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1、(10)申请公布号 CN 103775139 A (43)申请公布日 2014.05.07 CN 103775139 A (21)申请号 201210414622.X (22)申请日 2012.10.26 F01D 11/24(2006.01) (71)申请人 中航商用航空发动机有限责任公司 地址 201109 上海市闵行区虹梅南路 5696 号 101 室 (72)发明人 顾伟 陈涛 乔剑 (74)专利代理机构 中国国际贸易促进委员会专 利商标事务所 11038 代理人 颜镝 (54) 发明名称 涡轮发动机的间隙控制系统及涡轮发动机的 间隙控制方法 (57) 摘要 本发明公开了一种涡轮发动机。
2、的间隙控制系 统及涡轮发动机的间隙控制方法， 涉及航空发动 机技术领域。解决了现有技术存在涡轮叶尖间隙 的控制效果不够理想的问题。该涡轮发动机的间 隙控制系统， 包括涡轮机匣检测装置、 涡轮转子检 测装置、 控制装置及冷却流体输送装置， 涡轮机 匣检测装置， 用于在涡轮发动机工作过程中检测 涡轮机匣的径向变形量， 并将检测结果输入控制 装置 ； 控制装置， 用于根据装配时涡轮转子叶片 叶尖与涡轮机匣之间的原始间隙尺寸、 涡轮机匣 的径向变形量的值、 转速值以及温度值计算得出 涡轮转子叶片叶尖与涡轮机匣之间的实际间隙尺 寸。本发明提高了涡轮转子叶片叶尖与涡轮机匣 之间的间隙尺寸的控制准确性。 (。
3、51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 10 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书10页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103775139 A CN 103775139 A 1/3 页 2 1. 一种涡轮发动机的间隙控制系统， 其特征在于， 包括涡轮机匣检测装置、 涡轮转子检 测装置、 控制装置以及冷却流体输送装置， 其中 ： 所述控制装置与所述涡轮机匣检测装置、 所述涡轮转子检测装置以及所述冷却流体输 送装置通过线路或无线信号收发装置电连接 ； 所述涡轮机匣检测装置， 用于在涡轮发动机工作过程中检测涡轮机匣的径向。
4、变形量， 并将检测结果输入所述控制装置 ； 所述涡轮转子检测装置， 用于在所述涡轮发动机工作过程中检测涡轮转子的转速值以 及涡轮排气的温度值， 并将检测结果输入所述控制装置 ； 所述控制装置， 用于根据装配时所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的原始间 隙尺寸、 所述涡轮机匣的径向变形量的值、 所述转速值以及所述温度值计算得出所述涡轮 转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的实际间隙尺寸， 或者， 用于根据装配时所述涡轮转子 叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的原始间隙尺寸、 目标间隙尺寸、 所述转速值以及所述温度 值计算得出目标机匣变形量 ； 所述控制装置， 还用于在所述实际间隙尺寸大于目标间隙尺寸的上限。
5、值时或在所述涡 轮机匣的径向变形量的值大于所述目标机匣变形量时对所述冷却流体输送装置发出流量 增大指令， 在所述实际间隙尺寸小于目标间隙尺寸的下限值时或在所述涡轮机匣的径向变 形量的值小于所述目标机匣变形量时对所述冷却流体输送装置发出流量减少指令 ； 所述冷却流体输送装置， 用于在接收到所述流量增大指令后增大对所述涡轮机匣输出 的冷却流体的流量， 在接收到所述流量减少指令后减少对所述涡轮机匣输出的冷却流体的 流量。 2. 根据权利要求 1 所述的涡轮发动机的间隙控制系统， 其特征在于， 所述控制装置包 括离心变形量计算模块、 径向热变形量计算模块以及差值对比模块， 其中 ： 所述离心变形量计算。
