（工程热物理专业论文）涡轮叶尖间隙主动控制机匣内部流动与换热特性研究.pdf

摘要 控制合适的涡轮叶尖间隙对提高涡轮效率、降低航空发动机耗油率具有重要意义，目前主 动叶尖间隙控制技术已经成为高性能民用发动机的代表性技术之一。本文以某民用发动机中间 隙主动控制高压涡轮机匣为研究对象，利用数值模拟和实验研究相结合的方法，对机匣内部的 流场结构、流阻特性、机匣内表面的温度和换热系数分布规律开展了研究，重点分析高压涡轮 机匣中典型换热单元内的流动与换热特性，及其随冷气入射角度、冷气孔排布方式等参数的变 化规律。 针对机匣整环模型的数值计算表明，气流从进口达到冲击孔板后变为壁面流动，并通过冲 击孔加速冲击机匣内壁面，充分发展后气流从孔板上翅片与肋板形成的缝隙通过，最终流出机 匣。冲击孔射流达到肋板后，形成局部强化换热，同时随着气流通过孔板上翅片与肋板形成的 缝隙，此处的换热也得到一定的强化。从冷却总管进口沿周向方向，机匣壁面温度升高，壁面 换热系数逐步降低，离开进口9 0 度的位置气流基本滞止，换热效果最差。当冷气流量增加后， 机匣内气流速度升高，但随之带来的总压损失变大，机匣壁面的局部和平均换热效果有一定的 增强。在对整环模型研究的基础上，本文对机匣内部典型换热单元开展了数值研究。研究中通 过改变冲击孔直径( 1 m m ，1 5 m m ，2 m m ) 、冲击角度( 3 0 。，4 5 。，6 0 。) 、孔间隔角度( 第 一排孔1 1 2 5 。2 2 5 。4 5 。，第二排孔1 0 7 。2 1 4 。4 2 8 。，第三排孔1 0 7 。2 1 4 。4 2 8 。) ，分析了对应肋板的局部和平均换热系数，并对流动损失也进行了比对。结果表明，增加 冲击孔孔径可以减小压力损失，但不利于壁面换热系数的提高；改变气流入射角度对肋片和机 匣壁面平均换热系数有相反的影响规律。综合考虑压力损失和强化换热，冲击孔径为1 5 m m ， 入射角度为4 5 。的冷却结构比较合理。 通过上述数值模拟工作的开展，获得了高压机匣内部典型换热单元中的流动和换热特性， 本文进一步利用试验研究的方法分析了其内部流动特性。试验中进口r e 数为1 1 2 3 7 3 9 3 3 1 ( 折 合质量流量为0 0 0 6 o 0 2 1 k s ) ，冲击孔排布方式为第一排孔4 5 。入射，第二排孔入射角分别 为3 0 。4 5 。6 0 。，第三排孔入射角4 5 。研究中发现，冲击射流以4 5 度角入射时，所产生 的流阻和总压损失是最大的，当雷诺数为2 2 4 7 4 时总压损失为3 7 。总压损失随流量增加而增 大，冲击射流角度为4 5 度时这种增大趋势最为明显，6 0 度其次，3 0 度时最小。 关键词：航空发动机叶尖间隙主动控制冲击冷却流动特性换热特性 a b s t r a c t t u r b i n et i pc l e 甜a n c ec o n t r o lh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so ni n c r e a s i n gt h et u r b i n ee 伟c i e n c ya n d d e c r e a s i n gt h es p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o no ft h ea e r o e n g i n e n o w a d a y st u r b i n et i pc l e a r a n c ea c t i v e c o n t l o l t e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo f t h em o s tt y p i c a lt e c h n o l o g i e so nh i g hp e r f o r m a n c ec o m m e r c i a l e n g i n e s n u m e r i c a is i m u l a t i o n sa n de x p e r m e n t sw e r ea p p l i e do nah i g hp r e s s u r et u r b i n ec a s et od o s o m eb 嬲i ca n a l y s i so nt h en o ws t r u c t u r e ，r e s i s t a n c ec h a r a t e r i s t i c s ，t e m p e r a t u r ea n dh e a tt r a n s f e r c o e f h c i e n ti n s i d et h et u r b i n