CN113863995B - 涡轮机及其主动间隙控制方法、间隙控制系统和机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮机及其主动间隙控制方法、间隙控制系统和间隙控制机构。该间隙控制机构包括有多个导向孔的固定外环；多个活动环块，在固定外环的外周侧环绕固定外环设置；多个封严组件，每个活动环块对应一个封严组件，每个封严组件包括多个封严单元，封严单元包括细长形状的封严件，封严件可滑动地穿过固定外环的导向孔，封严件的外端固定于活动环块，封严件的内端位于固定外环的内侧，每个活动环块对应的封严组件的所有封严件的内端限定可变的封严曲面；其中，通过活动环块的径向移动，带动封严组件进行移动，以调节封严曲面与位于固定外环的内侧的叶片之间的间隙。该间隙控制系统包括该间隙控制机构以及使活动环块径向移动的驱动装置。

Description

涡轮机及其主动间隙控制方法、间隙控制系统和机构

技术领域

本发明涉及航空发动机、燃气轮机技术领域，具体涉及一种涡轮机及其主动间隙控制方法、间隙控制系统和间隙控制机构。

背景技术

如图1和图2所示，传统的航空发动机的涡轮机100包括冷却管路1、涡轮机匣2、悬挂3、涡轮外环4和涡轮转子5，图中O方向为涡轮机100的轴向。涡轮外环4(如果有封严层，就是封严层底端)与涡轮转子5的叶片6之间存在叶尖间隙7。如图3所示，由于涡轮内部的各元件的表面压力不一样，以及在来自燃烧室外环腔的冷却气流(未图示)的作用下，导致高温燃气从高压区域流向低压区域，来自压力面61的叶尖区域内的流体沿叶尖间隙流入吸力面62，造成燃气流泄漏，图3中箭头21表示涡轮机匣2的移动方向，箭头22表示涡轮机100的轴线方向，箭头23表示翼展方向，箭头25表示泄露流，箭头24表示近机匣第二气流。

叶尖间隙对涡轮机的性能有较大影响，叶尖间隙每增加1％会导致涡轮机的效率下降1.5％，高压涡轮的叶尖间隙每减少0.254mm可以使得燃油消耗率降低1％，且发动机排气温度降低10K，可以显著提高发动机的寿命，此外氮氧化合物、一氧化碳以及二氧化碳的排放也大大降低。

在不同飞行状态下，叶尖间隙的控制要求不同：在起飞阶段，应留有足够的间隙，以避免涡轮叶片由于离心力而突然形变伸长，与机匣发生碰摩；在巡航阶段，应尽可能减小间隙，从而尽可能的减小泄漏流带来的损失。因此，间隙控制技术的关键在于如何适应不同工况的变化，在不发生碰摩的前提下，尽可能的减小间隙。

如表1所示，现有的改变叶尖间隙的基本方式是通过位移、形变的方式，大致分为机械式、热力式、液压式、膨胀式。目前的间隙控制主要分三类：被动控制、半主动控制、主动控制。其中的被动控制主要分为封严层设计法和根据转速开环控制空气流路阀门开度的方法，其中如蜂窝封严已被广泛使用，其作用在于涡轮叶片可通过刮磨封严层的方法防止叶尖的燃气流泄漏。对于半主动控制来说，关键点在于通过建立一个准确的间隙模型计算出间隙的大小并通过开环控制空气流路阀门开度从而间接控制间隙，其难点在于准确计算间隙。而主动间隙控制相对半主动间隙控制的主要区别在于引入了闭环反馈控制，在主动间隙控制领域内认可度比较高的方式是热力式控制，具体来说就是通过设置引气管路来控制冷却气流对机匣进行换热，通过改变温度从而改变涡轮机匣的膨胀量，以进一步调节间隙大小。