6、模块， 用于根据所述转速值以及所述涡轮转子的材料特性参数计 算出所述涡轮转子因离心力而产生的变形量 ； 所述径向热变形量计算模块， 用于根据所述温度值以及所述涡轮转子的材料特性参数 计算出所述涡轮转子因热膨胀而产生的径向热变形量 ； 所述差值对比模块用于根据公式C实际=C原始+L机匣-L(N)-L(T排气)， 计算出所述涡 轮发动机工作过程中所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的实际间隙尺寸 ； 或者， 所述差值对比模块用于根据公式L目标机匣L(N)+L(T排气)+C目标-C原始计算得出所述目 标机匣变形量 ； 公式中 ： C实际为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之。
7、间的实 际间隙尺寸 ； C原始为装配时所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的原始间隙尺寸 ； L机匣为所述涡轮发动机工作过程中检测出的所述涡轮发动机工作过程中涡轮机匣 的径向变形量的值 ； L(N) 为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子因离心力而产生的变形量的值 ； L(T排气) 为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子因热膨胀而产生的径向热变形 量的值 ； L目标机匣为所述目标机匣变形量 ； 权 利 要 求 书 CN 103775139 A 2 2/3 页 3 C目标为所述目标间隙尺寸。 3. 根据权利要求 2 所述的涡轮发动机的间隙控制系统， 其特征在于， 所述控制装置， 用 于通过转子。
8、变形模型计算出所述涡轮转子因离心力而产生的变形量的值以及所述涡轮转 子因热膨胀而产生的径向热变形量的值。 4. 根据权利要求 2 所述的涡轮发动机的间隙控制系统， 其特征在于， 所述涡轮机匣检 测装置包括至少一个变形传感器， 所述涡轮机匣为高压涡轮机匣或低压涡轮机匣。 5. 根据权利要求 4 所述的涡轮发动机的间隙控制系统， 其特征在于， 所述涡轮机匣为 高压涡轮机匣， 所述高压涡轮机匣包括外机匣、 外环支撑以及外环， 所述实际间隙尺寸为所 述涡轮转子叶片叶尖与所述外环之间的间距尺寸， 所述变形传感器设置于所述外环支撑 上。 6. 根据权利要求 5 所述的涡轮发动机的间隙控制系统， 其特征在于。
9、， 所述变形传感器 沿所述外环支撑的周向方向均匀分布于所述外环支撑上。 7. 根据权利要求 6 所述的涡轮发动机的间隙控制系统， 其特征在于， 所述变形传感器 的数目为 2 4 个。 8. 根据权利要求 6 所述的涡轮发动机的间隙控制系统， 其特征在于， 所述变形传感器 为电阻式传感器， 所述变形传感器包括栅状电阻丝， 所述栅状电阻丝粘贴在所述外环支撑 的外表面上， 所述栅状电阻丝的长度以及横截面积均随所述外环支撑的变形而变化。 9.根据权利要求48任一所述的涡轮发动机的间隙控制系统， 其特征在于， 所述公式 中采用的所述涡轮机匣检测装置检测出的所述涡轮发动机工作过程中涡轮机匣的径向变 形量的。
10、值为至少两个所述变形传感器的检测结果中的最大值、 最小值或平均值。 10. 根据权利要求 1 所述的涡轮发动机的间隙控制系统， 其特征在于， 所述涡轮转子检 测装置包括转速传感器以及温度传感器， 所述控制装置为控制芯片， 其中 ： 所述转速传感器用于测量所述转速值 ； 所述温度传感器用于测量所述温度值 ； 所述冷却流体输送装置包括冷却气体供应装置、 气体输送管道以及设置于所述气体输 送管道上的阀门 ； 所述气体输送管道的气体输出口朝向所述涡轮机匣， 所述阀门与所述控制装置电连 接， 且所述阀门根据所述流量增大指令或所述流量减少指令实时控制所述气体输送管道导 通面积的大小。 11. 一种涡轮发动。
11、机的间隙控制方法， 其特征在于， 至少包括以下步骤 ： 在涡轮发动机工作过程中检测涡轮机匣的径向变形量 ； 在所述涡轮发动机工作过程中检测涡轮转子的转速值以及涡轮排气的温度值 ； 根据装配时所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的原始间隙尺寸、 所述涡轮机 匣的径向变形量的值、 所述转速值以及所述温度值计算得出所述涡轮转子叶片叶尖与所述 涡轮机匣之间的实际间隙尺寸， 或者， 根据装配时所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣 之间的原始间隙尺寸、 目标间隙尺寸、 所述转速值以及所述温度值计算得出目标机匣变形 量 ； 在所述实际间隙尺寸大于目标间隙尺寸的上限值时或在所述涡轮机匣的径向变形量 的值大于所。
