1、設計題目：設計題目：飛機發動機的間隙控制淺談飛機發動機的間隙控制淺談目目 錄錄摘摘 要要.0ABSTRACT.01 影響因素和機理影響因素和機理.11.1 葉尖間隙的影響因素.11.2 葉尖間隙的變化原理.12 間隙控制及其分類間隙控制及其分類.22.1 主動機械控制系統.22.2 主動熱控制系統.32.3 主動壓力控制系統.43 主動間隙控制的優點主動間隙控制的優點.43.1 減少燃油消耗.43.2 降低排放.44 關鍵技術關鍵技術.54.1 葉尖間隙分析技術.54.2 葉尖間隙測量技術.55 主動間隙控制的發展趨勢主動間隙控制的發展趨勢.65.1 快速響應的主動間隙控制系統.65.2 采用

2、記憶合金的主動間隙控制系統.76 主動間隙控制技術在民用航空發動機上的實現主動間隙控制技術在民用航空發動機上的實現.86.1 JT90-7 發動機 .86.3 PW4000 發動機.96.4 V2500 發動機.96.5 GE90 發動機 .10結結 論論.11致致 謝謝.12參考文獻參考文獻.13摘摘 要要在飛機飛行中，要進來減少飛機燃油的消耗，為了減少成本和減輕對環境的影響，飛機發動機要維持比較高的工作效率。但是渦輪之間的間隙大大的影響了渦輪效率，我們為了消除渦輪間隙的不良影響，研究了葉尖間隙形成和變化的原理以及主要的影響因素，我們主要闡述了 3 種不同的主動間隙控制系統的掌控方法和功能特

3、性，歸納了主動間隙控制在提高發動機效率，減少飛機燃油消耗，降低廢氣排放，減少維護費用等方面的好處，以及對主動間隙控制技術的主要技術和以后發展方向進行了討論。我們認為國內要認識到飛機發動機間隙控制技術的重要性以及它的研究和改進。關鍵詞關鍵詞： 葉尖間隙，間隙控制Abstract In order to reduce the cost of aircraft fuel and to reduce the impact on the environment, aircraft engines need to maintain a relatively high efficiency. But the

4、 gap between the turbine greatly influence the efficiency of turbine, in order to eliminate the bad influence of the turbine clearance, we studied the formation and change of tip clearance principle and the main influence factors, we mainly expounds the active clearance control system of three diffe

5、rent control methods and features, and sums up the active clearance control in improving the efficiency of the engine, reduce jet fuel consumption, reduce emissions, reduce maintenance costs and other benefits, as well as the main technology of active clearance control technology and future developm

6、ent direction was discussed. We believe that it is important to recognize the importance of gap control technology in aircraft engines and its research and improvement.11 影響因素和機理影響因素和機理1.1 葉尖間隙的影響因素葉尖間隙的影響因素影響葉尖間隙的因素有很多，在飛機發動機制造和組裝精度原始狀態下確定了它的葉尖空隙。在飛行過程中，飛機有很多不同的飛行狀態，這些狀態會影響飛行轉子的葉尖空隙。這些瞬間的工作狀態點包括著陸，

7、再加速，減速和起等。1.2 葉尖間隙的變化原理葉尖間隙的變化原理我們需要研究出一種不同于現時代的發動機，現在的葉尖間隙還是太大，不滿足我們現在的市場需求。我們需求一種更小的葉尖間隙發動機。如圖 1 所示的是當飛機在進行起降時，發動機葉尖的變化情況。飛機要順利起飛，需要發動機提供強大的動力支持，此時葉尖孔隙比較小。在飛機飛行時，利用燃氣對渦輪盤和轉子葉片進行加熱，此時轉子受到的離心力逐漸加大，進而會迅速膨脹。但是靜止間的膨脹速度相對來說則會減緩很多，比如渦輪外環等，對于機匣而言，其變化速度亦是如此。所以，葉尖的孔隙會逐漸的減小，并且轉子與靜子之間還有可能出現摩擦或者碰撞的情況。此后，也轉子會繼續

