航空发动机压气机叶尖径向间隙变化规律研究

涡扇发动机轴流式压气机转子叶尖径向间隙对发动机性能 ( 主要包括压气机效率、燃油消耗率(SFC)、喘振裕度等 ) 有重大影响，减小压气机 转子叶尖径向间隙可使发动机性能受益，但同时也可能增加压气机叶尖与机匣涂层径向碰磨风险， 而压气机转子叶尖与涂层径向整圈碰磨会导致叶片失效 。压气机叶尖径向间隙设计的目标，是使发动机在所有工作状态下，叶尖径向间隙保持最小，且在正常飞行条件下不发生碰磨 。压气机转子叶尖和涂层径向整圈碰磨通常发生在典型过渡态，因此在压气机叶尖间隙设计中，需掌握压气机过渡态叶尖间隙变化规律，从而确定压气机转子叶尖径向间隙最小、最容易发生叶尖径向整圈碰磨的典型过渡态历程，并将其应用到压气机叶尖径向间隙设计中，才能有效避免压气机转子叶尖和涂层径向整圈碰磨。

01   叶尖间隙设计方法

压气机转子叶尖径向间隙设计需要考虑诸多因素，方案设计阶段压气机转子叶尖径向装配间隙可按式 (1) 进行计算。

(1) 各级转子稳态径向变形以轮盘为主、叶片为辅。压气机各级盘径向变形受离心载荷和温度载荷的影响不同，其中第1级盘径向变形受离心载荷 的影响更明显，占比达 59%；压气机后几级盘的径 向变形受温度影响更明显，占比达 70% 以上。 

(2) 压力对机匣径向变形的影响较小，机匣径 向变形由温度载荷决定，占比 95% 以上。 

 以上分析表明，温度是影响压气机转子和机匣径向变形的关键因素。通常，压气机转、静子过渡态温度难以准确预估，因此，在过渡态叶尖径向间隙有限元仿真计算前，还需完成压气机转、静子温度测量，然后采用有限元仿真方法对压气机转子过渡态叶尖径向间隙变化规律进行分析，并结合该压气机转子叶尖间隙测量数据对仿真结果进行校准。压气机某级转子叶尖径向间隙仿真和试验结果分别见图 1、图 2。

图中，TC06~TC08 为测点编号。对比分析可知：有限元仿真可以模拟压气机叶尖间隙变化趋势，因此，可以结合仿真结果研究过渡 态叶尖间隙变化规律，并确定压气机转子叶尖径向 间隙最小或最大时的典型过渡态历程。

02      叶尖间隙仿真分析

压气机转子叶尖变形和机匣变形随时间变化的过渡态关系，可以通过理论分析或试验的方法得到，以此来确定压气机转子叶尖径向间隙变 化规律。典型压气机从慢车到大状态 ( 中间 / 最大 状态 )，再从大状态 ( 中间 / 最大状态 ) 到慢车，其 转子叶尖变形、机匣变形以及叶尖径向间隙见图 3、 图 4，其中叶尖径向间隙用机匣变形与叶尖变形曲线差表述。 

 分析图 3、图 4 可知，压气机叶尖径向间隙减 小发生在以下 3 个过程：典型历程 1——转速上推过程。其原理为，转 速上推阶段，转子离心载荷引起的径向变形叠加叶 片热变形，大于机匣径向变形，此时叶尖间隙减小。典型历程 2——转速上推大状态 ( 中间或最大状态 ) 后的热平衡过程。该过程反映了稳态间隙， 其原理为，压气机轮盘和机匣的热变形速率不同， 通常轮盘相比机匣“热容”更大，热变形速率更慢， 当机匣热平衡时，轮盘热变形还在持续，此时叶尖 间隙减小。典型历程 3——转子大状态 ( 中间或最大状态 )热平衡后再下拉到慢车状态的热平衡过程。此过程近似“冷机匣，热转子”，其原理为，压气机轮盘和机匣的热变形速率不同，转速下拉，机匣冷却更快，此时叶尖间隙减小。 