ec a s e t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f - e rc h 剐r a c t e r i s t i c so ft h et u r b i n ec a s ew e r e s p e c i f i c a l l ys t u d i e dw h e nt h ea 1 1 9 l ea l l dd i a m e t e r o ft h ei m p i n g e m e n th o l e sc h a n g e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ew h o l et u r b i n ec 硒es h o w e dt h a t ，t h ef l o wb e c 姗ew a l l s l i p m o v e m e n ta r e rr e a c h i n gt h ei m p i n g e m e n tp l a t e ，w h i c hw a sa c c e l e r a t e dt h r o u g ht h ei m p i n g e m e n t h o l e sa n dr e a c h e dt h et u r b i n ec a s ew a nl a t e r a tl a l s tt h en o wl e rt h ec a s ea r e ri tw e n tt h r o u g ht h e g 印b e t v v 7 e e nt h ei m p i n g e m e n tp l a t ew i n g sa i l dt h er i b i tw a sa l s oc o n c l u d e dt h a tt h ei m p i n g e m e n t f o r m e ds o m eh e a t 订孤s f e rs t r e n 舀h e n e dr e g i o n so nt h er i b ，a n dt h eh e a tn - a n s f e ri nt h eg a pw a s i m p r o v e dt 0 0 a sa i rn o w i n ga 1 0 n gt h et v v oe n t r a n c e s ，t h et e m p e r a t u r eo ft h ei n s i d ew a l lb e c a m e h i g h e ra n dt h eh e a tt 啪s f e rc o e f f i c i e mb e c a m el o w e r a t9 0 。 f r o mt h ee n t r a n c e ，t h ef i o ww a s a l m o s ts t a g n a t e da n dt h eh e a tt r a n s f e rt h e r ew a st 1 ew e a l ( e s t w h a te l s e ，a st h em 弱sn o wr a t e i n c r e a s e d ，t h en o ws p e e da n dt o t a lp r e s s u r el o s sb e c a i i l eh i g h e r ，a n dt h el o c a la n da v e r a g eh e a t t r a n s f e rc 印a b i l i t yw 嬲e n l l a n c e d b a s e do nt h er e s e ho ft h ew h o l ec 硒e ，f | u n h e rn u m e r i c a lr e s e a r c h w 弱c o n d u c t e do nt h et y p i c a lh e a tt r a n s f e re l e m e n ti nt h i sp 印e r i nt h er e s e a r c h ，t h ei m p i n g e m e n t h o l ed i a n l e t e r ( 1m m ，1 5 m ma n d2 m m ) ，a n g i e ( 3 0 。，4 5 。，6 0 。) a n dt h ea n g u l a rs p a c i n g ( t h ef i r s tr o w 1 1 2 5 。2 2 5 。4 5 。，t h es e c o n dr o w1 0 7 。2 1 4 。4 2 8 。，t h et h i r dm w1 1 2 5 。