例如，申请人为中国航发商用航空发动机有限责任公司，公开号为CN108661723A的专利文献公开了一种可以主动控制叶尖间隙的涡轮性能试验件机匣结构，包括涡轮机匣、中层机匣以及涡轮外环，所述中层机匣由供气管供气，并由排气管排气，使得通过向所述中层机匣供热气或冷气来改变所述中层机匣的温度使得所述中层机匣热胀或冷缩，所述中层机匣带动挂在其上的所述涡轮外环径向运动以改变叶尖间隙。然而，此类控制方法需要额外设计复杂的管路来控制热气或冷气气流，导致涡轮的结构复杂性和重量的增加。

表1叶尖间隙变化的实现方法

除了通过控制的手段来控制叶尖间隙从而减小泄漏损失外，还有通过优化叶片以及机匣结构来直接减小泄漏发生的方法。例如，魏佐君等发表在《航空动力学报》2015年3月第30卷第3期的《机匣造型设计对涡轮叶尖泄漏流损失的影响》中，提出一种通过改变机匣造型设计来减少叶尖泄漏损失的方法，参照图4和图5，在原始叶栅的平板机匣上在轴向引入一条圆弧曲线，使得机匣向上拱起，形成轴对称的机匣凹槽，并且同时保证叶片顶部在轴对称平面内的几何型线与机匣保持等间隙大小，这样形成转子叶顶的圆弧形状，叶片叶顶部分伸入机匣凹槽内，通过数值模拟手段可以得出，相对于传统的机匣而言，凹曲面的机匣造型设计可以通过改变涡轮叶顶的压力面分布来大幅降低叶尖泄漏流损失，最大降幅可达6.1％。图4和图5中201表示原始机匣，202表示部分机匣造型，203表示全机匣造型，201a表示原始机匣201对应的压力侧分离泡，203a表示全机匣造型203对应的压力侧分离泡，P表示静态压力。

发明内容

本发明的目的是提供一种涡轮机及其主动间隙控制方法、间隙控制系统和间隙控制机构，通过控制封严组件的形状以及位移来减小叶尖泄漏，结构简单，易于实现。

为实现所述目的的间隙控制机构，包括：固定外环，提供有多个导向孔；多个活动环块，在所述固定外环的外周侧环绕所述固定外环设置；多个封严组件，每个所述活动环块对应一个所述封严组件，每个所述封严组件包括多个封严单元，所述封严单元包括封严件，所述封严件为细长形状，可滑动地穿过所述固定外环的所述导向孔，所述封严件的外端固定于所述活动环块，所述封严件的内端位于所述固定外环的内侧，每个所述活动环块对应的所述封严组件的所有所述封严件的所述内端限定可变的封严曲面；其中，通过所述活动环块的径向移动，带动所述封严组件进行移动，以调节所述封严曲面与位于所述固定外环的内侧的叶片之间的间隙。

在所述的间隙控制机构的一个或多个实施方式中，所述封严件包括第一段和第二段，所述第一段和所述第二段之间形成轴肩，所述第二段可滑动地穿过所述导向孔，所述轴肩形成阻挡部，阻止所述第一段进入到所述导向孔。

在所述的间隙控制机构的一个或多个实施方式中，所述轴肩和所述固定外环之间设置有弹性体。

在所述的间隙控制机构的一个或多个实施方式中，所述弹性体是套在所述第二段上的弹簧。

在所述的间隙控制机构的一个或多个实施方式中，所述第一段为圆柱形，所述第二段为棱柱，相应地所述导向孔为棱柱孔。

在所述的间隙控制机构的一个或多个实施方式中，所述封严曲面为凹曲面，使得所述封严曲面与相对的所述叶片之间的所述间隙为等距间隙。

在所述的间隙控制机构的一个或多个实施方式中，所述活动环块的内侧面为所述凹曲面，由所述活动环块固定的所有所述封严件等长，由此使得所述活动环块上所有所述封严件的所述内端所限定出的所述封严曲面也为所述凹曲面。

