翟靈慧　張祥

摘 要：本文首先對(duì)選擇地冷卻或加熱定子或轉(zhuǎn)子元件從而調(diào)節(jié)端部間隙的技術(shù)分支進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，然后對(duì)轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間間隙調(diào)節(jié)的技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理，并重點(diǎn)針對(duì)定子的加熱和冷卻方式進(jìn)行了分析，并對(duì)申請(qǐng)量最大的申請(qǐng)人通用公司在有選擇地冷卻或加熱定子或轉(zhuǎn)子元件從而調(diào)節(jié)端部間隙的專利發(fā)展趨勢(shì)、構(gòu)成以及主要研究方向進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：葉尖；定子；間隙；加熱；冷卻；控制

中圖分類號(hào)：TM307 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

葉輪機(jī)械中，轉(zhuǎn)子葉片在殼體內(nèi)部并相對(duì)于殼體轉(zhuǎn)動(dòng)，為了避免轉(zhuǎn)子葉片在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與殼體之間碰摩，轉(zhuǎn)子葉片頂部和殼體徑向內(nèi)表面之間通常留有間隙。該間隙是燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的性能、可靠性、安全性都有至關(guān)重要的影響。由于渦輪葉片和定子的膨脹效應(yīng)不同，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工作狀態(tài)下，渦輪葉尖和定子之間的間隙也會(huì)隨之改變。如果間隙增大，則因?yàn)闊霟釟怏w從間隙逸出，渦輪的效率下降。如果間隙太小，則槳葉、護(hù)環(huán)及其他部件的熱學(xué)性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致槳葉與護(hù)環(huán)摩擦。因此，為了防止由于間隙改變而帶來(lái)的不利效果，控制渦輪葉尖間隙，保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、定子之間良好的間隙配合，是必不可少的。

由于葉尖間隙對(duì)渦輪性能影響明顯，各國(guó)從20世紀(jì)50年代開始在渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流動(dòng)的生成及發(fā)展過(guò)程、流動(dòng)結(jié)構(gòu)、損失機(jī)理等方面開展了廣泛的研究，逐步揭示了渦輪轉(zhuǎn)子葉尖間隙泄漏流動(dòng)以及損失機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行端部間隙的控制研究，采取主動(dòng)間隙控制或自調(diào)節(jié)裝置等，對(duì)轉(zhuǎn)子葉尖和定子之間端部間隙進(jìn)行調(diào)整，提高渦輪性能。

一、端部間隙調(diào)節(jié)技術(shù)概況

目前，對(duì)轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間的間隙調(diào)節(jié)的方式主要有以下四種：利通過(guò)自調(diào)節(jié)裝置，利用帶有預(yù)定熱反應(yīng)的定子或轉(zhuǎn)子元件；用機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)定子或轉(zhuǎn)子；有選擇地冷卻或加熱定子或轉(zhuǎn)子元件；本文將對(duì)有選擇地冷卻或加熱定子或轉(zhuǎn)子元件這一端部間隙調(diào)節(jié)方式進(jìn)行分析研究。

二、端部間隙調(diào)節(jié)專利技術(shù)分析

1.全球申請(qǐng)量分析

總的申請(qǐng)趨勢(shì)呈現(xiàn)出不斷波動(dòng)的狀態(tài)，2004年前，每年的申請(qǐng)量大多在10個(gè)以下，為相對(duì)低谷期；在2004年之后，每年的申請(qǐng)量由10左右增長(zhǎng)為25個(gè)左右，為快速發(fā)展期。申請(qǐng)量最大的密封方式為冷卻定子方法，其次為加熱定子。

2.申請(qǐng)人分析

根據(jù)申請(qǐng)人的申請(qǐng)量排名，在該領(lǐng)域申請(qǐng)量最大的公司為通用公司（此處通用公司包括通用電氣公司和通用汽車公司），其次為斯奈克瑪公司、聯(lián)合工藝公司、勞斯萊斯公司、西門子公司、MOTU、三菱重工業(yè)，這些申請(qǐng)人在該領(lǐng)域也具有較多的研究。

根據(jù)申請(qǐng)人的國(guó)別，以美國(guó)居首，其申請(qǐng)量占總申請(qǐng)量的53.68%，其次是法國(guó)，占比22.06%，英國(guó)12%，英國(guó)9.93%，德國(guó)7.72%，日本3.31%，俄羅斯3.31%。由于轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間的間隙調(diào)整主要應(yīng)用在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上，尤其是飛機(jī)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上，以上占比主要與這些國(guó)家對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r及研究量相關(guān)。

通用、斯奈克瑪這兩個(gè)公司從1988年至今在該領(lǐng)域的研究始終沒有中斷，而聯(lián)合工藝公司和RORO則是在1997年之后保持持續(xù)研究；另外，通用公司雖然在該領(lǐng)域申請(qǐng)量最大，但從1991年之前的申請(qǐng)情況來(lái)看，申請(qǐng)量最大的申請(qǐng)人為聯(lián)合工藝公司，1991年之后，通用的申請(qǐng)量才逐年增長(zhǎng)，可見，聯(lián)合工藝公司在早期對(duì)該領(lǐng)域投入了大量的研究。