2 2 5 。，4 5 。) w e r ec h a n g e dt oa n a l y z em el o c a la n da v e r a g eh e a t 仃a n s f e rc o e m c i e n to ft h es p e c i f i cr i b a n dt h e t o t a lp r e s s u r e1 0 s sw 雒a l s oc o m p a f e d t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ep r e s s u r e1 0 s sa n dt h eh e a tt r a n s f e r c o e 硒c i e n td e c r e 舔e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei m p i n g e m e n th o i ed i 踟e t e r c h a n g i n gt h ei m p i n 即m e n t a n g l eh a so p p o s i t ee 毹c t sb e t 、v e e nt h ea v e r a g eh e a t 仃绷s f e rc o e f f i c i e n to ft h em a n dt h eo n eo ft h e t u r b i n ec a s ew a l l b a s e do nc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n0 nt h et o t a lp r e s s u r el o s sa n dt h e h e a t t r a n s f e rs t r e n 舀h e n i n g ，i ti sp r e f e r r e dt h a tt h ei m p i n g e m e n th o i e sh a v ea4 5 。 矾g l ea n da1 5 m m d i a i n e t e r t h en o wa n dh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h et y p i c a lh e a tt r a n s f e re l e m e n ti nh i g hp r e s s u r e t u r b i n ec a s ew e r eg a i n e di nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o v e a n dt h e ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e sw e r e a p p i i e dt oo b t a i nt h en o wc h a r a c t e r i s t i c si nt h ee l e m e n t i nt h ee x p e r i m e n t ，t h er e y n o l d sn u m b e r w a s 啪g e d112 3 7t o3 9 3 31 ( m a s sn o wr a t e0 0 0 6 - 0 0 21k s ) ，a n dt h ei m p i n g e m e mh o i e sa n g i e sw e r e c h a n g e d ( t h ef i r s tr o w4 5 。，t h es e c o n dr o w3 0 。4 5 。，6 0 。，t h et h i r dr o w4 5 。) t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h es t r u c t u r eo fw h i c ht h ei m p i n g e m e n th o l eh a da4 5 。 a n g l em a d et h eh i g h e s tf l o wr e s i s t a n c e a n dt o t a lp r e s s u r el o s s t h et o t a lp r e s s u r el o s sa c h i e v e d3 7 w h e nt h er e y n o l d sn u m b e rw a s2 2 4 7 4 w i t ht h ei n c r e a s eo ft h em a s sn o wr a t e ，t h ep r e s s u r el o s sg e t sh i g h e r t h i si n f i u e n c ew 硒t h em o s t o b v i o u sw h e nt h ei m p i n g e m e n th a da 4 5 。 