8、膨脹，直到到達穩定狀態。此時，機匣還會不停的膨脹，增大了葉尖間隙。在處于巡航狀態時，轉子與機匣所受到的熱能與機械載荷會維持穩定，二者的膨脹也會相對平衡。所以，葉尖間隙也會維持穩定。而當發動機在產生加速度的瞬間狀態時，有可能會產生另外一個最小間隙點。圖 1 發動機葉尖變化情況發動機的均勻載荷包括離心載荷，當靜子與轉子受到熱載荷與氣動載荷的作用時，會導致其出現如圖 2 所示的均勻的徑向變形。其中，發動機最大徑向間隙的改變也會受到離心載荷與熱載荷非常大的影響。熱載荷還會控制轉子與靜子的碰撞與收縮，也會導致受熱不均勻。所以，在熱載荷的作用下，會導致間隙與非間隙變化的同時出現。一般而言，安裝發動機的位置

9、都不是在飛機上的中心線。推力和氣動力會對機匣2發揮作用，形成合成力矩，靜子此時會相對轉子而產生彎曲。Oisson 和 Martin 通過研究 JT9D，結果發現當在空中進行起動時，轉速的增大與燃氣的加熱共同作用的情況下，會增大間隙。此外，由于發動機載荷與飛行載荷對葉尖間隙的作用，會產生對稱與非對稱兩種間隙的變化。此外，葉尖間隙也會受到其他因素的影響，比如轉子葉片與機匣制造等，但是影響的程度并不大。可以對轉軸和軸承角度以及間隔等進行合理的設計，以對機匣圓心角與葉尖高度進行控制。并且通過促進組裝共同程度的提升，以及提升不平衡量鞥方式，將誤差影響間隙的程度降到最低。2 間隙控制及其分類間隙控制及其分

10、類為對不恰當葉尖間隙影響飛機性能的程度降到最低，研究了很多對控制間隙的技術，進而使得在完整周期內，將葉尖間隙減到最小，促使發動機效率的提升，并將SFC 減到最低。在控制間隙的方法方面，主要包含兩種：其一，PCC 被動間隙控制；其二，ACC 主動間隙控制。對于前者而言，不會伴隨發動機的工作狀態，而對間隙控制進行調節技術，通過匹配每一個時刻轉子和靜子的膨脹或者收縮，來調節葉尖間隙，廣泛應用在葉片氣動設計階段。PCC 選擇最苛刻的瞬間狀態為設計間隙。不斷減小裝配間隙，并且在減小發動機葉尖間隙時，采用了一些不易磨損的涂層。因此，從其缺點來看，就是所設計的間隙，只對最苛刻的瞬間狀態較為適用。對于發動機轉

11、速周期而言，巡航狀態所占用的時間最長。對于該穩定狀態而言，葉尖間隙過大，會對整機效率以及 SCF 產生影響。上世紀 70 年代末期，西方開始對間隙進行主動的控制，以初級整機效率的提升。在此階段，開始使用的發動機非常多，比如 E3 和 JT9D 等。當前時期，民用以及工業燃氣輪機開始廣泛使用主動間隙控制系統，在發動機控制過程中，要對葉尖間隙進行較好的控制。并且要確保渦輪外環不會碰撞到發動機的飛行包線，也不會與其產生摩擦。由當前時期所使用的研究方法可知，可以將 ACC 系統主要分成三種，分別主動機械控制和熱控制以及壓力控制。2.1 主動機械控制系統主動機械控制系統如圖 2 所示的主動間隙控制系統，

12、可知如果發動機的工作載荷不同，需要對葉尖間隙進行調整，然后使用機械機械裝置。將驅動軸安裝在機匣和渦輪外環，利用水壓與電驅動機械以及電磁等方法，向外環方向移動，進而對葉尖間隙進行改變。在利用主動機械進行控制時，其主要優點就是無需發動機進行引起，不會對發動3機性能產生影響，也不會降低發動機的響應速度。主間隙控制的缺點是結構比較復雜，發動機的重量會增加。還有一個更嚴重的問題是機械，要求在溫度非常高的情況下，進行運轉，這也是當前時期非常緊要的問題。而且當前時期，已經在 RB211 系列的發動機上，開始應用主動間隙控制系統。圖 2 主動間隙控制系統2.2 主動熱控制系統主動熱控制系統現在，很多航空公司生

