CN113446069B - 航空发动机叶尖间隙被动控制装置和航空发动机 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种航空发动机叶尖间隙被动控制装置和航空发动机。其中，航空发动机叶尖间隙被动控制装置包括：高温合金环；蜂窝结构，设置在高温合金环的外壁上；以及高温形状记忆合金丝，设置高温合金环的外壁上；高温形状记忆合金丝的伸缩方向被配置为沿着高温合金环的径向。通过设置高温形状记忆合金丝和蜂窝结构，可以充分利用形状记忆合金在相变温度下会产生变形的特性和蜂窝结构满足高温形状记忆合金丝的伸缩来实现对叶尖间隙的控制，该被动控制装置可以省去传统的主动间隙控制系统，减少外部管路的敷设复杂度，减轻发动机的重量，提升发动机的性能。

Description

航空发动机叶尖间隙被动控制装置和航空发动机

技术领域

本公开涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种航空发动机叶尖间隙被动控制装置和航空发动机。

背景技术

随着现代航空发动机的迅速发展，先进的气动设计与试验方法使得发动机的压气机效率达到85％以上，涡轮效率达到90％以上，若要进一步提高压气机和涡轮效率，除注重气流参数选择外，还应精心设计低损失叶片和减少流道中的端壁损失。

实践证明，叶尖间隙损失是通道端壁损失和压气机喘振裕度损失的重要组成部分。所以在一台航空发动机的研制过程中，叶尖间隙是一个基本的测量参数，同时也是发动机在运转过程中叶尖间隙控制、健康管理和故障诊断的一个重要组成部分。

民用航空发动机中常采用具有变化冷却效果的冷却系统—主动间隙控制系统(Active Clearance Control，简称ACC)，来控制涡轮机匣的热膨胀，从而实现对叶尖间隙的控制。但主动间隙控制系统会增加发动机的重量，以某型发动机为例，其主动间隙控制系统的重量大约为70kg，发动机重量的增大以及主动间隙控制系统引气带来的流量损失，均会对发动机的性能产生影响。因此，开展新型的叶尖间隙控制技术的研究较为迫切。

目前，新型叶尖间隙控制技术的研究主要集中在三个方面：(1)闭环涡轮叶尖间隙控制技术；(2)叶尖间隙测量技术；(3)采用形状记忆合金的叶尖间隙控制。其中闭环涡轮叶尖间隙控制技术和叶尖间隙测量技术的关键均在于研制耐极高温度、压力等恶劣环境下的机载间隙传感器，目前光学式、微波式、射流式传感器具有一定的发展潜力。而采用形状记忆合金实现对叶尖间隙的控制，其关键在于形状记忆合金的耐高温性和记忆退化问题，目前高温形状记忆合金以及智能结构的设计使得该技术有了可实现的空间。

在航空航天领域，形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)已经得到了较为广泛的应用，包括直升飞机的智能水平旋翼、航空飞行器的可变形机翼、导弹的可变形舵机等。以可变形机翼为例，形状记忆合金的加入，可以有目的地在飞行中改变机翼外形特性，如机翼后掠、翼展和弯度等，从而有效地增加机翼的效率，改善飞机的巡航和冲刺能力。因此开展基于形状记忆合金的叶尖间隙控制技术，是未来航空发动机叶尖间隙控制技术的发展方向之一。

发明内容

经发明人研究发现，相关技术中存在发动机重量的增大和引气流量的损失的问题。

有鉴于此，本公开实施例提供一种航空发动机叶尖间隙被动控制装置和航空发动机，能够省去传统的主动间隙控制系统的管路布置，减轻发动机的重量，提升发动机的性能。

本公开的一些实施例提供了一种航空发动机叶尖间隙被动控制装置，包括：

高温合金环；

蜂窝结构，设置在高温合金环的外壁上；以及

高温形状记忆合金丝，设置高温合金环的外壁上；

其中，高温形状记忆合金丝的伸缩方向被配置为沿着高温合金环的径向。

在一些实施例中，蜂窝结构为零泊松比蜂窝结构。

在一些实施例中，蜂窝结构的一边贴合高温合金环的外壁。

在一些实施例中，蜂窝结构为内凹型六边形蜂窝结构，高温形状记忆合金丝位于蜂窝结构之外。

在一些实施例中，蜂窝结构为正六边形蜂窝结构，高温形状记忆合金丝位于蜂窝结构之外。

在一些实施例中，蜂窝结构为多个并在高温合金环的周向上布置，高温形状记忆合金丝为多个且每个高温形状记忆合金丝分别设置在两个相邻的蜂窝结构之间。

在一些实施例中，多个蜂窝结构在高温合金环的周向上呈等间距布置。

在一些实施例中，高温合金环由高温形状记忆合金制成，并被配置为经过热处理以去除形状记忆合金效应。

在一些实施例中，还包括设置在高温合金环的内壁上的易磨层。

本公开的一些实施例提供了一种航空发动机，包括前述航空发动机叶尖间隙被动控制装置，航空发动机叶尖间隙被动控制装置设置在航空发动机的机匣内部，航空发动机的转子叶片与航空发动机叶尖间隙被动控制装置之间具有间隙。