12、述目标机匣变形量时， 增大对所述涡轮机匣输出的冷却流体的流量 ； 权 利 要 求 书 CN 103775139 A 3 3/3 页 4 在所述实际间隙尺寸小于目标间隙尺寸的下限值时或在所述涡轮机匣的径向变形量 的值小于所述目标机匣变形量时， 减少对所述涡轮机匣输出的冷却流体的流量。 12. 根据权利要求 11 所述的涡轮发动机的间隙控制方法， 其特征在于， 计算得出所述 涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的实际间隙尺寸或计算得出目标机匣变形量的方 法包括以下步骤 ： 通过转子变形模型， 根据所述转速值以及所述涡轮转子的材料特性参数计算出所述涡 轮转子因离心力而产生的变形量 ； 通过转子变形模型。
13、， 根据所述温度值以及所述涡轮转子的材料特性参数计算出所述涡 轮转子因热膨胀而产生的径向热变形量 ； 根据公式 C实际=C原始+L机匣-L(N)-L(T排气)， 计算出所述涡轮发动机工作过程中 所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的实际间隙尺寸， 或者， 根据公式 L目标机匣 L(N)+L(T排气)+C目标-C原始计算得出所述目标机匣变形量 ； 公式中 ： C实际为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的实 际间隙尺寸 ； C原始为装配时所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的原始间隙尺寸 ； L机匣为所述涡轮发动机工作过程中检测出的涡轮机匣的变形量的值 ； L(N)。
14、 为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子因离心力而产生的变形量的值 ； L(T排气) 为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子因热膨胀而产生的径向热变形 量的值 ； L目标机匣为所述目标机匣变形量 ； C目标为所述目标间隙尺寸。 13. 根据权利要求 11 或 12 所述的涡轮发动机的间隙控制方法， 其特征在于， 所述涡轮 机匣检测装置检测出的所述涡轮发动机工作过程中涡轮机匣的径向变形量的值为至少两 个检测结果中的最大值、 最小值或平均值。 权 利 要 求 书 CN 103775139 A 4 1/10 页 5 涡轮发动机的间隙控制系统及涡轮发动机的间隙控制方法 技术领域 0001 本发明涉及航。
15、空发动机技术领域， 具体涉及一种涡轮发动机的间隙控制系统以及 该涡轮发动机的间隙控制系统应用的涡轮发动机的间隙控制方法。 背景技术 0002 航空涡轮发动机由于在瞬态过程中， 涡轮转子和涡轮机匣 （或称机匣、 静子） 之间 存在着变形不协调的问题， 在静止状态时， 转子叶片的叶尖与涡轮机匣之间需要预留较大 的涡轮冷态叶尖间隙， 以使转子与涡轮机匣不会互相碰磨， 但是较大的叶尖间隙会导致发 动机稳态工作时耗油率增加， 因此， 民用航空发动机通常需要采取措施使得在发动机稳定 工作时叶尖间隙保持最佳。 0003 控制涡轮机匣和涡轮转子叶片叶尖之间的间隙 （简称涡轮叶尖间隙） 的主要方法 是通过控制涡。
16、轮机匣的热变形， 以将涡轮叶片与涡轮机匣之间的间隙控制在较为合适的范 围内。 比较粗略的研究认为 ： 采用有效的涡轮叶尖间隙控制系统， 可使耗油率下降1%-2%左 右， 对于民用航空发动机提高经济性具有重大意义。常见的涡轮叶尖间隙控制是采用风扇 或者压气机出口的冷却气体， 对涡轮机匣进行可控的冷却以控制其热变形。 0004 上述涡轮叶尖间隙控制系统所应用的控制策略， 常见的有两种形式 ： 一种是开式 间隙控制， 在控制策略中预选设定了不同发动机工作状态下的冷却气体量， 控制系统根据 发动机当前工作状态， 控制阀门开度以进行间隙控制 ； 另外一种是半闭环式间隙控制， 即在 上述开式间隙控制的基础。