13、產的發動機都普遍采用主動熱控制系統。對 E3 發動機而言，使用的是如圖 3 所示的主動熱控制系統。E3 的工作原理是用壓氣機或者風扇產生的冷氣等，作用于渦輪外環支撐以及渦輪機匣上，對其進行冷卻。并且利用冷卻空氣的溫度與流量等，對渦輪機的熱膨脹量進行調整，進而對徑向位移進行控制，以得到理想的葉尖間隙。u2=U2m sin2圖 3 E3 主動熱控制系統4主動熱間隙有一個明顯的壞處，就是其熱反應的速度比較慢，對于飛行包線并不適用。雖然在處于瞬間狀態時，所控制的效果并不好。而且在飛行起落的很多時間中，都處于巡航狀態。并且利用熱控制系統可以將葉尖間隙進行有效的降低，進而促使發動機效率的提升，并實現 SC

14、F 的降低。2.3 主動壓力控制系統主動壓力控制系統該系統主要采用壓氣機控制葉尖間隙，并使用壓氣機控制葉尖間隙，利用其引起與燃氣之間產生的壓差對渦輪導致徑向位移。所以，對于主動壓力控制熱系統而言，其對于壓力的反映異常的敏感，可以承受非常大的疲勞。在對其進行間隙控制時，要求從壓氣機引入大量的氣，然而引氣并不做功。因此，可以認為降低了發動機的效率，這不是一個很可取的方法。3 主動間隙控制的優點主動間隙控制的優點在該控制方法下，發動機的運行可以出院最優的葉尖間隙狀態。所以，可以對渦輪的效率進行顯著的改善，并促進整機效率的提升，同時要求在渦輪進口溫度下，允許發動機運行。這樣可以消耗更少的燃油。因此，在

15、較低的進口溫度和排氣溫度下渦輪部件也可以工作，可以明顯提高受熱一端機械的使用壽命，對于客戶來說極大的節約了維修費用。3.1 減少燃油消耗減少燃油消耗對于飛行機隊和燃機機組而言，SCF 是其最大的成本支出。SCF 和發動機與渦輪的效率有著很大的關系，換句話說也就和渦輪葉尖間隙的大小有著密不可分的關系。將主動間隙控制系統使用在 CF6 發動機上，來提高發動機效率。進行了主動間隙控制的高壓渦輪，極大的提高了發動機性能和效率，而且使 SCF 下降了適當的百分百。對整個飛機中隊來說也節省了一筆非常多的成本。3.2 降低排放降低排放利用主動間隙控制，促使整機效率得到了極大的提升，使得燃油消耗被較好的控制，

16、并且廢棄物的排放量實現了一定程度的降低。特別是二氧化氮和一氧化碳的排放有了顯著的下降。53.33.3 降低維修成本降低維修成本 伴隨工藝的進步，葉尖間隙得到了極大的改變。發動機的工作效率更高，并且能夠在更低的溫度下開展工作。這也使得受熱端的蠕變和熱疲勞導致的故障時間不斷推遲。根據很多專家的觀點，渦輪前溫度每升高十攝氏度，渦輪葉片的壽命都會降低一半，而且受熱端出現失效部件的概率也會適當的降低。在此情況下，發動機的使用時間會大幅增加，在其服役期間所產生的維修成本也會大大降低。4 關鍵技術關鍵技術4.1 葉尖間隙分析技術葉尖間隙分析技術夜間區域最常產生復雜的氣流以及溫度的改變，在實際使用時，也會出現