在所述的间隙控制机构的一个或多个实施方式中，所述封严件为空心结构。

为实现所述目的的间隙控制系统，包括任一所述的间隙控制机构，以及驱动装置，所述驱动装置输出运动到所述活动环块，以使所述活动环块径向移动。

在所述的间隙控制系统的一个或多个实施方式中，所述驱动装置包括对应每一个所述活动环块的作动筒。

为实现所述目的的涡轮机，包括涡轮机匣、涡轮外环以及涡轮转子，还包括任一所述的间隙控制系统，所述涡轮外环构造成所述固定外环，所述封严曲面与所述涡轮转子的所述叶片相对，所述驱动装置固定在所述涡轮机匣上。

为实现所述目的的涡轮机的主动间隙控制方法，所述涡轮机为航空发动机的高压涡轮同时为前述的涡轮机，包括：判断目前的工况；若为起飞状态，所述驱动装置保持初始位置，以使所述封严组件保持初始状态的位置，留出足够大的间隙避免所述叶片和所述封严组件碰磨；若为巡航状态，所述驱动装置驱动所述活动环块，以减小所述间隙。

本发明的涡轮机及其主动间隙控制方法、间隙控制系统和间隙控制机构，通过控制封严组件的形状以及位移来实现叶尖间隙的主动间隙控制，减小叶尖泄漏，可以绕开传统上通过额外设计复杂的管路来引冷却气流对机匣进行温度控制的主动间隙控制方法，结构简单，易于实现。针对航空发动机比较关注的起飞与巡航两个飞行工况分别设计控制逻辑，以在不发生碰摩的前提下，尽可能的减小间隙，使不同飞行状态下的涡轮机工作效率达到最大化，对降低涡轮机的油耗、提高涡轮机的性能和可靠性、减少污染物的排放具有重要的意义。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是根据现有技术的涡轮机的局部示意图。

图2是根据现有技术的涡轮机的局部剖视图。

图3是根据现有技术的涡轮机的叶尖泄露流线的示意图。

图4是根据现有技术的三种机匣造型设计的示意图。

图5是根据现有技术的不同机匣造型对叶尖压力面影响的效果图。

图6是根据一个或多个实施方式的间隙控制系统的横截面示意图。

图7是根据一个或多个实施方式的间隙控制机构的局部示意图。

图8是根据一个或多个实施方式的封严单元的示意图。

图9是根据一个或多个实施方式的固定外环的示意图。

图10是根据一个或多个实施方式的固定外环的局部示意图。

图11是根据一个或多个实施方式的间隙控制机构的多个曲面的示意图。

图12是根据一个或多个实施方式的作动筒的示意图。

图13是根据一个或多个实施方式的主动间隙控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。需要理解，附图均仅作为示例，并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围的限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。

参照图6至图10，本发明的间隙控制系统8包括间隙控制机构9和驱动装置10。间隙控制机构9包括固定外环11、多个活动环块12和多个封严组件13。固定外环11提供有多个导向孔111，多个活动环块12在固定外环11的外周侧环绕固定外环11设置，每个活动环块12对应一个封严组件13，每个封严组件13包括多个封严单元131，封严单元131包括封严件132，封严件132为细长形状，可滑动地穿过固定外环11的导向孔111，封严件132的外端132a固定于活动环块12，内端132b位于固定外环11的内侧，每个活动环块12对应的封严组件13的所有封严件132的内端132b限定可变的封严曲面14。

图6中101为中心轴线在横截面上的投影，图6左下角的扇形区域具体示出了其中一个活动环块12和对应的封严组件13，其他活动环块12和对应的封严组件13的结构与之相同，在图6中简化表示。尽管图6所示的活动环块12和封严组件13的数量分别为6个，在其他实施方式中，活动环块12和封严组件13的数量也可以设置为其他数量。

本发明的间隙控制系统8可以结合于如图1和2所示的涡轮机100中，对其叶尖间隙7进行主动间隙控制，此时涡轮机100的涡轮外环4即构成固定外环11，封严曲面14与涡轮转子5的叶片6相对，驱动装置10固定在涡轮机匣2上。

