冷卻或加熱定子或轉子元件端部間隙調節專利技術綜述

翟靈慧　張祥

摘 要：本文首先對選擇地冷卻或加熱定子或轉子元件從而調節端部間隙的技術分支進行簡要介紹，然后對轉子葉尖與定子之間間隙調節的技術發展路線進行梳理，并重點針對定子的加熱和冷卻方式進行了分析，并對申請量最大的申請人通用公司在有選擇地冷卻或加熱定子或轉子元件從而調節端部間隙的專利發展趨勢、構成以及主要研究方向進行分析。

關鍵詞：葉尖；定子；間隙；加熱；冷卻；控制

中圖分類號：TM307 文獻標識碼：A

葉輪機械中，轉子葉片在殼體內部并相對于殼體轉動，為了避免轉子葉片在轉動時與殼體之間碰摩，轉子葉片頂部和殼體徑向內表面之間通常留有間隙。該間隙是燃氣輪機的關鍵參數，對燃氣輪機的性能、可靠性、安全性都有至關重要的影響。由于渦輪葉片和定子的膨脹效應不同，發動機在不同的工作狀態下，渦輪葉尖和定子之間的間隙也會隨之改變。如果間隙增大，則因為熾熱氣體從間隙逸出，渦輪的效率下降。如果間隙太小，則槳葉、護環及其他部件的熱學性質會導致槳葉與護環摩擦。因此，為了防止由于間隙改變而帶來的不利效果，控制渦輪葉尖間隙，保持發動機轉子、定子之間良好的間隙配合，是必不可少的。

由于葉尖間隙對渦輪性能影響明顯，各國從20世紀50年代開始在渦輪轉子葉尖間隙泄漏流動的生成及發展過程、流動結構、損失機理等方面開展了廣泛的研究，逐步揭示了渦輪轉子葉尖間隙泄漏流動以及損失機理，并在此基礎上進一步進行端部間隙的控制研究，采取主動間隙控制或自調節裝置等，對轉子葉尖和定子之間端部間隙進行調整，提高渦輪性能。

一、端部間隙調節技術概況

目前，對轉子葉尖與定子之間的間隙調節的方式主要有以下四種：利通過自調節裝置，利用帶有預定熱反應的定子或轉子元件；用機械方式驅動定子或轉子；有選擇地冷卻或加熱定子或轉子元件；本文將對有選擇地冷卻或加熱定子或轉子元件這一端部間隙調節方式進行分析研究。

二、端部間隙調節專利技術分析

1.全球申請量分析

總的申請趨勢呈現出不斷波動的狀態，2004年前，每年的申請量大多在10個以下，為相對低谷期；在2004年之后，每年的申請量由10左右增長為25個左右，為快速發展期。申請量最大的密封方式為冷卻定子方法，其次為加熱定子。

2.申請人分析

根據申請人的申請量排名，在該領域申請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、聯合工藝公司、勞斯萊斯公司、西門子公司、MOTU、三菱重工業，這些申請人在該領域也具有較多的研究。

根據申請人的國別，以美國居首，其申請量占總申請量的53.68%，其次是法國，占比22.06%，英國12%，英國9.93%，德國7.72%，日本3.31%，俄羅斯3.31%。由于轉子葉尖與定子之間的間隙調整主要應用在燃氣渦輪發動機上，尤其是飛機的燃氣渦輪發動機上，以上占比主要與這些國家對于渦輪發動機的發展狀況及研究量相關。

通用、斯奈克瑪這兩個公司從1988年至今在該領域的研究始終沒有中斷，而聯合工藝公司和RORO則是在1997年之后保持持續研究；另外，通用公司雖然在該領域申請量最大，但從1991年之前的申請情況來看，申請量最大的申請人為聯合工藝公司，1991年之后，通用的申請量才逐年增長，可見，聯合工藝公司在早期對該領域投入了大量的研究。

