渦輪葉尖熱主動間隙控制系統布局分析

趙家軍 趙耘墨

摘 要：渦輪葉尖間隙控制系統是現代軍、民用大涵道比航空發動機普遍采用的提高發動機性能的重要系統之一。本文分析研究了現代大涵道比航空發動機典型的渦輪葉尖熱主動間隙控制（ACC）系統的結構布局及冷卻空氣流向，根據各自特點將其總結歸納為雙層機匣內置沖擊隔板和機匣外部環繞沖擊冷卻管兩種形式。其中，雙層機匣內置沖擊隔板布局結構簡單，采用的引自高壓氣源的冷氣在實現間隙控制功能后可以用于二次冷卻其他部件，但從高壓壓氣機中間級引氣的性能代價比較高，因此實際應用較少。機匣外部環繞沖擊冷卻管布局結構件較多，但可以實現冷卻管與機匣外壁凸肋的緊密配合，從而實現最優的沖擊靶向位置及沖擊距，增強機匣熱響應效率，而且采用引自風扇后低壓氣源的冷氣的性能代價低。從發動機實際應用來看，機匣外部環繞沖擊冷卻管布局在現代大涵道比發動機上應用較多，成為渦輪熱主動間隙控制系統結構布局的發展趨勢。

關鍵詞：航空發動機； 葉尖間隙； 主動間隙控制； 布局； 沖擊冷卻

中圖分類號：V233.5+2 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.03.011

航空發動機的葉尖間隙對其效率與安全性有著十分重要的影響。減小壓氣機或者渦輪的葉尖間隙可以顯著提高部件效率，提升整機性能，從而降低燃油消耗，增加有效載荷，延長空中飛行時間。但是，間隙過小將可能引起轉—靜件之間的碰磨，乃至發生嚴重故障，危及飛行安全。因此，對葉尖間隙進行有效控制，已經成為現代航空發動機提升性能、提高經濟性、降低污染排放的有效措施，尤其是對于民用航空客機/運輸機發動機[1-5]。

從20世紀70年代起，美、德、法、英、日等國家的航空發動機公司及研究機構在葉尖間隙控制方面開展了大量的設計和試驗研究工作，取得了豐碩的成果，這些技術已在CFM56、V2500、PW4000、PW7000、GE90等多型發動機上得到了廣泛的應用。間隙控制的目標是實現徑向葉尖間隙在發動機任務包線內始終保持相對最佳值，保證穩定運行狀態點葉尖間隙盡可能小，特別是巡航狀態工作間隙（提高運輸機的經濟性），同時在正常的狀態急劇變化過程中避免葉尖發生嚴重碰磨。

葉尖間隙控制技術從原理上可分為機械式、熱力式、壓力式等，從控制方式上可分為主動控制和被動控制。對于現代民用大涵道比渦扇發動機，普遍采用基于熱的主動間隙控制技術，其工作原理為：控制系統根據發動機實時工作參數發出指令，從外涵風扇或者內涵高壓壓氣機中抽取具有指定流量、壓力、溫度的冷氣，這些冷氣流經特別設計的沖擊冷卻系統，對渦輪機匣進行強迫冷卻，通過控制冷氣溫度改變機匣的熱膨脹率，優化改善機匣與轉子熱變形響應的協調性，從而控制渦輪葉尖間隙。

本文統計分析了典型的國外成熟發動機在用的渦輪葉尖熱主動間隙控制系統機匣構型，將其總結歸納為雙層機匣內置沖擊隔板和機匣外部環繞沖擊冷卻管兩種，并分析了這兩種布局的優缺點，為現代民用航空發動機熱主動間隙控制系統布局設計提供有益參考。

1 雙層機匣內置沖擊隔板

雙層機匣內置沖擊隔板布局的熱主動間隙控制冷卻系統布置在機匣內部，從發動機外觀上看不出顯著特征。機匣有兩層，內層為熱響應機匣，通過改變內機匣熱變形膨脹量來實現葉尖間隙控制。為更好地控制內機匣的熱變形響應速率并保持其圓度，通常將其上的凸肋和法蘭作為沖擊冷卻的靶向目標。

雙層機匣內部設計有隔板，將雙層機匣內部空間分割成集氣腔和射流腔，冷氣由發動機外部管路引入集氣腔，在此穩壓，之后由隔板上精心布置的不同角度的多排沖擊冷卻孔噴到射流腔，沖擊冷卻熱響應機匣上熱容較大的部位，提高熱響應機匣的熱變形響應速率。

為使集氣腔內的冷卻空氣沿周向均勻、穩定，渦輪外機匣上的供氣口通常為周向均布的2處或4處。

渦輪外環安裝在熱響應機匣上，與渦輪葉片形成葉尖間隙，外環沿周向通常設計為多塊結構，從而使外環塊的熱變形僅改變相互之間的周向縫隙，而不影響渦輪葉片葉尖的徑向間隙。

典型代表有GE公司CF6-6的高壓渦輪、CFM公司CFM56-2/3/5/7的高壓渦輪、P&W公司E3的高壓渦輪等。

CF6系列是GE公司在20世紀60年代研制的大涵道比渦輪風扇發動機，主要用于DC-10系列、A300B等大型運輸機。CF6-6發動機有兩級高壓渦輪，第1級采用了雙層機匣內置沖擊隔板布局的熱主動間隙控制系統[6]，如圖1所示。