a n g l e ，w h i c hb e c 枷ew e a k e rw i t ht h e6 0 。i m p i n g e m e n t a n dt h ei n f l u e n c ew 弱t h ew o r s tw i t ht h e3 0 。i m p i n g e m e n t k e yw o r d s ： a e r o e n g i n e ， t u r b i n et i pc l e a r a n c ea c t i v ec o n t r o l ，i m p i n g e m e n tc o o l i n g ， f l o w c h a r a c t e r i s t i c s ，h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s 图清单 图1 1 叶尖间隙泄漏流动示意图1 图1 2 叶尖间隙泄漏流动特性和流场结构示意图1 图1 3 叶尖间隙变化示意图2 图1 4 叶片失效图2 图1 5 叶尖间隙对涡轮发动机耗油率和效率的影响3 图1 6 一个典型飞行过程中间隙变化规律变化3 图1 7 典型的被动间隙控制系统( m t u ) 4 图1 8c f m 5 6 2 系列的被动间隙控制系统5 图1 9 间隙控制系统特征图6 图1 1 0 冲击凹、凸面流场显现9 图1 1 1 半圆柱冲击靶面上沿着周向和轴向的局部努塞尔数分布图1 0 图2 1 试验模型1 7 图2 2 文献试验模型及参数示意图1 7 图2 3 数值计算验证模型结构图17 图2 4 验证模型网格划分图18 图2 5 验证模型边界设置示意图18 图2 6 文献h d = 2 情况下n u 数分布图19 图2 7 验证模型n u 数分布图2 0 图3 1 模型整体造型2 1 图3 2 网格划分中约9 0 度的模型2 l 图3 3 模型内部流动通道2 1 图3 4 机匣内部结构图21 图3 5 机匣内部流动情况2 1 图3 6 约四分之一模型的整体网格2 2 图3 7 冲击孔处的网格2 2 图3 8 内部通道网格划分2 2 图3 9 网格试验结果以及参差图2 2 图3 1 0 边界条件设定2 3 图3 1l 模型切面位置2 3 i x 图3 12o 度截面流线图2 4 图3 13o 度截面速度云图2 4 图3 1 4 局部位置矢量图2 5 图3 1 5o 度截面压力云图2 5 图3 163 0 度截面流线图2 6 图3 1 73 0 度截面速度云图2 6 图3 1 83 0 度截面上3 腔内速度矢量图2 6 图3 1 93 0 度截面压力分布2 7 图3 2 06 0 度截面流线图2 7 图3 2 l6 0 度截面速度云图2 7 图3 2 26 0 度截面2 腔内速度矢量图2 7 图3 2 36 0 度截面位置a 附近速度矢量图2 8 图3 2 46 0 度截面压力云图2 8 图3 2 59 0 度截面流线图2 8 图3 2 69 0 度截面速度云图2 9 图3 2 79 0 度截面3 腔内速度矢量图2 9 图3 2 89 0 度截面压力云图2 9 图3 2 9 截面位置简图2 9 图3 3 0 截面j 流动状况3 0 图3 31 截面k 流动状况3 0 图3 3 2 截面l 流动状况3 1 图3 3 3o 度截面各工况下流线比对3 1 图3 3 4 气流最大速度随质量流量变化曲线3 2 图3 3 50 度截面各工况下压力分布3 2 图3 3 6 总压损失随质量流量变化图3 3 图3 3 70 度截面温度分布3 4 图3 3 83 0 度截面温度分布3 5 图3 3 96 0 度截面温度分布3 5 图3 4 09 0 度截面温度分布3 6 图3 4 i 机匣内外壁面温度分布3 6 图3 4 2 肋板处温度分布3 7 图3 4 3 截面j 温度分布3 8 x 图3 4 4 截面k 温度分布3 9 图3 4 5 所研究的机匣内壁示意图4 0 图3 4 6 机匣内整体壁面换热系数4l 图3 4 7 机匣内壁面局部换热系数4 l 图3 4 80 度截面各工况_ f 机匣温度分布4 2 图3 4 9 机匣壁面平均温度变化图4 2 图3 5 0 机匣壁面平均换热系数变化4 2 图4 1 模型整体一4 5 图4 2 冲击孔示意4 5 图4 3 机匣内壁4 5 图4 4 流路示意图4 5 图4 5 整体流线图4 6 图4 6 截面k 速度云图4 6 图4 7 速度云图4 7 图4 8 流线图4 7 图4 9 机匣内壁温度云图4 7 图4 1 