17、變形等情況。所以，在控制間隙時，其關鍵就是采用精準的分析葉尖間隙的技術。王寶官和李玲等，研究了傳熱改變葉尖間隙的大小，而且得出了計算轉子伸長量與機匣膨脹量的方法。對葉尖區域的流動和換熱以及葉尖位置等進行計算和分析，需要深入對其進行研究。通過采用氣固熱耦合等分析方法，模擬葉尖間隙的數值，但是還需進一步驗證其有效性。4.2 葉尖間隙測量技術葉尖間隙測量技術要實現主動間隙控制，并對系統進行設計，最重要的方法是測量葉尖間隙。在飛行包線內，需要共同發揮飛機載荷與發動機載荷的共同作用，并在葉尖產生對稱與非對稱間隙，而且在瞬態過程中，間隙會伴隨時間的變化而出現變化。所以，要測量葉尖間隙，在使用發動機過程中，

18、要實時測量葉尖間隙。要以測試數據為基礎，對有效間隙進行測定，并且對控制主動間隙的規律進行設計，以驗證間隙控制系統。發動機的運轉需要在高溫高壓以及高轉速的情況下進行，要求傳感器能夠長期穩定的工作，在遇到問題后能及時反饋，這對其產生了極大的考驗。當前時期，在策略葉尖間隙時，主要使用的方法包括探針法與電容法等。4.34.3 控制系統設計技術控制系統設計技術根據控制方法的差異，可以將主動間隙控制系統，設計為開和關兩種方式，有 3類模式與反饋式的控制系統。就控制規律來看，采用開/關式控制更加簡單。在對其進行優化控制時，只需使用一個工作點。此種控制方法當前時期在發動機上的應用比較6廣泛，主要用于控制巡航點

19、的葉尖間隙，進而對油耗進行降低。采用模型式控制，主要是對發動機的狀態參數進行測量，進而對間隙進行控制。運用該控制方法可以有效的控制各種狀態的葉尖間隙。對于反饋式控制器，則需要在發動機上，實時的測量葉尖間隙，這對傳感器的可靠性與精確性的要求非常高。對于控制系統而言，需要合理的設計控制規律和執行機構，其作用力的主要來源包括壓力引氣。要確保管理壓力裝置與機械傳動的有效性，對葉尖間隙進行良好的控制。除此之外，對控制系統進行設計時，還應當進行容錯設計。在對主動間隙進行控制時，如果間隙設置不夠合理有可能導致轉子或者渦輪外環出現故障，對發動機的安全運行產生影響。5 主動間隙控制的發展趨勢主動間隙控制的發展趨

20、勢5.15.1 快速響應的主動間隙控制系統快速響應的主動間隙控制系統在 PROPULSION 21 的計劃和技術支持下，有兩個大公司對快速響應的主動間隙控制系統進行了深入研究，這兩個公司分別是 NASA 格林研究中心和 GE 公司。Lattine 在試驗器上，對快速響應的主動控制系統的概念進行了驗證。主要包含兩個方面：實時控制模塊和試驗器（如圖 4 所示）。實時控制模塊包含一個時域變動的發動機參數的動態模型和相關聯的控制規律。試驗器包含位移執行機構，封嚴外環和間隙傳感器等。在使用中，控制模塊根據發動機的實時狀態，利用動態模型計算出轉子和靜子之間的間隙，并計算理論值和實測間隙的差值。控制系統利用

21、差值計算出新的執行機構位移點，在試驗器上利用傳動桿實現外環塊的徑向位移，使用傳感器測量外環塊的位移量，并將它輸出給控制系統，由此實現閉環控制。圖 4 NASA 主動機械控制系統7與此同時，GE 公司一直在研究熱控制的方法，來完成快速響應的主動間隙控制系統。（如圖 5 所示），使用高壓壓氣機引氣對機匣加熱或冷卻，但是由于壓力很高，而且流量很大，氣流作用到機匣上會有更高的對流換熱系數。研究表明：這種熱控制系統能夠加快機匣溫度響應，使機匣的變形速率能夠與渦輪盤和葉片的變形相匹配。還有一個優點，用于加熱或冷卻的壓氣機引氣可以再次用于渦輪葉片引氣，從而相對減小冷氣用量，有利于改善整機性能。圖 5 快速響

