CN103133060B - 燃气涡轮发动机及控制涡轮机匣和转子叶片间间隙的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间间隙的方法，其包括：(a)检测涡轮机匣的温度的步骤；(b)检测涡轮转子的转速的步骤；(c)输送燃油到涡轮机匣并进行冷却的步骤；(d)根据涡轮机匣的温度、涡轮转子的转速计算得到对应的涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间的实际间隙，若计算得到的实际间隙未处于预设的目标间隙的范围内，则控制步骤(c)中输油管路的燃油的流量以将实际间隙限制在目标间隙的范围内的步骤。由于采用燃油进行机匣冷却，燃油在流动过程中压力损失较小，并且经过换热之后进入燃烧室进行燃烧，因此不会带来推力损失。

Description

燃气涡轮发动机及控制涡轮机匣和转子叶片间间隙的方法

技术领域

本发明涉及用于控制涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间间隙的方法。

背景技术

控制涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间间隙的主要方法是通过控制涡轮机匣的热变形，以将涡轮叶片与涡轮机匣之间的间隙控制在较为合适的范围内。比较粗略的研究认为，采用有效的涡轮主动间隙控制系统，可使燃油消耗率下降1％-2％左右，对于民用航空发动机提高经济性具有重大意义。常见的涡轮主动间隙控制是采用风扇或者压气机出口的气体，冲击在涡轮机匣上，并通过一个逻辑控制系统保证发动机在工作中保持最佳的叶尖间隙。较为常见的控制策略是：当巡航时，由风扇出口或者高压压气机中间级气体对涡轮机匣进行冷却，以控制涡轮机匣和涡轮转子的叶尖之间的间隙尽可能的小，以提高涡轮效率；当起飞时，由高压压气机出口的空气对涡轮机匣进行加热，扩大涡轮机匣和涡轮转子的叶尖之间的间隙以使其处在合适的安全范围之内。

采用风扇或者压气机的压缩气体对涡轮机匣进行温度和热变形控制的缺点是：由于这部分气体在流动过程中存在能量损失，从而会给发动机的推力带来损失；并且，由于气体的体积热容较小，通常需要一套较为庞大的管路，以实现对整个涡轮机匣的温度控制，这就给发动机带来较大的额外的重量负担。

发明内容

为解决现有技术中采用气体冷却或加热机匣的发动机主动间隙 控制系统而导致的推力损失、重量较大等问题，本发明提出了一种采用燃油对涡轮机匣进行冷却的间隙控制方法。

具体地，本发明公开了一种用于控制涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间间隙的方法，其包括：

(a)检测涡轮机匣的温度的步骤；

(b)检测涡轮转子的转速的步骤；

(c)输送燃油到涡轮机匣并进行冷却的步骤；

(d)根据涡轮机匣的温度、涡轮转子的转速计算得到对应的涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间的实际间隙，若计算得到的实际间隙未处于预设的目标间隙的范围内，则控制步骤(c)中输油管路的燃油的流量以将实际间隙限制在目标间隙的范围内的步骤。

其中，在步骤(d)中，实际间隙以C_实际＝C_原始+ΔL(T_机匣)-ΔL(N)-ΔL(T_排气)公式进行计算，其中，C_实际表示涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间实际间隙，C_原始为装配时涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间的冷态间隙，ΔL(T_机匣)为涡轮机匣因温度变化而产生的径向变形量，ΔL(N)为涡轮转子因离心力而产生的变形量，ΔL(T_排气)为涡轮转子因发动机排气温度而产生的径向热变形量。

具体地，涡轮机匣为高压涡轮机匣或低压涡轮机匣。

优选地，控制步骤(c)中输油管路的燃油的油量是通过调节设置在输油管路上的流量控制阀来控制的。

具体地，步骤(a)是通过温度传感器进行检测的。

更具体地，步骤(b)是通过转速传感器进行检测的。

另外，本发明公开了一种燃气涡轮发动机，其包括：

涡轮转子； 

涡轮机匣，其包围涡轮转子并与涡轮转子叶片的叶尖限定间隙；以及

输油管路，其布置于涡轮机匣的环形腔内，使得油箱中的燃油被输送到涡轮机匣中进行冷却；

温度传感器，其用于检测涡轮机匣的温度；

转速传感器，其用于检测涡轮转子的转速；

流量控制阀，其用于控制输油管路的燃油流量；

控制器，其电连接于温度传感器、转速传感器和流量控制阀，用于接收温度传感器的温度和转速传感器的转速，并且，根据涡轮机匣的温度、涡轮转子的转速计算得到对应的涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间的实际间隙，若计算得到的实际间隙未处于预设的目标间隙的范围内，则控制流量控制阀以将实际间隙限制在目标间隙的范围内。