因此，根据本公开实施例，通过设置高温形状记忆合金丝和蜂窝结构，可以充分利用形状记忆合金在相变温度下会产生变形的特性和蜂窝结构满足高温形状记忆合金丝的伸缩来实现对叶尖间隙的控制，该被动控制装置可以省去传统的主动间隙控制系统，减少外部管路的敷设复杂度，减轻发动机的重量，提升发动机的性能。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1是根据本公开航空发动机叶尖间隙被动控制装置的一些实施例安装在航空发动机内的位置示意图；

图2是根据本公开航空发动机叶尖间隙被动控制装置的一些实施例的结构示意图；

图3是根据本公开航空发动机叶尖间隙被动控制装置的一些实施例的剖面结构示意图。

图4是根据本公开航空发动机叶尖间隙被动控制装置的一些实施例中部分结构在平展状态下的示意图；

图5是根据本公开航空发动机叶尖间隙被动控制装置的另一些实施例中部分结构在平展状态下的示意图。

附图标记说明

1、机匣内壁；2、易磨层；3、高温合金环；4，4′、蜂窝结构；5、高温形状记忆合金丝；6、机匣；7、机匣外壁；8、转子叶片；100、航空发动机叶尖间隙被动控制装置。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

如图2所示，本公开的一些实施例提供了一种航空发动机叶尖间隙被动控制装置100，其包括：高温合金环3；蜂窝结构4，设置在高温合金环3的外壁上；以及高温形状记忆合金丝5，设置高温合金环3的外壁上；其中，高温形状记忆合金丝5的伸缩方向被配置为沿着高温合金环3的径向。

图1示出了本公开航空发动机叶尖间隙被动控制装置100安装在航空发动机的位置，结合图3所示，航空发动机叶尖间隙被动控制装置100安装在航空发动机的机匣6内，即设置在机匣内壁1和机匣外壁7之间，其具体的安装方式需要根据涡轮机匣的结构决定。通过设置高温形状记忆合金丝5和蜂窝结构4，可以充分利用形状记忆合金在相变温度下会产生变形的特性和蜂窝结构4满足高温形状记忆合金丝5的伸缩来控制高温合金环3实现对叶尖间隙的控制，该被动控制装置可以省去传统的主动间隙控制系统，减少外部管路的敷设复杂度，减轻发动机的重量，提升发动机的性能。

高温合金环3由高温合金制成，高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料；并具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能。高温合金为单一奥氏体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用可靠性。

高温形状记忆合金丝5由高温形状记忆合金制成，例如可选取温控NiTi形状记忆合金来制成。高温形状记忆合金具有形状记忆效应，即将一定形状的记忆合金试样冷却到马氏体相变结束温度以下进行预变形，接着卸去载荷，变形被保留下来；之后，将变形试样加热到奥氏体相变开始温度以上，试样开始恢复变形前的形状，当温度低于奥氏体相变开始温度时，试样恢复到预变形。

当涡轮温度达到高温形状记忆合金的相变温度时，高温形状记忆合金丝5发生变形，带动蜂窝结构4拉伸和高温合金环3发生向内收缩，使得高温合金环3与发动机的转子叶片8的叶尖间隙减小；当涡轮温度低于高温形状记忆合金的相变温度时，高温合金环3恢复到之前的状态，带动蜂窝结构4发生收缩和高温合金环3发生向外拉伸，使得高温合金环3与发动机的转子叶片8的叶尖间隙得到增大，本公开航空发动机叶尖间隙被动控制装置100通过高温合金环3对高温形状记忆合金丝5的补偿以及蜂窝结构4的可适应性变形，实现了对叶尖间隙的被动控制。

在一些实施例中，如图2和图3所示，航空发动机叶尖间隙被动控制装置100还包括设置在高温合金环3的内壁上的易磨层2。发动机工作时，转子叶片8的叶尖和机匣6之间会有一定的间隙，即图3中转子叶片8和易磨层2之间的间隙；当发动机处于不同工作状态时，转子叶片8和易磨层2之间的间隙会随之改变。易磨层2由易磨材料制成，便于叶尖间隙的设置和控制。