17、上， 测量涡轮机匣特征点的温度， 该温度反馈至控制系统， 形成半 闭环控制， 这种方式比开式间隙控制更为有效。 0005 现有技术至少存在以下问题 ： 0006 开式间隙控制存在的问题是 ： 控制策略中没有形成反馈， 没有形成闭环控制， 因此 控制品质较低。 0007 半闭环式间隙控制存在的问题是 ： 涡轮机匣温度的变化， 并不能完全反映涡轮机 匣的变形情况， 这是由于涡轮机匣通常结构是极其复杂的， 其存在着复杂的连接结构并且 涡轮机匣在发动机工作过程中涡轮机匣还会受内外压差、 自重产生的椭圆度等一系列因素 的影响。 部分试验发现 ： 通过涡轮机匣温度计算得到的变形， 与涡轮机匣的实际变形存在。
18、偏 差， 这个偏差值仅仅是考虑涡轮机匣连接结构复杂性而产生的偏差， 若考虑涡轮机匣内外 压差、 自重等因素， 这个偏差值可能更大。 因此， 半闭环间隙控制测量涡轮机匣温度， 并不能 完全准确地反应机匣的变形情况。 0008 由于现有技术中涡轮机匣的温度并不能完全的反映其变形情况， 从而使得对涡轮 叶尖间隙的预测也存在一定误差， 导致涡轮叶尖间隙的控制效果不够理想。 发明内容 0009 本发明的目的是提出一种涡轮发动机的间隙控制系统以及该涡轮发动机的间隙 控制系统应用的涡轮发动机的间隙控制方法， 解决了现有技术存在涡轮叶尖间隙的控制效 说 明 书 CN 103775139 A 5 2/10 页 。
19、6 果不够理想的技术问题。 0010 为实现上述目的， 本发明提供了以下技术方案 ： 0011 本发明实施例提供的涡轮发动机的间隙控制系统， 包括涡轮机匣检测装置、 涡轮 转子检测装置、 控制装置以及冷却流体输送装置， 其中 ： 0012 所述控制装置与所述涡轮机匣检测装置、 所述涡轮转子检测装置以及所述冷却流 体输送装置通过线路或无线信号收发装置电连接 ； 0013 所述涡轮机匣检测装置， 用于在涡轮发动机工作过程中检测涡轮机匣的径向变形 量， 并将检测结果输入所述控制装置 ； 0014 所述涡轮转子检测装置， 用于在所述涡轮发动机工作过程中检测涡轮转子的转速 值以及涡轮排气的温度值， 并将。
20、检测结果输入所述控制装置 ； 0015 所述控制装置， 用于根据装配时所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的原 始间隙尺寸、 所述涡轮机匣的径向变形量的值、 所述转速值以及所述温度值计算得出所述 涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的实际间隙尺寸， 或者， 用于根据装配时所述涡轮 转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的原始间隙尺寸、 目标间隙尺寸、 所述转速值以及所述 温度值计算得出目标机匣变形量 ； 0016 所述控制装置， 还用于在所述实际间隙尺寸大于目标间隙尺寸的上限值时或在所 述涡轮机匣的径向变形量的值大于所述目标机匣变形量时对所述冷却流体输送装置发出 流量增大指令， 在所述实际间隙尺寸小于。
21、目标间隙尺寸的下限值时或在所述涡轮机匣的径 向变形量的值小于所述目标机匣变形量时对所述冷却流体输送装置发出流量减少指令 ； 0017 所述冷却流体输送装置， 用于在接收到所述流量增大指令后增大对所述涡轮机匣 输出的冷却流体的流量， 在接收到所述流量减少指令后减少对所述涡轮机匣输出的冷却流 体的流量。 0018 在一个实施例中， 所述控制装置包括离心变形量计算模块、 径向热变形量计算模 块以及差值对比模块， 其中 ： 0019 所述离心变形量计算模块， 用于根据所述转速值以及所述涡轮转子的材料特性参 数计算出所述涡轮转子因离心力而产生的变形量 ； 0020 所述径向热变形量计算模块， 用于根据所。
22、述温度值以及所述涡轮转子的材料特性 参数计算出所述涡轮转子因热膨胀而产生的径向热变形量 ； 0021 所述差值对比模块用于根据公式C实际=C原始+L机匣-L(N)-L(T排气)， 计算出所 述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的实际间隙尺寸 ； 或 者， 所述差值对比模块用于根据公式 L目标机匣 L(N)+L(T排气)+C目标-C原始计算得出所 述目标机匣变形量 ； 公式中 ： 0022 C实际为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的 实际间隙尺寸 ； 0023 C原始为装配时所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的原始间隙尺寸 ； 0024 。