具体地，涡轮机匣包括高压涡轮机匣和低压涡轮机匣。

优选地，输油管路包括将燃油从油箱输送到燃烧室的输油干路、将燃油输送到高压涡轮机匣的第一输油支路以及将燃油输送到低压涡轮机匣的第二输油支路，其中，第一输油支路、第二输油支路的输入端和输出端均分别连接于输油干路。

由于采用燃油进行机匣冷却，燃油在流动过程中压力损失较小，并且经过换热之后进入燃烧室进行燃烧，因此不会带来推力损失。

由于采用燃油进行机匣冷却，液体的体积热容较大，可以采用较为轻的管路，减轻了发动机重量；同样由于液体较大的比热容，可以使得传热效果更好，控制系统的延迟更小。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式的燃气涡轮发动机的间隙控制系统的示意图。

具体实施方式

如图1所示，其示意性地示出了本发明的一种实施方式的燃气涡轮发动机的间隙控制系统。该燃气涡轮发动机在气流方向上具有风扇10、低压压气机(未示出)、高压压气机9、燃烧室8、高压涡轮6和低压涡轮7等，其中，低压压气机和低压涡轮7连接于一根轴，高压压气机9和高压涡轮6连接于另一根轴。此外，在周向和轴向上，所有上述的发动机元件外均被分段机匣所包围，例如，高压涡轮转子6和低压涡轮转子7外分别包围有高压涡轮机匣和低压 涡轮机匣。其中，高压涡轮机匣和低压涡轮机匣为内部形成有环形空腔的壳体。当燃气涡轮发动机工作时，空气从上游侧流经低压压气机，经低压压气机压缩的空气流到高压压气机9，然后，经高压压气机9压缩的空气再流入到燃烧室8中与燃油混合燃烧，燃烧气体随后驱动高压涡轮6和低压涡轮7，低压涡轮7再驱动风扇10转动。

为了能够控制涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间间隙，图1中还示意性地示出了间隙控制系统的一种实施方式，其具有燃油泵1、燃油泵出口阀门2、低压涡轮主动间隙控制阀门3、高压涡轮主动间隙控制阀门4、燃油分配阀5、高压涡轮6、低压涡轮7、燃烧室8等。其中，燃油泵1连接到油箱，并用于将油箱中的燃油在燃油泵出口阀门2的控制下通过输油干路输送到燃烧室8中，并经由喷嘴喷出而参与燃烧。第一输油支路的输入端与输油干路相通，然后经由高压涡轮机匣的环形空腔后，输出端再与输油干路相通。第二输油支路的输入端与输油干路相通，然后经由低压涡轮机匣的环形空腔后，输出端再与输油干路相通。

较优地，如图所示，该间隙控制系统还包括流量控制器，具体地，该流量控制器包括高压涡轮主动间隙控制阀4和低压涡轮主动间隙控制阀3，其分别设置在第一输油支路和第二输油支路上用以控制通过各输油支路的燃油流量。更优地，该间隙控制系统还具有燃油分配阀5，其其布置在支路下游的输油干路上用于控制进入燃烧室8的燃油流量。

为了便于自动控制和调节，该间隙控制系统具有诸如温度传感器、转速传感器。温度传感器分别设置在高压涡轮机匣和低压涡轮机匣内部，用来检测上述各涡轮机匣的温度情况并向控制器发出电信号。转速传感器用于检测高压涡轮转子和低压涡轮转子的转速信号并向控制器发出电信号。控制器同时接收温度传感器和转速传感器的电信号，通过预先设定的间隙计算模型，根据各涡轮机匣的温度值、各涡轮转子的转速值计算得到当前各涡轮机匣和各涡轮转子叶片的叶尖之间的实际间隙，并与预先设定并存储在控制器中的目 标间隙进行比较，若计算得到的实际间隙未处于目标间隙的范围内，则控制器会发出指令来控制第一输油支路和/或第二输油支路的燃油的流量以将实际间隙限制在目标间隙的范围内。其中，该间隙计算模型建立，应包含燃油与机匣的换热特性、整个燃油管路的流阻特性、涡轮机匣的导热规律、涡轮转子随转速引起的离心变形等因素。模型建立的方法可以是，通过计算分析涡轮机匣的换热特性，得到涡轮机匣温度场，从而得到涡轮机匣因温度变化产生的热变形；而涡轮转子的变形同样首先计算温度场，然后计算热变形，同时考虑离心变形，将涡轮转子与静子的各种变形相加，即可建立涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间的间隙与涡轮机匣的温度、涡轮转子的转速、燃油的流量之间的关系，此即间隙计算模型。

