匣，冷转子”的根本原因。因此，通过降低压气机机匣热响应或加快转子热响应，可有效降低过渡态对压气机后几级叶尖径向间隙的影响。

图5 压气机第6 级转子、机匣变形和叶尖间隙过渡态变化规律Fig.5 Transient variation law of one compressor's 6th stage rotor,case and tip clearance

4 叶尖间隙控制

过渡态压气机叶尖间隙影响过大可能带来不利影响，因此有必要针对过渡态影响较大的压气机后几级采取叶尖间隙控制，这也是压气机后几级叶尖间隙设计的重要内容。本文主要研究被动间隙控制方法，其主要目的是实现机匣和转子的最佳热匹配，进而达到使压气机在所有工作状态下叶尖径向间隙保持为最小，且避免叶尖和涂层碰磨的设计目标。

根据工程经验，控制转子热响应的难度显然远高于控制机匣热响应的难度，因此国外成熟发动机普遍采取减缓压气机机匣热响应的措施。如CFM56 发动机压气机后几级通过在机匣局部增加质量来改变机匣热容，进而起到减缓机匣热响应的作用(图6)。

图6 CFM56 降低压气机机匣热响应措施Fig.6 A measure of slowing down the thermal response of CFM56 compressor case

对该压气机第6 级机匣采用与CFM56 发动机类似的叶尖间隙控制结构，即通过在机匣局部增加质量来改变机匣热容，其结构示意见图7。

图7 压气机机匣局部增加热容结构示意Fig.7 A measure of improving the local heat capacity of one compressor case

采用有限元方法，计算对比了压气机机匣采用图7 所示叶尖间隙控制结构在过渡态下的叶尖间隙收益。压气机机匣增加热容结构前、后的机匣热响应曲线和间隙变化见图8。分析可知，采取在机匣局部增加质量来改变机匣热容的叶尖间隙控制结构，可以起到减缓机匣热响应的作用。从图9 中的过渡态影响对比可以看出，采取叶尖间隙控制结构后，最小间隙从0.31 mm 增加到0.48 mm，增加0.17 mm，进而可以降低叶尖转、静子碰磨风险或允许减小叶尖间隙；最大间隙从2.11 mm 下降到1.87 mm，减小0.24 mm，进而可以提高发动机效率和安全性。

图8 压气机机匣局部增加热容后的机匣热响应曲线和间隙变化曲线Fig.8 Heat response curve and tip clearance variation curve of one compressor case after increasing case heat capacity

图9 过渡态影响对比Fig.9 Comparison of transient effect

5 结论

压气机后几级转子采取叶尖间隙控制结构可有效降低过渡态对叶尖间隙的影响，对于减小叶尖间隙，避免在正常飞行条件下发生转、静子碰磨有重要意义。以某压气机为例开展了相关分析，主要结论如下：

(1) 压气机叶尖间隙控制结构设计中需要重点考虑的载荷因素为热载荷和离心力载荷，影响压气机叶尖间隙的诸多载荷因素中，热载荷和离心力载荷是最基本也是主要的载荷因素。

(2) 掌握了压气机被动叶尖间隙控制的基本原理，为进一步开展压气机叶尖间隙控制奠定了基础。在发动机工作条件下，压气机机匣热响应通常比转子热响应更快，这种特点会导致过渡态转、静子热变形不匹配，这是过渡态对压气机转子叶尖径向间隙影响的本质。

(3) 通过降低压气机机匣热响应可达到过渡态转、静子热变形匹配的目的，可有效降低过渡态对压气机后几级叶尖径向间隙的影响。如采取在机匣局部增加质量来改变机匣热容的叶尖间隙控制结构，可以起到减缓机匣热响应的作用。