22、應主動熱控制間隙系統5.2 采用記憶合金的主動間隙控制系統采用記憶合金的主動間隙控制系統高溫記憶合金（HTSMA）是 NASA 格林研究中心研究的一種新型材料，可以產生很復雜的形變，在加熱時自動恢復原始形態。HTSMA 能承受 500 攝氏度的高溫，因此可用于主動間隙控制系統中的位移執行機構。一種使用 HTSMA 的主動間隙控制系統如圖 6 所示，HTSMA 被制成線圈，可以帶動傳動桿在徑向位移渦輪外環，從而實現增大或減小葉尖間隙的目的。圖 6 采用高溫記憶合金的主動間隙控制系統HTSMA 控制系統的主要優點是機構比較輕巧，并且只用少量引氣就能達到控制目的。86 主動間隙控制技術在民用航空發動

23、機上的實現主動間隙控制技術在民用航空發動機上的實現6.16.1 JT90-7JT90-7 發動機發動機如圖 7 所示 JT9D-7 發動機上采用了渦輪機匣用風扇排氣冷卻系統實現葉尖間隙主動控制。當飛行高度超過 7010 米，氣壓開關把飛機上 28 伏直流電源與該系統連接，通電后使電磁活門動作，接通了氣動活門伺服壓力是渦輪機匣冷卻空氣活門開啟，使風扇排氣進入高壓渦輪機匣冷卻空氣活門開啟，使風扇排氣進入高壓渦輪機匣周圍的冷卻空氣總管中吹出來冷卻渦輪機匣安裝邊和其外表面，這樣就使巡航狀態渦輪葉片間隙減小，提高渦輪效率而降低耗油量。當飛行高度低于 6400 米時，該系統不工作，以避免在高功率狀態下運轉

24、時渦輪轉子葉片葉尖與機匣摩擦的可能性。當該系統出現電氣或氣動故障時，從設計上保證該系統處于不工作狀態，沒有風扇排氣流向渦輪機匣。因為在不應進行冷卻時如對渦輪機匣進行了冷卻，二級渦輪轉子葉片葉尖就會被摩擦掉，特別在飛機爬升情況下，因這時周圍大氣溫度較高，所以在 6400 米以下和出現故障時均切斷冷卻空氣。圖 7 JT9D-7 發動機高壓渦輪機匣冷卻系統6.26.2 CFM56-3CFM56-3 發動機發動機由于發動機機匣是剛性件，要傳遞推力，對溫度敏感性不強，間隙不意控制。CFM56-3 發動機的高壓渦輪間隙處的結構如圖 8，高壓渦輪襯環支撐是一個溫度敏感元件，它的膨脹和搜索帶動高壓渦輪襯環膨脹

25、和收縮，從而改變間隙。用于渦輪間隙控制的空氣來自 5 級和 9 級的壓氣機引氣，控制方式分無定時器和9有定時器兩種類型。無定時器控制方式的具體間隙控制空氣要隨發動機工作狀態，考慮到發動機的安全性而制定，由高壓渦輪間隙控制活門控制，但發動機在慢車和起飛僅用 9 級引氣，溫度較高，高壓渦輪襯環膨脹較大，如更冷發起飛，渦輪葉片伸長達不到飽和狀態。使高壓渦輪間隙很大，渦輪效率很低。實驗表明在這種情況下起飛 EGT 超調達 25攝氏度，嚴重影響了發動機的性能和壽命。在 CFM56-4-B2 的以上型號的發動機，為了解決這一問題，裝有高壓渦輪間隙控制活門的定時器。定時器是一個帶自鎖的液壓作動的順序裝置，其

26、工作條件是飛機在地面，高壓轉子轉速達到百分之 95 的氮氣。工作時間是工作循環完成后，高壓渦輪間隙又重新回到無定時器工作狀態，工作時間使182 秒。在定時器工作的時候，通過其控制的高壓渦輪間隙活門，改變間隙控制的引氣模式。6.36.3 PW4000PW4000 發動機發動機PW4000 發動機是雙轉子，高壓縮和高涵道比的軸流式渦輪風扇發動機。通過全功能數字電子控制器（FADEC/EEC）感受高度參數，并根據參數控制主動間隙控制系統。它通過 A,B 兩個通道向渦輪機匣冷卻作動器的阻力馬達發布指令，來調節由燃油計量器供給的伺服燃油壓力大小，伺服燃油壓力的變化引起作動器中的活塞移動，活塞的移動帶動作