 仿真分析表明，发动机在某一状态稳定工作， 若此时发动机进口降温，压气机叶尖径向间隙将减 小。图 5 示出了某压气机在某一状态稳定工作，当发动机进口降温时，轮缘和机匣变形仿真结果。分析可知：由于机匣和轮盘的“热容”差异，进口降 温时，机匣比轮盘的热响应更快，引起叶尖间隙减小。

通过以上分析判断，压气机转子叶尖径向间隙最小，可能发生在压气机出现近似“冷机匣、热转 子”时快速上推到大状态 ( 中间或最大状态 )，或发动机进口降温等典型过渡态过程。具体如下：

(1) 典型历程 3 的“冷机匣，热转子”与典型历程 1 的转速上推叠加时刻； 

(2) 典型历程 2 的稳态与发动机进口温度降低 叠加时刻；

(3) 在 (2) 的基础上发生 (1)。 

 压气机转子叶尖径向间隙增大是间隙减小的相反过程，见表 2，压气机转子叶尖径向间隙最大，可能发生在压气机出现近似“热机匣、冷转子”时快速下拉到慢车状态，或发动机进口升温等典型过渡态过程。

03      仿真分析用过渡态历程

有限元仿真和试验结果表明，压气机转子叶尖径向间隙与过渡态程序相关，设计阶段对发动机所有用法进行计算，不仅工作量大、难实现，而且不必要，因此需要制定仿真分析用典型加、减速过渡态历程，用于估算高压压气机转子叶尖径向间隙变 化。本文结合某发动机试车经验并考虑其预期使用，以及前文叶尖间隙仿真分析结果，确定了压气机叶尖间隙仿真分析用过渡态历程。该程序包括冷 态快推、台架和空中的大状态热平衡、热态快拉、 热态反复加减速、冷态反复加减速、进口降温、慢 车热平衡、停车等过程，其内容详见图 6、表 3。 

 采用制定的仿真计算用过渡态程序，分析了某压气机过渡态叶尖间隙，结果见图 7。

分析可知： 

(1) 转、静子在大状态 ( 中间或最大状态 ) 热平衡后，1 s 内下拉到慢车状态，在慢车状态停留50±10 s，压气机出现近似“冷机匣、热转子”， 此时快速上推到大状态 ( 中间或最大状态 )，压气 机转子叶尖间隙可能最小，反复加、减速逐渐冷却转子 ( 表 3) 反映了这个过程。 

(2) 转、静子在慢车状态热平衡后，1 s 内上推 到中间及以上状态，在大状态 ( 中间或最大状态 ) 停留 50±10 s，压气机出现近似“热机匣、冷转子”， 此时快速下拉到慢车状态，压气机转子叶尖间隙可 能最大，反复加、减速逐渐加温转子 ( 表 3) 反映了 这个过程。另外，当发动机未充分暖机紧急起飞时， 在起飞的 50 s 时间内，压气机叶尖间隙增大，尤其是压气机后面几级，这将引起发动机推力下降、喘振和整机振动增加等问题，设计阶段需要关注。 

 过渡态对某压气机叶尖间隙的影响见表 4。

04      结论

以某高压压气机为研究对象，结合有限元仿真和测量结果，对过渡态压气机叶尖径向间隙变化规律进行了分析，得到以下结论： 

(1) 确定了压气机转子叶尖径向间隙最小、容易发生叶尖径向整圈碰磨的典型过渡态历程，即当压气机出现近似“冷机匣、热转子”时快速上推到大状态 ( 中间或最大状态 )，或发动机进口降温等典型过渡态过程。 

(2) 确定了压气机转子叶尖径向间隙最大、性能最差状态，即当压气机出现近似“热机匣、冷转子”时快速下拉到慢车状态，或不暖机起飞，或发动机进口升温等典型过渡态过程。

(3) 为避免发动机正常工作中发生压气机转子叶尖与涂层径向整圈碰磨，且避免过渡态叶尖间隙过大，结合有限元仿真结果和工程经验，提出了适用于发动机仿真分析用的加、减速过渡态程序。

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