具体的，该间隙计算的公式可以是但不局限于如下的表达式：C _实际＝C_原始+ΔL(T_机匣)-ΔL(N)-ΔL(T_排气)公式中，C_实际为涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间的当前的实际间隙，C_原始为发动机装配时的涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间的冷态间隙，ΔL(T_机匣)为涡轮机匣因温度变化而产生的径向变形量，ΔL(N)为涡轮转子因离心力而产生的变形量，ΔL(T_排气)为涡轮转子因发动机排气温度而产生的径向热变形量。上述公式对高压涡轮和低压涡轮均适用。

目标间隙大多为经验值，即在涡轮机匣的温度、涡轮转子的转速为特定范围的情况下，目标间隙的范围通常被选取为对发动机效率来说是最优的。

为了便于控制系统实现控制，应对间隙计算模型进行简化，简化后的间隙计算模型可以是与涡轮机匣温度、涡轮转子转速、燃油流量等相关参数的多项关系式。需要注意的是，此间隙计算模型需要在涡轮试验时进行校准，即通过调整上述多项关系式的相应系数，最终得到可靠的间隙计算模型，用于实际发动机控制。

通常情况下，若涡轮机匣温度较高，则涡轮机匣膨胀量就较大，相应地，涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间间隙也较大；反之，若涡轮机匣温度较小，则涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间的间 隙也较小。类似地，若高压涡轮转子或低压涡轮转子的转速较高，则涡轮转子由于转动产生的离心膨胀量就较大，从而导致涡轮转子叶片的叶尖和涡轮机匣之间的间隙变小；反之，若涡轮转子的转速较低，则离心膨胀量就较小，相应地，涡轮转子叶片的叶尖和涡轮机匣之间的间隙也较大。根据上述规律，当应用本发明的较优的实施方式时，若涡轮转子叶片的叶尖和涡轮机匣之间间隙值过大，则将相应支路的阀门的开度变大以增加燃油流量，加强对涡轮机匣的冷却，使得涡轮机匣冷却后收缩，从而减小间隙；反之若涡轮转子叶片的叶尖和涡轮机匣之间的间隙过小，则将相应支路的阀门的开度变小以减小燃油流量，使得涡轮机匣膨胀，从而增加间隙。

上述的燃气涡轮发动机的间隙控制系统工作时，燃油泵1将燃油加压之后，大部分燃油通过燃油泵出口阀门2和燃油分配阀5向燃烧室8供油。同时，经过燃油泵出口阀门2后的一部分燃油通过低压涡轮主动间隙控制阀门3和高压涡轮主动间隙控制阀门4分别向低压涡轮机匣和高压涡轮机匣提供冷却用燃油。由于高压涡轮机匣和低压涡轮机匣均具有环形腔体，因此，燃油从环形腔体中流过，从而实现对涡轮机匣的冷却。经过换热之后，燃油重新回到输油干路，并进入燃烧室8进行燃烧，在其他实施方式中，经过换热后的支路燃油还可以再返回到油箱中。如上所述，在冷却过程中各支路所需要的燃油流量，可以根据发动机的工作状态，由低压涡轮主动间隙控制阀门3和高压涡轮主动间隙控制阀门4进行控制。

在不同的飞行状态，控制系统根据高压涡轮机匣和低压涡轮机匣的温度，高压涡轮转子转速和低压涡轮转子转速等信号，通过预设定的涡轮间隙模型计算得到高压涡轮6和低压涡轮7的叶尖间隙，并据此计算得到高压涡轮6和低压涡轮7各自所需要的冷却燃油的流量，最终向低压涡轮主动间隙控制阀门3和高压涡轮主动间隙控制阀门4发出阀门控制信号。

在起飞状态，低压涡轮主动间隙控制阀门3和高压涡轮主动间隙控制阀门4应保持关闭，不对机匣进行任何冷却。

在巡航状态时(此为大多数情况)，需要保证高压涡轮转子叶片的叶尖、低压涡轮转子叶片的叶尖分别和高压涡轮机匣、低压涡轮机匣之间具有较小的间隙，温度传感器和转速传感器在接收到温度和转速的信号后并发送给控制器，控制系统依据间隙控制模型计算得到间隙值或间隙范围以及这样的间隙值或间隙范围所需要的冷却用燃油流量，并因此控制低压涡轮主动间隙控制阀门3和高压涡轮主动间隙控制阀门4的开度，并且根据高压涡轮机匣和低压涡轮机匣温度进行反馈的动态控制。

在发动机的整个飞行包线内，控制系统应根据既定的高压涡轮转子叶片的叶尖和低压涡轮转子叶片的叶尖分别同高压涡轮机匣和低压涡轮机匣之间的间隙需求，通过控制阀门的开度，计算得到所需要的冷却燃油的流量，对机匣进行可控的冷却，以满足间隙需求。

具体的，若控制系统接收到的转速信号所代表的转速较低时，涡轮转子由于离心而产生的变形比较小，应输出控制信号控制低压涡轮主动间隙控制阀门3和高压涡轮主动间隙控制阀门4加大开度，使得涡轮机匣的收缩量变大，以缩小各自的叶尖间隙。