0 机匣整段平均温度分布4 7 图4 1 l4 5 度孔径1 m m 速度云图4 8 图4 1 24 5 度孔径1 m m 流线图4 8 图4 134 5 度孔径2 m m 速度云图4 8 图4 1 44 5 度孔径2 m m 流线图4 8 图4 153 0 度孔径对各壁面平均换热系数影响4 8 图4 1 64 5 度孔径对各壁面平均h 影响4 8 图4 1 76 0 度孔径对各壁面平均h 影响4 9 图4 1 8 各：l = 况下压力损失比较4 9 图4 1 93 0 度孔径1 5 m m 时速度云图4 9 图4 2 03 0 度孔径1 5 m m 时流线图4 9 图4 2 16 0 度孔径1 5 m m 时速度云图5 0 图4 2 26 0 度孔径1 5 m m 时流线图5 0 图4 2 3b 2 局部换热系数放大云图5 0 图4 2 4 孔径1 m m 时角度对换热系数的影响5 0 图4 2 5 孔径1 5 m m 时角度对换热系数影响5 0 x 1 图4 2 6 孔径2 m m 时角度对换热系数的影响5 1 图4 2 7 基准t 2 ( 1 5 m m 、4 5 度) 截面流场信息5 1 图4 2 8t 2 孔4 5 度1 5 m m 时壁面换热特性5 2 图4 2 9t 2 变化对壁面换热系数影响5 2 图4 3 0t 2 孔径变化对流场影响5 3 图4 3 1t 2 不同冲击角度对流场影响5 3 图4 3 2t 2 参数变化对压力损失影响5 4 图4 3 3 基准t 3 ( 1 5 m m 、4 5 。) 模型截面流场特性5 5 图4 3 4t 3 角度变化对流场影响5 5 图5 1 试验系统图5 7 图5 2 试验系统实物图5 7 图5 3 涡街流量计5 8 图5 。4 水排5 8 图5 5 稳压桶5 8 图5 6 试验段示意图5 9 图5 7 试验件组装图5 9 图5 8 试验件盖板6 0 图5 9 底板及外框6 0 图5 1 0 孔板6 0 图5 1 1 试验段实物图6 0 图5 1 2 = 4 5 度2 腔沿程静压分布6 1 图5 1 3 = 3 0 度2 腔沿程静压分布6 2 图5 1 4 = 6 0 度2 腔沿程静压分布6 2 图5 15 = 4 5 度时3 腔沿程静压6 2 图5 16 - 3 0 度时3 腔沿程静压6 3 图5 17 = 6 0 度时3 腔沿程静压6 3 图5 1 8 = 4 5 度出口沿程总压分布图6 3 图5 1 9 = 3 0 度时出口沿程总压分布6 3 图5 2 0 = 6 0 度时出口沿程总压分布6 3 图5 2 1 - 4 5 度时2 腔内沿程压力6 4 图5 2 2 = 4 5 度时3 腔内沿程压力6 4 图5 2 3 = 3 0 度时2 腔压力6 4 x i i 图5 2 4 = 3 0 度时3 腔压力6 4 图5 2 5 = 6 0 度时2 腔压力6 5 图5 2 6 = 6 0 度时3 腔压力6 5 图5 2 7 = 4 5 度出口压力分布6 5 图5 2 8 = 3 0 度出口压力分布6 5 图5 2 9 = 6 0 度出口压力分布6 5 图5 3 0 总压损失随流量变化图6 6 x l i l x i v 表清单 表1 1 间隙测量传感器技术要求7 表2 1 方程中的广义扩散系数1 3 表2 2 控制方程中的各项系数1 6 表2 3 验证模型计算边界表18 表2 4 基本参数表19 表3 1 材料物性表2 3 表3 2 壁面平均换热系数4 0 表5 1 试验工况表6 l 表5 1 试验中所采用的测量仪器及其精度一6 6 x v x v i 注释表 冲击孔直径 空气密度 热流密度 实际温度 冷却空气导热系数 流量计标准状态下体积流量 标准状态下大气温度 标准状态下大气压力 质量流量 空气动力粘性系数 参考温度 测量温度 壁面换热系数 流量计使用状态下体积流量 流过流量计空气的绝对温度 流过流量计空气的绝对压力 x v i i 廊 乙厅缺瓦b d p g c 兄纵瓦昂 x v i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 航空发动机叶尖间隙通常是指轴流式发动机转子叶片叶尖与机匣之间的间隙。在设计中， 为了避免发动机在装配和工作状态下转子叶片和机匣直接接触，必须保证一定的间隙。由丁叶 片压力面和吸力面之间，在发动机r ：作状态下存在着压力差，气体会通过这个间隙形成泄漏流 动，如图1 1 所示。 m o “n go l i t c r ( a h 培 图1 1 叶尖间隙泄漏流动示意图 这种泄漏流动( t h eo v e rt i pl e a k a g ef l o w ，o t l ) 是一种非常复杂的强三元可压流动，直接改 变了叶片表面的流动换热特性，影响了压气机和涡轮的效率，进而对整个发动机的性能、耗油 率和可靠性等产生影响。