27、動鋼索，鋼索通過聯襯及搖擺調節高壓渦輪，低壓渦輪冷氣活門的開度，這樣將風扇氣流通過引氣管道流向渦輪機匣表面的空氣管路起到冷卻渦輪機匣的作用。為了監控 TCC 系統的工作，在 TCC 作動器上有反饋作動器內活塞位置的線性可變差動傳感器，它將反饋信號反饋給 FADEC/EEC。如果 TCC 作動器活塞位置與指令位不一致，在進行 FADEC 地面測試時，可以發現相應的故障代碼。PW4000 發動機主動間隙控制系統有以下六個部件：渦輪機匣冷卻空氣閥件動筒，高、低壓空氣關斷閥，空氣閥控制鋼索，高、低壓冷卻空氣總管6.46.4 V2500V2500 發動機發動機V2500 發動機主動間隙控制系統的工作原理

28、是：從燃油計量器來的高壓油經過一個微來的油濾，到達扭矩馬達，扭矩馬達是由發動機電子控制兩個通道的兩組線圈作動，當任一通道工作時，通過扭矩馬達的油壓操縱伺服閥工作。伺服閥控制給作動器的油壓。當作動器運動后，在操縱主動間隙活門的同時，通過兩個線性可變差動傳感器將信號反饋給 EEC，作動器活塞有一彈簧可以允許當作動器活塞熱膨脹和將作動器作動在故障保護位子。10系統在停車狀態時，發動機不工作，作動器在彈簧作用下在伸出位，此時，高壓渦輪活門在關位，低壓活門有百分之 44 的開度。在發動機啟動后，只要不在起飛狀態，兩個活門的開度是由 EEC 控制，此時活門的開度在坐標圖中的 B 和 E 區間，當發動機在起

29、飛狀態時，此時，高壓渦輪活門關閉，低壓活門開度不小于百分之 70，活門位置實際上是由飛機高度決定的。當扭矩馬達不工作時，或無高壓燃油作動時，作動器在彈簧作用下起到故障保護。V2500 發動機主動間隙控制系統由主動間隙控制閥，主動間隙控制作動器，一根低壓渦輪供給管，高壓渦輪總管和 2 組低壓渦輪總管。其中高壓渦輪總管為 4 根方形通氣管，低壓渦輪總管為 8 根圓形通氣管組成。6.56.5 GE90GE90 發動機發動機GE90 渦輪風扇發動機高壓渦輪主動間隙控制系統(HPT ACC 位與核心發動機左側9 點鐘位置。它延伸至尾部并圍繞著高壓渦輪機匣 。使傳感器輸入，在所有動力情況下 FADEC，調

30、整液壓油操作 HPT ACC 閥。風扇排出空氣進入 HPT ACC 系統，經過閥進入輸送管。輸送管引導空氣進入高壓渦輪主動間隙控制系統總管，該總管分配空氣至兩根方形冷卻支管，空氣從冷卻支管的內部的孔排出并與高壓渦輪主動間隙控制系統的機匣接觸。空氣經過中心間隙冷卻通風口。FADEC 同時為高壓渦輪主動間隙控制系統的控制器提供故障檢查器。低壓渦輪主動間隙控制系統（LPT ACC）位于核心發動機右側 3 點鐘位置，它延伸至尾部并圍繞著低壓渦輪機匣。使用傳感器輸入，在高功率情況下，FADEC 將打開閥門，空氣驅動 LPT ACC 閥通常位于低流程位置并且低功率工作。這可防止在加速階段轉子與機匣摩擦。風扇空氣進入 LPT ACC 系統，流經閥進入輸送管。當控制閥打開時其提供一個大的氣流，當關閉時提供一個減小的氣流。輸送管直接把空氣送至 LPT ACC 總管，該總管分配空氣至冷卻支管，支管的每一圈由 4 個 90 度的扇形段組成，空氣從支管內部的孔排出并與 LPT 機匣接觸。空氣經過中心間隙冷卻通風口。11結結 論論2017 年