驱动装置10输出运动到活动环块12，以使活动环块12径向移动，通过活动环块12的移动，可以带动封严组件13进行移动，以调节封严曲面14与位于固定外环11的内侧的叶片6之间的间隙7。相邻的活动环块12之间存在空隙(未图示)，可以避免活动环块12在径向移动时，由于半径变小导致相邻的活动环块12之间发生干涉。

由此，通过固定外环11、多个活动环块12和多个封严组件13的设计，可以通过活动环块12带动封严组件13进行径向移动，以调节封严曲面14与位于固定外环11的内侧的叶片6之间的间隙7，同时避免由于半径变小导致相邻的活动环块12之间发生干涉，并可以通过固定外环11保持所有封严件132的内端132b限定的可变的封严曲面14的完整，因此可以绕开传统上通过额外设计复杂的管路来引冷却气流对机匣进行温度控制的主动间隙控制方法，转为控制封严组件13的形状以及位移来实现叶尖间隙7的主动间隙控制，以减小叶尖泄漏，结构简单，易于实现，对降低涡轮机100的油耗、提高涡轮机100的性能和可靠性、减少污染物的排放具有重要的意义。

参照图8，封严件132包括第一段132c和第二段132d，第一段132c和第二段132d之间形成轴肩132e，第二段132d可滑动地穿过导向孔111，轴肩132e形成阻挡部，阻止第一段132c进入到导向孔111。轴肩132e和固定外环11之间设置有弹性体133，弹性体133通过抵住封严件132的轴肩132e，向活动环块12施加与驱动装置10的驱动力方向相反的弹性力，可以对活动环块12起到定位和支撑的作用，以便更准确地实现对间隙7的控制。弹性体133的例子包括但不限于套在第二段132d上的弹簧。

继续参照图8，封严件132的内部可以设置为空腔，以便在满足强度要求的前提下，尽可能的减小重量。

参照图8至图10，第一段132c可以设置为圆柱形，以便于加工，第二段132d可以设置为棱柱，相应地导向孔111为棱柱孔，由此，可以借鉴被动控制方法中较为成熟的蜂窝封严的结构，通过多个交错设置的棱柱，产生很强的涡流和屏障，从而阻止气体泄漏，以减少叶尖泄漏。

参照图4、图7和图11，封严曲面14设置为如背景技术部分所介绍的在轴向截面上向上拱起的凹曲面，使得封严曲面14与相对的叶片6之间的间隙7为等距间隙，由此，可通过封严曲面14的造型设计来进一步从原理上减小叶尖泄漏流损失。

图11上加粗标注的三个曲面分别为活动环块12的内侧面12a、固定外环11的内侧表面11a和封严曲面14。其中活动环块12的内侧面12a为前述凹曲面，由活动环块12固定的所有封严件132等长，由此使得活动环块12上所有封严件132的内端132b所限定出的封严曲面14也为前述凹曲面。

参照图12，驱动装置10可以包括对应每一个活动环块12的作动筒10a，其控制思路是通过控制X方向上的阀的开度从而控制作动筒10a在Y方向上的位移。由此，可以采用技术上较为成熟的作动筒10a控制活动环块12的位移，实现对叶尖间隙7的控制，方案简单，易于实现。

驱动装置10也可以采用其他现有技术中成熟的致动器，例如气动、液压、机械或其他方式驱动的致动器。

下面结合图13对采用本发明的间隙控制系统8的涡轮机100的主动间隙控制方法进行说明，该涡轮机100优选为航空发动机的高压涡轮，该主动间隙控制方法包括以下步骤：

1.在飞机起飞前对设备进行初始化验证校准，确保驱动装置10处于初始位置，即驱动装置10并没有推动活动环块12，活动环块12和封严组件13处于初始状态的位置；

2.航空发动机FADEC(Full Authority Digital Engine Control，全权限数字发动机控制器)判断飞机目前的工况：

2.1若为起飞状态，则驱动装置10保持初始位置，以使封严组件13保持初始状态的位置，留出足够大的间隙7以避免叶片6由于离心力而突然形变伸长，与封严组件13发生碰磨；