反之，转速较高时，控制系统应控制低压涡轮主动间隙控制阀门3和高压涡轮主动间隙控制阀门4减小开度，使得涡轮机匣的收缩量变小，以增大各自的叶尖间隙。

控制系统若接受到较高的机匣温度，机匣由于温度膨胀产生较大的变形，控制系统应输出控制信号使得低压涡轮主动间隙控制阀门3和高压涡轮主动间隙控制阀门4加大开度，加强机匣的冷却使得机匣收缩，从而减小间隙。

反之，若机匣温度较低，则应保持较小的阀门开度，使得机匣收缩量变小。

通常的主动间隙控制系统，在发动机起飞时，需要对高压涡轮机匣进行加热以确保高压涡轮叶片叶尖和高压涡轮机匣之间的间隙处于安全的范围内。但是，采用燃油的主动间隙控制系统，在起飞时不用对涡轮机匣进行加热，因此，高压涡轮6在设计时采用较大 的叶尖间隙。起飞时高压涡轮主动间隙控制阀门4与低压涡轮主动间隙控制阀门3完全关闭，不对机匣进行冷却，从而保证在起飞时高压涡轮能工作在安全的间隙范围内。

由于采用燃油进行机匣冷却，燃油在流动过程中压力损失较小，并且经过换热之后进入燃烧室进行燃烧，因此不会带来推力损失。

由于采用燃油进行机匣冷却，液体的体积热容较大，可以采用较为轻的管路，减轻了发动机重量；同样由于液体具有较大的比热容，可以使传热效果更好，控制系统的延迟更小。

上述描述虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些只是对本发明说明性的，而不是对本发明的限制，任何未超出本发明实质精神内的发明创造，均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于控制涡轮机匣和涡轮转子叶片的叶尖之间间隙的方法，其包括：

(a)检测所述涡轮机匣的温度的步骤；

(b)检测所述涡轮转子的转速的步骤；

(c)输送燃油到所述涡轮机匣并进行冷却的步骤；

(d)根据所述涡轮机匣的温度、所述涡轮转子的转速计算得到对应的所述涡轮机匣和所述涡轮转子叶片的叶尖之间的实际间隙，若计算得到的所述实际间隙未处于预设的目标间隙的范围内，则控制步骤(c)中输油管路的燃油的流量以将所述实际间隙限制在所述的目标间隙的范围内的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(d)中，所述实际间隙以C_实际＝C_原始+ΔL(T_机匣)-ΔL(N)-ΔL(T_排气)公式进行计算，其中，C_实际表示所述涡轮机匣和所述涡轮转子叶片的叶尖之间的实际间隙，C_原始为装配时所述涡轮机匣和所述涡轮转子叶片的叶尖之间的冷态间隙，ΔL(T_机匣)为所述涡轮机匣因温度变化而产生的径向变形量，ΔL(N)为所述涡轮转子因离心力而产生的变形量，ΔL(T_排气)为所述涡轮转子因发动机排气温度而产生的径向热变形量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述涡轮机匣为高压涡轮机匣或低压涡轮机匣。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述控制步骤(c)中所述输油管路的燃油的油量是通过调节设置在所述输油管路上的流量控制阀来控制的。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述步骤(a)是通过温度传感器进行检测的。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述步骤(b)是通过转速传感器进行检测的。

7.一种燃气涡轮发动机，其包括：

涡轮转子；

涡轮机匣，其包围所述涡轮转子并与所述涡轮转子叶片的叶尖限定间隙；

输油管路，其布置于所述涡轮机匣的环形腔内，使得油箱中的燃油被输送到所述涡轮机匣中进行冷却；

温度传感器，其用于检测所述涡轮机匣的温度；

转速传感器，其用于检测所述涡轮转子的转速；

流量控制阀，其用于控制所述输油管路的燃油流量；以及

控制器，其电连接于所述温度传感器、转速传感器和流量控制阀，用于接收所述温度传感器的温度和所述转速传感器的转速，并且，根据所述涡轮机匣的温度、所述涡轮转子的转速计算得到对应的所述涡轮机匣和所述涡轮转子叶片的叶尖之间的实际间隙，若计算得到的实际间隙未处于预设的目标间隙的范围内，则控制所述流量控制阀以将所述实际间隙限制在所述目标间隙的范围内。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述涡轮机匣包括高压涡轮机匣和低压涡轮机匣。

9.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述输油管路包括将燃油从所述油箱输送到燃烧室的输油干路、将燃油输送到高压涡轮机匣的第一输油支路以及将燃油输送到低压涡轮机匣的第二输油支路，其中，所述第一输油支路、第二输油支路的输入端和输出端均分别连接于输油干路。