由圖1可見，發動機熱響應機匣的前端為徑向浮動式結構，與外機匣搭接處使用W環密封。沖擊冷卻隔板被固定在外機匣上，對熱響應機匣的兩個凸肋進行沖擊冷卻。

冷卻空氣在完成高壓渦輪機匣冷卻后，流入下一級導向葉片進口的集氣腔，匯入低壓渦輪冷卻流路空氣系統。

CFM56系列發動機是20世紀70年代初由美國GE公司與法國SNECMA公司聯合組成的CFM公司研制的世界上最成功的商用發動機之一，主要用于波音737系列、A320系列、A340系列等型號的運輸機。CFM56-2/3發動機只有1級高壓渦輪，采用了雙層機匣內置沖擊隔板布局的熱主動間隙控制系統[7]，如圖2所示。

由圖2可見，雙層機匣在前、后分別用螺栓連接。外機匣為燃燒室機匣的延伸，相當于集氣罩。內機匣中部特別設計了兩個凸肋作為射流沖擊的靶向區域。雙層機匣內安置有薄壁環筒隔板，將內、外機匣空間分割開。隔板與機匣采用浮動搭接，W環密封，并設計有變形補償措施防止發生扭曲變形。隔板上設計有4排斜向沖擊孔，沖擊冷卻內機匣凸肋或者安裝邊的側面，控制其徑向熱膨脹量，進而控制葉尖間隙。

冷卻空氣在完成高壓渦輪機匣冷卻后，流入下一級導向葉片進口的集氣腔，匯入低壓渦輪冷卻流路空氣系統。

CFM56-5發動機的高壓渦輪主動間隙控制系統在CFM56-3的基礎上進行了較大的改進。CFM56-7發動機的高壓渦輪主動間隙控制系統布局與CFM56-5基本相同，僅是對引氣控制規律進行了改進。圖3所示為CFM56-5B發動機高壓渦輪熱主動間隙控制系統的布局[8-9]。

由圖3可見，CFM56-5B發動機的雙層機匣結構及冷氣流路與CFM56-2/3發動機基本相同，不同的是，CFM56-5B發動機采用一組方形管取代了CFM56-3發動機的隔板，用于實現對熱響應機匣的射流沖擊冷卻。

顯然，CFM56-5B發動機采用的內置方形管借鑒了機匣外部環繞沖擊冷卻管的布局，方形管可以結合熱響應機匣凸肋的形狀優化設計沖擊靶向目標位置和沖擊距，從而獲得最佳的沖擊換熱效率。

2 機匣外部環繞沖擊冷卻管

從外觀上看，機匣外部環繞沖擊冷卻管布局的冷卻系統貌似在渦輪機匣外部額外加了一副“肋骨架”，脊柱相當于機匣外部軸向拓展布置的集氣總管，肋骨相當于與集氣總管連接的多支周向360°覆蓋機匣表面的沖擊冷卻管。

用于熱主動間隙控制系統的冷氣在集氣總管內穩壓，之后被送往與之相連的多支沖擊冷卻管，因此集氣總管又被稱為空氣分配器。為了方便沖擊冷卻管的裝配，并使沖擊冷卻管獲得穩定、均勻的供氣壓力，集氣總管通常設計為沿軸向拓展的大流通面積結構。沖擊冷卻管沿機匣軸向呈多排布置，一端與集氣總管相連，另一端為盲端，底部設計有大量的沖擊冷卻小孔。通常情況下，集氣總管設計成兩個，沖擊冷卻管以集氣總管為中心大致左右對稱，每排沖擊冷卻管為4根×90°環繞于渦輪機匣外表面。

集氣總管里的冷卻空氣流入沖擊冷卻管后，經管子底部的沖擊孔以射流方式沖擊到渦輪機匣外表面。沖擊冷卻孔設計為一排或多排，配以精心設計的角度及沖擊距，以較高的換熱系數沖擊冷卻渦輪機匣安裝法蘭、外環掛鉤或者凸肋等熱容較大的部位，提高機匣熱變形響應速率。

這種布局熱主動間隙控制系統的冷氣流路是獨立的，不與發動機內部二次流系統交聯，冷氣通常引自風扇出口，完成機匣溫度控制后，在反推力裝置末端匯入外涵氣流排出發動機。

這種布局的典型代表有P&W公司的JT9D的高壓渦輪、PW2000/PW4000系列的高/低壓渦輪，GE公司的E3的高壓渦輪，國際合作V2500的高/低壓渦輪，CFM國際公司CFM56系列的低壓渦輪、LEAP-X的高/低壓渦輪等。

JT9D系列是P&W公司于1962年開始研制的大涵道比渦輪風扇發動機，主要用于波音747、波音767、DC-10、A300和A310等大型運輸機。JT9D-59/70發動機有兩級高壓渦輪，均采用了機匣外部環繞沖擊冷卻管布局的熱主動間隙控制系統[10]，如圖4所示。