如图1 2 所示，由丁叶片表面的型面参数、叶片高速转动以及叶尖间 隙的儿何结构特征的共同作用，在n 1 。尖间隙中，来自压力面的高温燃气，形成多种结构的涡系 运动，并在吸力面以及f 游通道中附着或者分离。 0 n 繁爹。鼍辫j 文二熬纂誊e 篙警霉娄 r 溉、。：i 、一 雾毳、。j ) 坼 彰i ：鬟鬟掣罄 黑翟麓。彰 ：o 中弘o ，“*! l 。一 a ) 叶尖间隙中流动迹线示意b ) 泄漏流动涡系示意 图1 2 叶尖间隙泄漏流动特性和流场结构示意图 涡轮叶尖间隙主动控制机匣内部流动与换热特性研究 相关研究中发现【l 2 】，不同部件( 如高压涡轮、低压涡轮、高压压气机等) 时+ 尖间隙减小对 于提高发动机性能，提升民用发动机的经济性效果存在显著差异。研究表明叶尖间隙在高压涡 轮中应用，其效果最为明显，收益可以达到低压涡轮的四倍。同时由于同压气机相比，涡轮本 身工作条件更恶劣，因此在涡轮中( 如低压涡轮) 采用叶尖间隙控制技术，其收益是高压压气 机的二倍。有研究表明，叶尖间隙和叶片高度之比每增加1 ，压气机或涡轮的效率将会降低 o 8 1 2 。 但是叶尖间隙却不能无限制的减小。以高压涡轮( h p t ) 为例，发动机工作状态下，涡轮 叶片由于高速旋转，在离心力的作用下，叶片会沿着径向伸长；同时由于高温燃气对叶片的加 温作用，叶片也将膨胀变形；再考虑到振动、蠕变等作用，叶尖同机匣之间的间距将明显改变。 如图1 3 中显示，某些发动机工作状态下( 如发动机的加速与减速过程中) ，由于机匣内径与 叶尖的位移不同步，一般会形成最小间隙。如果控制不当，转子叶片将同机匣之间摩擦甚至折 断，导致发动机失效，造成严重的事故。 jl b i 薯d e l 妇w n g i 脯 l 毫h 由o u d & b i 套d e 窖删n o 哟 图1 3 叶尖间隙变化示意图图1 4 叶片失效图 对于没有采用叶尖间隙控制技术的发动机，为了保证各工作状态下有适当的间隙，就使得 在稳定工作状态( 如最大功率及巡航) 的叶尖间隙太大。这势必引起压气机或涡轮气流从叶尖间 隙的泄漏量增大，从而降低发动机性能，此时发动机为了保证功率，将向燃烧室中喷入更多的 燃油，通过提高循环最高温度来提高性能，从而导致排气温度( e x h a u s tg a st e m p e r a t u r e ，e g t ) 上升，影响了涡轮等部件的可靠性，同时耗油率( s p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ，s f c ) 也将增加。 研究中发现叶尖间隙与叶高之比增加1 ，对于双转子涡轮风扇发动机会增加其2 的耗油率， 而涡轮轴发动机的耗油率增加约1 5 。如图1 5 所示。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 耗漕事 增量 低压& 膏医压膏压低压 气机气机焉轮碱 图1 5 叶尖间隙对涡轮发动机耗油率和效率的影响 综上所述，叶尖间隙控制根本目的是：保证发动机在任何工作状态下，叶片叶尖同机匣之 间保持合适的间隙。即要保证在任何状态下转子与机匣不相碰，又要保证叶尖间隙尽可能的小。 图1 6 一个典型飞行过程中间隙变化规律变化 图1 6 给出了在一个典型的飞行过程中，叶尖间隙的变化规律1 3 】，其中黑色的线条代表了 飞行中速度的变化，蓝色的曲线表示了间隙的变化。横坐标为时间，纵坐标为叶尖间隙的数值。 从图中可以清晰的看到，在起飞的加速和着陆的减速状态下，形成了最小的叶尖间隙( 通常称 这两个点为p i n c hp o i n t s ) 。而在飞行的其它时间，特别是飞行的巡航状态下，蓝色曲线所代表 的叶尖间隙总是处于较大值，这是非常不利于降低油耗的，因此采用叶尖间隙主动控制( a c t i v e c l e 甜锄c ec o n n 0 l ，a c c ) 的主要目的就是有效保证间隙，使之保持一个合适的值。 美国的很多研究机构投入流入大量的人力物力来研究叶尖间隙主动控制的相关技术问题， 最具代表性的有通用电气( g e ) 公司、美国国家航空宇航局( n a s a ) 、美国w r i 曲t 空军试验室等， 欧洲的r o l i s r o y c e 公司，包括亚洲的日本国家宇航试验室也针对叶尖间隙的相关问题进行了多 样性的探索研究。上述研究工作的开展，获得了诸多很有价值的研究成果，并在工业领域，特 涡轮叶尖问隙主动控制机匣内部流动与换热特性研究 别是在民用发动机中获得了大量的应用，如c f m 5 6 、v 2 5 0 0 和g e 9 0 等现代高性能民用发动机 中就都采用了叶尖间隙控制技术。 1 2 叶尖间隙被动控制和主动控制技术 目前在各种航空发动机上广泛采用的叶尖间隙控制技术大多基于可控热变形，并且控制方 式已经从最初的叶尖间隙被动控制发展到主动控制技术。 