如图2所示，在一些实施例中，蜂窝结构4为零泊松比蜂窝结构。零泊松比蜂窝结构能够产生较大的面内单向变形，同时保持另一个方向的强度和刚度的特性，可以很好地实现对高温合金环3径向变形的控制。在一些实施例中，如图2所示，蜂窝结构4的一边贴合高温合金环3的外壁，以便于对高温合金环3施力实现对高温合金环3径向变形的控制。

对于高温形状记忆合金丝5和蜂窝结构4的设置位置关系，在一些实施例中，如图2和图4所示，蜂窝结构4为内凹型六边形蜂窝结构，高温形状记忆合金丝5位于蜂窝结构4之外，避免蜂窝结构4在伸缩时对高温形状记忆合金丝5进行干涉。如图2所示，在一些实施例中，蜂窝结构4为多个并在高温合金环3的周向上布置，高温形状记忆合金丝5为多个且每个高温形状记忆合金丝5分别设置在两个相邻的蜂窝结构4之间，以确保变形均匀性。

在本公开的另一些实施例中，如图5所示，与上述实施例不同的是，蜂窝结构4′为正六边形蜂窝结构，高温形状记忆合金丝5位于蜂窝结构4′外。在一些实施例中，蜂窝结构4′为多个并在高温合金环3的周向上布置，高温形状记忆合金丝5为多个且每个高温形状记忆合金丝5分别设置在两个相邻的蜂窝结构4′之间，以确保变形均匀性。

为了保证高温合金环3在各径向变形的同步性和均匀性，如图2所示，在一些实施例中，多个蜂窝结构4在高温合金环3的周向上呈等间距布置。

为了使得高温合金环3易于变形，在一些实施例中，高温合金环3由高温形状记忆合金制成，并被配置为经过热处理以去除形状记忆合金效应。对高温合金环3和高温形状记忆合金丝5采用不同的热处理方式，使得高温合金环3不具备形状记忆合金效应，高温形状记忆合金丝5具备形状记忆合金效应，高温合金环3的变形只受高温形状记忆合金丝5的收缩控制，可以实现对叶尖间隙的双程控制。

本公开的一些实施例提供了一种航空发动机，包括前述航空发动机叶尖间隙被动控制装置100，如图1和图3所示，航空发动机叶尖间隙被动控制装置设置在航空发动机的机匣6内部，航空发动机的转子叶片8与高温合金环3的内壁之间具有间隙。本公开航空发动机叶尖间隙被动控制装置可以摒弃传统叶尖间隙控制方案的作动系统、控制系统、运动机构、连接结构等复杂机构，将高温形状记忆合金和蜂窝结构应用于叶尖间隙的控制方面，依据发动机不同工作状态实现对叶尖间隙的精确控制，在极大简化结构的同时，显著减轻了发动机的重量，发动机的性能得到提升。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)，其特征在于，包括：

高温合金环(3)；

蜂窝结构(4，4′)，设置在所述高温合金环(3)的外壁上；以及

高温形状记忆合金丝(5)，设置在所述高温合金环(3)的外壁上；

其中，所述高温形状记忆合金丝(5)的伸缩方向被配置为沿着所述高温合金环(3)的径向。

2.根据权利要求1所述的航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)，其特征在于，所述蜂窝结构(4，4′)为零泊松比蜂窝结构。

3.根据权利要求1所述的航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)，其特征在于，所述蜂窝结构(4，4′)的一边贴合所述高温合金环(3)的外壁。

4.根据权利要求1所述的航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)，其特征在于，所述蜂窝结构(4)为内凹型六边形蜂窝结构，所述高温形状记忆合金丝(5)位于所述蜂窝结构(4)之外。

5.根据权利要求1所述的航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)，其特征在于，所述蜂窝结构(4′)为正六边形蜂窝结构，所述高温形状记忆合金丝(5)位于所述蜂窝结构(4′)之外。

6.根据权利要求4或5所述的航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)，其特征在于，所述蜂窝结构(4，4′)为多个并在所述高温合金环(3)的周向上布置，所述高温形状记忆合金丝(5)为多个且每个所述高温形状记忆合金丝(5)分别设置在两个相邻的所述蜂窝结构(4)之间。

7.根据权利要求6所述的航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)，其特征在于，多个所述蜂窝结构(4，4′)在所述高温合金环(3)的周向上呈等间距布置。

8.根据权利要求1所述的航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)，其特征在于，所述高温合金环(3)由高温形状记忆合金制成，并被配置为经过热处理以去除形状记忆合金效应。

9.根据权利要求1所述的航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)，其特征在于，还包括设置在所述高温合金环(3)的内壁上的易磨层(2)。

10.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求1～9任一所述的航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)，其中，所述航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)设置在所述航空发动机的机匣(6)内部，所述航空发动机的转子叶片(8)与所述航空发动机叶尖间隙被动控制装置(100)之间具有间隙。

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