3.主要申請人——通用公司重點技術分析

通用公司作為該領域申請量最大的主要申請人，在1957年就提出了涂層密封這種應用最為廣泛的密封形式，可見在轉子葉尖與定子之間利用磨損帶的間隙密封領域歷經了近60年的研究歷程。從研究伊始到1990年，通用公司的申請量處于平穩狀態，到了2004年之后，申請量呈現出明顯的增長，2010年之后，申請量呈現出快速的增長，進入了高峰期。從研究方向的側重點來看，其主要針對冷卻定子的方式調節端部間隙進行研究，并且隨著時間的發展，總是冷卻定子的方式要多于加熱定子的方式。從通用公司歷年來的申請涉及的主要端部間隙調節的申請量可以發現，通用公司主要研究的通過冷卻定子來調節端部間隙，對加熱定子的研究也較多，對加熱轉子的研究最少。下文也主要針對對定子的加熱或冷卻從而實現端部間隙調節的方式進行發展脈絡的分析。

4.發展脈絡

1945年，英國POWER JETS RES & DEV LTD公司提出了通過僅對渦輪殼體和進行冷卻從而調節轉子和定子的端部間隙，其在渦輪外殼設置冷卻空氣通道，冷卻空氣來自壓縮機或者其他熱源；在1959年之后出現一些美國和英國的個人申請，也都是通過對渦輪的殼體等進行冷卻從而調節端部間隙：1975年，聯合工藝公司提出從風扇中抽取冷氣卻對渦輪機匣進行；1976年通用電氣公司提出從壓氣機抽取冷氣卻對渦輪的外環支撐件進行冷卻，其中加入了傳感器和控制閥門來實現對冷卻空氣的控制；1981年，聯合工藝公司提出在不同的工況下對機匣進行冷卻或加熱，從而使間隙增大或減小，是在機匣外設置冷卻管，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，慕尼黑發動機及渦輪機聯合股份公司提出采用雙機匣的對流換熱方式來增強冷卻效果，從而實現對機匣的冷卻，從而調節端部間隙；1988年聯合工藝公司提出通過增加機匣冷卻管的截面積來增強冷卻效果，從而調節端部間隙；1997年，法國的國家航空發動機研究制造公司，為了解決外殼受熱不均勻的問題，提出一種用于加熱或冷卻外殼以調節其直徑，尤其是調節轉子葉片與該外殼之間之間隙的裝置；2000年之后對端部間隙的調節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小改進，相對于20世紀的研究，還提出了采用電加熱的方法來加熱或冷卻定子。

國內自20世紀90年代末期開始主動間隙控制技術的相關研究工作，主要在高校開展了一些計算分析工作，北京航空航天大學的郭淑芬和徐波等人就溫度與轉速對渦輪葉尖間隙的影響進行了研究。王寶官和李玲等人進行了傳熱對葉尖間隙影響的研究，分別給出了轉子伸長量和機匣膨脹量的計算方法。南京航空航天大學的陳偉教授研究小組，一直致力于渦輪葉尖間隙數值分析方法的研究。近幾年來，隨著民用大涵道比渦扇發動機設計工作的開展，國內主要的發動機設計院所開始進行主動間隙控制技術的研究，在探索自主設計渦輪主動間隙控制系統的道路取得了進展，突破了部分關鍵設計技術，通過計算分析和試驗，正逐步建立起自己的設計方法。

通過對以上的發展脈絡的梳理，可以看出，國外對于轉子葉尖與定子之間通過加熱或冷卻定子從而調節端部間隙領域的研究開展的早，且針對結構、方式、不同工況下的間隙調節均展開了深入的研究；相比之下，國內在這一領域的研究十分少，由國內申請人申請的專利量不足30篇。

結語

主動間隙控制技術是民用先進大涵道比渦扇發動機設計的關鍵技術之一，對降低發動機的耗油率，提高性能、壽命和可靠性的具有重要的作用。目前，國內相關研究工作已啟動，已經完成或正在開展的試驗包括機匣沖擊換熱試驗、冷卻管路流阻與流量分配試驗、渦輪盤腔流動換熱試驗、典型環境下全尺寸含間隙控制冷卻系統的高壓渦輪機匣組件溫度分布與徑向位移測量試驗等。

參考文獻

[1]曾軍，等.民用航空發動機渦輪葉尖間隙主動控制技術分析[J].航空科學技術，2012（2）：1-6.

[2] 顧偉等.民用航空渦扇發動機渦輪葉尖間隙控制技術綜述[J].燃氣輪機技術，2013，26（1）：1-4.endprint