1 2 1 被动间隙控制技术 所谓被动间隙控制方法，是根据不同工作状态下转子与静子的受力状况及机匣的受热变形 情况，预先进行精心的合理设计，以使转、静子之间具有良好的变形协调能力，使间隙保持在 允许的范围内。这样在发动机工作时，机匣能够被动地适应不同工作状态的要求而改变间隙。 但是，这种方法不可能在发动机运转时完全独立地控制机匣的热膨胀。安装这种系统的发 动机，在其j r 作循环中，控制机匣温度( 即径向位移) 的冷气流量仅仅是被动的跟随发动机的转 速变化，不能完全根据发动机：】：作状态的变化而对它施加人为影响，即仅能达到被动控制叶尖 间隙的目的。 叶尖间隙被动控制系统的典型结构形式之一如图1 7 所示。这是m t u 研制的一台9 0 0 k w 级的涡轮轴发动机的第二级涡轮机匣，它是由一个整圈的刚性好、质量火的外环和一个整圈的 质量小的内衬环构成一个盒形镶嵌结构，挂在燃烧室内的机匣上。外环上面开有许多冲击冷却 孔，外层冷气穿过它们对内衬环进行冲击冷却。此外，内衬环的内表面上还喷有蜂窝状氧化皓 涂层，起隔热作用。 燃烧室内机匣 图1 7 典型的被动间隙控制系统( m t u ) c f m 5 6 2 系列发动机在低压涡轮上采用了被动间隙控制系统如图1 8 所示。系统由一个总 管引风扇后冷空气，经过包围了机匣的、带冲击冷却孔的多排圆管向低压涡轮机匣外表面喷射 冷气，冲击冷却机匣，达到控制机匣热膨胀尺寸，减小叶尖间隙的目的。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 毪觏熟匣的管排 图1 8c f m 5 6 2 系列的被动间隙控制系统 1 2 2 主动间隙控制技术 随着现代控制技术的发展，特别是传感器功能、控制器运算能力的提高，使得发动机控制 和调：肯中可以获得和处理更多的信息。当今先进发动机中已经装备了f a d e c 全权限数字电调 系统，这进一步促进了叶尖间隙主动控制技术的发展。 所谓叶尖间隙主动控制技术，就是靠发动机的主调节器( 如f a d e c 等) 控制机匣的径向 位移，主动控制叶尖间隙使之达到最小允许值的系统，如c f 6 、c f m 5 6 5 、v 2 5 0 0 、x g 4 0 、 m 8 8 、p w 4 0 0 0 、g e 9 0 等涡扇发动机中均采川了主动间隙控制技术。最典型的是美国g e 公司 的七十年代末研制成功的c f m 5 6 系列的涡轮风扇发动机上使用的间隙主动控制系统。该系统 在r 作中，首先通过感受发动机某些反映影响叶尖间隙的重要参数，如发动机转速、风扇出口 温度、压气机出口温度、燃料流量以及飞行高度等，再由发动机主调节器控制引气活j 、j 开度， 控制对转子或静子吹气的冷气量，以改善它们的热变形，使叶尖间隙在任何状态卜都尽可能小。 硼斟； ；，i r l 一 唧 涡轮叶尖间隙主动控制机匣内部流动与换热特性研究 r o - _ - _ _ _ r o o o o - _ - _ - 叶r l _ _ _ - - - _ 1 r _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ 一 i 辩l h w il n w lld 酏吖l o 捂协dl e l lle n g l l e n g l n el i e 叼籼 i f c o l d i| l c i ) lli c i ) i c k ) l“ l 蝴i ；o c cl w c ci l w c c l 上幽上吉一 l a ) r b 蛔 d h 蛳g i n h h 坩d & b i a 目h 口嘲，n o u t ) ( c ) 啪 甜i 嘲一帕j n c l 哪n c 矾训h 曩 图1 9 间隙控制系统特征图 图1 9 中( a ) 显示了一个新发动机在出厂( 冷态) 的间隙状态，考虑到安装时叶片不能够 同机匣相碰擦，同时为了给发动机工作状态下叶片等热膨胀和离心变形等留有余量，出厂时该 叶尖间隙比较大。当发动机开始工作后，如图1 9 中( b ) 所示的巡航状态，由于叶片和机匣等 热变形量不同，同时高速旋转状态下叶片还存在了离心变形，导致此时间隙将有所减小，显然 高温燃气将通过这个间隙形成泄漏流动，从而降低了发动机性能。为了减小该间隙，可以在发 动机工作中根据状态的变化来改变间隙，使之保持在一个最佳范围内，这就是所谓的间隙主动 控制( a c t i v ec l e a r a n c ec o n t r o l ，a c c ) 。图1 9 中的( c ) 显示的是一种典型的半主动控制技术。 它通过感受发动机某些反映影响叶尖间隙的参数，如转速、风扇出口温度、压气机出口温 度、燃料流量等，再由发动机主调节器控制引气活门开度，改变对转子或静子吹气的冷气流量， 以控制它们的热变形，使