由圖4可見，高壓渦輪機匣外部有4個沖擊冷卻靶向目標（兩個凸肋和兩個安裝邊），采用5排圓管底部的8排斜向沖擊孔對其冷卻。

后期對這套冷卻結構進行了改進，措施之一是將冷卻空氣管從圓形截面改為方形截面（見圖5），這樣可以更加靈活地設計冷卻沖擊孔的間隔、直徑、沖擊角度、沖擊速度、沖擊距離等參數，增強沖擊換熱效率。

PW4000系列發動機是P&W公司于1981年開始在JT9D-7R4和PW2037渦扇發動機基礎上研制的大涵道比渦輪風扇發動機，主要用于A300系列、波音767系列、MD-11等大型運輸機。PW4000-94發動機的高、低壓渦輪均采用了機匣外部環繞沖擊冷卻管布局的熱主動間隙控制系統[11]，如圖6所示。高壓渦輪熱主動間隙控制系統由一個集氣總管和4排×2根方形沖擊冷卻管環繞于2級高壓渦輪機匣的外部，低壓渦輪熱主動間隙控制系統由一個集氣總管和6排×2根圓形冷卻管環繞于4級低壓渦輪機匣的外部。

GE公司的E3發動機采用雙級高壓渦輪熱主動間隙控制系統[12-15]，如圖7所示。高壓渦輪機匣外部有4個沖擊冷卻靶向目標（兩個凸肋和兩個安裝邊），采用兩個T形截面空氣冷卻管對其冷卻，T形截面與沖擊冷卻靶向目標實現了很好的貼合，能夠獲得高效的沖擊冷卻效率。

V2500發動機是由普惠、羅·羅、MTU以及日本、意大利等幾家公司聯合成立的國際航空發動機公司于1983年開始研制的雙轉子渦輪風扇發動機，主要用于A319/320/321系列大型商用飛機。圖8為V2500發動機的高、低壓渦輪熱主動間隙控制系統[16]冷卻管路。由圖8可見，高壓渦輪熱主動間隙控制系統由一個集氣總管和4排×2根方形沖擊冷卻管環繞于2級高壓渦輪機匣的外部；低壓渦輪熱主動間隙控制系統由兩個集氣總管和8排×4根圓形冷卻管環繞于5級低壓渦輪機匣的外部。

3 結論

本文分析了幾種現代典型大涵道比航空發動機熱主動間隙控制系統的布局，總結得出以下結論：

（1）為增強渦輪機匣膨脹變形的響應速率，沖擊冷卻靶向目標需設計為熱容較大的幾何部位，高壓渦輪機匣為安裝邊及新設計的凸肋，而低壓渦輪機匣為安裝導向葉片的掛鉤處。

（2）沖擊換熱架構設計是影響換熱效率的重要因素之一，方形截面冷氣管能夠與機匣緊密貼合，可以靈活設計冷氣的沖擊角度、沖擊距等參數，因此其換熱效率優于圓形截面冷氣管路，有取代圓形截面管路的趨勢。

（3）雙層機匣內置沖擊隔板布局的間隙控制系統與機匣緊密結合，間隙控制冷卻系統布置在機匣內部，可通過合理設計，將完成機匣冷卻后的冷氣接入發動機二次流冷卻系統，去冷卻下一級渦輪導向葉片（CFM56系列），從而實現冷氣的二次利用。

（4）機匣外部環繞沖擊冷卻管布局的間隙控制系統由渦輪機匣外部獨立的零部件組成，結構形式簡單，便于安裝維護，而且由于沖擊靶向位置及沖擊距等參數設計靈活度高，可以獲得近乎最佳的沖擊冷卻效果，因此逐漸成了現代大涵道比渦輪風扇發動機熱主動間隙控制冷卻系統的主流布局。

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Analysis on the Layout of Turbine Blade-tip Active Clearance Control System

Zhao Jiajun， Zhao Yunmo

AECC Shenyang Engine Design and Research Institute， Shenyang 110015， China

Abstract： Tubine tip clearance control system is one of the most important systems to improve the performance of modern military and civil aero-engines with large bypass ratio. The structure layout and cooling air flow direction of a typical turbine tip thermal Active Clearance Control（ACC） system for a modern aero-engine with large bypass ratio are analyzed and summarized into two forms. Among them， the built-in impact separator of the double-layer case has a simple layout and structure， and the cooling air from the high-pressure air source can be used for secondary cooling of other components after the gap control function is realized. However， the performance cost of air entraining from the middle stage of the high-pressure compressor is relatively high， so it is rarely used in practice. The structure component of the impact cooling pipe surrounding the external case layout is more， but can realize the cooling pipe and the outer wall of casing convex rib closely， so as to realize the optimal target location and impact， enhance casing thermal response efficiency， and the performance cost of using cold air from the low-pressure air source behind the fan is low， therefore， this kind of layout in the modern large bypass ratio engine has been widely applied， It has become the development trend of structural layout of turbine thermal active clearance control system.

Key Words： aero-engine； tip clearance； active clearance control； layout； impingement cooling