[发明专利]涡轮机及其主动间隙控制方法、间隙控制系统和机构

说明书

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。

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