2.2若为巡航状态，则驱动装置10驱动活动环块12径向移动，带动封严组件13移动，以减小间隙7，减少叶尖泄漏。

本发明的涡轮机及其主动间隙控制方法、间隙控制系统和间隙控制机构，通过控制封严组件的形状以及位移来实现叶尖间隙的主动间隙控制，减小叶尖泄漏，可以绕开传统上通过额外设计复杂的管路来引冷却气流对机匣进行温度控制的主动间隙控制方法，结构简单，易于实现。针对航空发动机比较关注的起飞与巡航两个飞行工况分别设计控制逻辑，以在不发生碰摩的前提下，尽可能的减小间隙，使不同飞行状态下的涡轮机工作效率达到最大化，对降低涡轮机的油耗、提高涡轮机的性能和可靠性、减少污染物的排放具有重要的意义。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (12)

1.间隙控制机构，其特征在于，包括：

固定外环，提供有多个导向孔；

多个活动环块，在所述固定外环的外周侧环绕所述固定外环设置；

多个封严组件，每个所述活动环块对应一个所述封严组件，每个所述封严组件包括多个封严单元，所述封严单元包括封严件，所述封严件为细长形状，可滑动地穿过所述固定外环的所述导向孔，所述封严件的外端固定于所述活动环块，所述封严件的内端位于所述固定外环的内侧，每个所述活动环块对应的所述封严组件的所有所述封严件的所述内端限定可变的封严曲面；

其中，通过所述活动环块的径向移动，带动所述封严组件进行移动，以调节所述封严曲面与位于所述固定外环的内侧的叶片之间的间隙。

2.如权利要求1所述的间隙控制机构，其特征在于，所述封严件包括第一段和第二段，所述第一段和所述第二段之间形成轴肩，所述第二段可滑动地穿过所述导向孔，所述轴肩形成阻挡部，阻止所述第一段进入到所述导向孔。

3.如权利要求2所述的间隙控制机构，其特征在于，所述轴肩和所述固定外环之间设置有弹性体。

4.如权利要求3所述的间隙控制机构，其特征在于，所述弹性体是套在所述第二段上的弹簧。

5.如权利要求2所述的间隙控制机构，其特征在于，所述第一段为圆柱形，所述第二段为棱柱，相应地所述导向孔为棱柱孔。

6.如权利要求1所述的间隙控制机构，其特征在于，所述封严曲面为凹曲面，使得所述封严曲面与相对的所述叶片之间的所述间隙为等距间隙。

7.如权利要求6所述的间隙控制机构，其特征在于，所述活动环块的内侧面为所述凹曲面，由所述活动环块固定的所有所述封严件等长，由此使得所述活动环块上所有所述封严件的所述内端所限定出的所述封严曲面也为所述凹曲面。

8.如权利要求1所述的间隙控制机构，其特征在于，所述封严件为空心结构。

9.间隙控制系统，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的间隙控制机构，以及驱动装置，所述驱动装置输出运动到所述活动环块，以使所述活动环块径向移动。

10.如权利要求9所述的间隙控制系统，其特征在于，所述驱动装置包括对应每一个所述活动环块的作动筒。

11.一种涡轮机，包括涡轮机匣、涡轮外环以及涡轮转子，其特征在于，还包括如权利要求9或10所述的间隙控制系统，所述涡轮外环构造成所述固定外环，所述封严曲面与所述涡轮转子的所述叶片相对，所述驱动装置固定在所述涡轮机匣上。

12.一种涡轮机的主动间隙控制方法，所述涡轮机为航空发动机的高压涡轮同时为权利要求11所述的涡轮机，其特征在于，包括：

判断目前的工况；

若为起飞状态，所述驱动装置保持初始位置，以使所述封严组件保持初始状态的位置，留出足够大的间隙避免所述叶片和所述封严组件碰磨；

若为巡航状态，所述驱动装置驱动所述活动环块，以减小所述间隙。