3.主要申請(qǐng)人——通用公司重點(diǎn)技術(shù)分析

通用公司作為該領(lǐng)域申請(qǐng)量最大的主要申請(qǐng)人，在1957年就提出了涂層密封這種應(yīng)用最為廣泛的密封形式，可見在轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間利用磨損帶的間隙密封領(lǐng)域歷經(jīng)了近60年的研究歷程。從研究伊始到1990年，通用公司的申請(qǐng)量處于平穩(wěn)狀態(tài)，到了2004年之后，申請(qǐng)量呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)，2010年之后，申請(qǐng)量呈現(xiàn)出快速的增長(zhǎng)，進(jìn)入了高峰期。從研究方向的側(cè)重點(diǎn)來(lái)看，其主要針對(duì)冷卻定子的方式調(diào)節(jié)端部間隙進(jìn)行研究，并且隨著時(shí)間的發(fā)展，總是冷卻定子的方式要多于加熱定子的方式。從通用公司歷年來(lái)的申請(qǐng)涉及的主要端部間隙調(diào)節(jié)的申請(qǐng)量可以發(fā)現(xiàn)，通用公司主要研究的通過(guò)冷卻定子來(lái)調(diào)節(jié)端部間隙，對(duì)加熱定子的研究也較多，對(duì)加熱轉(zhuǎn)子的研究最少。下文也主要針對(duì)對(duì)定子的加熱或冷卻從而實(shí)現(xiàn)端部間隙調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行發(fā)展脈絡(luò)的分析。

4.發(fā)展脈絡(luò)

1945年，英國(guó)POWER JETS RES & DEV LTD公司提出了通過(guò)僅對(duì)渦輪殼體和進(jìn)行冷卻從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子和定子的端部間隙，其在渦輪外殼設(shè)置冷卻空氣通道，冷卻空氣來(lái)自壓縮機(jī)或者其他熱源；在1959年之后出現(xiàn)一些美國(guó)和英國(guó)的個(gè)人申請(qǐng)，也都是通過(guò)對(duì)渦輪的殼體等進(jìn)行冷卻從而調(diào)節(jié)端部間隙：1975年，聯(lián)合工藝公司提出從風(fēng)扇中抽取冷氣卻對(duì)渦輪機(jī)匣進(jìn)行；1976年通用電氣公司提出從壓氣機(jī)抽取冷氣卻對(duì)渦輪的外環(huán)支撐件進(jìn)行冷卻，其中加入了傳感器和控制閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻空氣的控制；1981年，聯(lián)合工藝公司提出在不同的工況下對(duì)機(jī)匣進(jìn)行冷卻或加熱，從而使間隙增大或減小，是在機(jī)匣外設(shè)置冷卻管，采用沖擊冷卻方式：之后的幾年的研究，主要是在改善冷卻效果方面，1986年，慕尼黑發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪機(jī)聯(lián)合股份公司提出采用雙機(jī)匣的對(duì)流換熱方式來(lái)增強(qiáng)冷卻效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)匣的冷卻，從而調(diào)節(jié)端部間隙；1988年聯(lián)合工藝公司提出通過(guò)增加機(jī)匣冷卻管的截面積來(lái)增強(qiáng)冷卻效果，從而調(diào)節(jié)端部間隙；1997年，法國(guó)的國(guó)家航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究制造公司，為了解決外殼受熱不均勻的問(wèn)題，提出一種用于加熱或冷卻外殼以調(diào)節(jié)其直徑，尤其是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片與該外殼之間之間隙的裝置；2000年之后對(duì)端部間隙的調(diào)節(jié)的研究主要致力于保證加熱的均勻性以及在引位置上的細(xì)小改進(jìn)，相對(duì)于20世紀(jì)的研究，還提出了采用電加熱的方法來(lái)加熱或冷卻定子。

國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)90年代末期開始主動(dòng)間隙控制技術(shù)的相關(guān)研究工作，主要在高校開展了一些計(jì)算分析工作，北京航空航天大學(xué)的郭淑芬和徐波等人就溫度與轉(zhuǎn)速對(duì)渦輪葉尖間隙的影響進(jìn)行了研究。王寶官和李玲等人進(jìn)行了傳熱對(duì)葉尖間隙影響的研究，分別給出了轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)量和機(jī)匣膨脹量的計(jì)算方法。南京航空航天大學(xué)的陳偉教授研究小組，一直致力于渦輪葉尖間隙數(shù)值分析方法的研究。近幾年來(lái)，隨著民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作的開展，國(guó)內(nèi)主要的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)院所開始進(jìn)行主動(dòng)間隙控制技術(shù)的研究，在探索自主設(shè)計(jì)渦輪主動(dòng)間隙控制系統(tǒng)的道路取得了進(jìn)展，突破了部分關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算分析和試驗(yàn)，正逐步建立起自己的設(shè)計(jì)方法。

通過(guò)對(duì)以上的發(fā)展脈絡(luò)的梳理，可以看出，國(guó)外對(duì)于轉(zhuǎn)子葉尖與定子之間通過(guò)加熱或冷卻定子從而調(diào)節(jié)端部間隙領(lǐng)域的研究開展的早，且針對(duì)結(jié)構(gòu)、方式、不同工況下的間隙調(diào)節(jié)均展開了深入的研究；相比之下，國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究十分少，由國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人申請(qǐng)的專利量不足30篇。

結(jié)語(yǔ)

主動(dòng)間隙控制技術(shù)是民用先進(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率，提高性能、壽命和可靠性的具有重要的作用。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究工作已啟動(dòng)，已經(jīng)完成或正在開展的試驗(yàn)包括機(jī)匣沖擊換熱試驗(yàn)、冷卻管路流阻與流量分配試驗(yàn)、渦輪盤腔流動(dòng)換熱試驗(yàn)、典型環(huán)境下全尺寸含間隙控制冷卻系統(tǒng)的高壓渦輪機(jī)匣組件溫度分布與徑向位移測(cè)量試驗(yàn)等。

參考文獻(xiàn)

[1]曾軍，等.民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉尖間隙主動(dòng)控制技術(shù)分析[J].航空科學(xué)技術(shù)，2012（2）：1-6.

[2] 顧偉等.民用航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉尖間隙控制技術(shù)綜述[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2013，26（1）：1-4.endprint