23、L机匣为所述涡轮发动机工作过程中检测出的所述涡轮发动机工作过程中涡轮机 匣的径向变形量的值 ； 0025 L(N) 为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子因离心力而产生的变形量的 值 ； 说 明 书 CN 103775139 A 6 3/10 页 7 0026 L(T排气) 为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子因热膨胀而产生的径向热 变形量的值 ； 0027 L目标机匣为所述目标机匣变形量 ； 0028 C目标为所述目标间隙尺寸。 0029 在一个实施例中， 所述控制装置， 用于通过转子变形模型计算出所述涡轮转子因 离心力而产生的变形量的值以及所述涡轮转子因热膨胀而产生的径向热变形量的值。 。
24、0030 在一个实施例中， 所述涡轮机匣检测装置包括至少一个变形传感器， 所述涡轮机 匣为高压涡轮机匣或低压涡轮机匣。 0031 在一个实施例中， 所述涡轮机匣为高压涡轮机匣， 所述高压涡轮机匣包括外机匣、 外环支撑以及外环， 所述实际间隙尺寸为所述涡轮转子叶片叶尖与所述外环之间的间距尺 寸， 所述变形传感器设置于所述外环支撑上。 0032 在一个实施例中， 所述变形传感器沿所述外环支撑的周向方向均匀分布于所述外 环支撑上。 0033 在一个实施例中， 所述变形传感器的数目为 2 4 个。 0034 在一个实施例中， 所述变形传感器为电阻式传感器， 所述变形传感器包括栅状电 阻丝， 所述栅状电。
25、阻丝粘贴在所述外环支撑的外表面上， 所述栅状电阻丝的长度以及横截 面积均随所述外环支撑的变形而变化。 0035 在一个实施例中， 所述公式中采用的所述涡轮机匣检测装置检测出的所述涡轮发 动机工作过程中涡轮机匣的径向变形量的值为至少两个所述变形传感器的检测结果中的 最大值、 最小值或平均值。 0036 在一个实施例中， 所述涡轮转子检测装置包括转速传感器以及温度传感器， 所述 控制装置为控制芯片， 其中 ： 0037 所述转速传感器， 用于测量所述转速值 ； 0038 所述温度传感器用于测量所述温度值 ； 0039 所述冷却流体输送装置包括冷却气体供应装置、 气体输送管道以及设置于所述气 体输送。
26、管道上的阀门 ； 0040 所述气体输送管道的气体输出口朝向所述涡轮机匣， 所述阀门与所述控制装置电 连接， 且所述阀门根据所述流量增大指令或所述流量减少指令实时控制所述气体输送管道 导通面积的大小。 0041 本发明实施例提供的涡轮发动机的间隙控制方法， 至少包括以下步骤 ： 0042 在涡轮发动机工作过程中检测涡轮机匣的径向变形量 ； 0043 在所述涡轮发动机工作过程中检测涡轮转子的转速值以及涡轮排气的温度值 ； 0044 根据装配时所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的原始间隙尺寸、 所述涡 轮机匣的径向变形量的值、 所述转速值以及所述温度值计算得出所述涡轮转子叶片叶尖与 所述涡轮机。
27、匣之间的实际间隙尺寸， 或者， 根据装配时所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮 机匣之间的原始间隙尺寸、 目标间隙尺寸、 所述转速值以及所述温度值计算得出目标机匣 变形量 ； 0045 在所述实际间隙尺寸大于目标间隙尺寸的上限值时或在所述涡轮机匣的径向变 形量的值大于所述目标机匣变形量时， 增大对所述涡轮机匣输出的冷却流体的流量 ； 说 明 书 CN 103775139 A 7 4/10 页 8 0046 在所述实际间隙尺寸小于目标间隙尺寸的下限值时或在所述涡轮机匣的径向变 形量的值小于所述目标机匣变形量时， 减少对所述涡轮机匣输出的冷却流体的流量。 0047 在一个实施例中， 计算得出所述涡轮转子。
28、叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的实际间 隙尺寸或计算得出目标机匣变形量的方法包括以下步骤 ： 0048 通过转子变形模型， 根据所述转速值以及所述涡轮转子的材料特性参数计算出所 述涡轮转子因离心力而产生的变形量 ； 0049 通过转子变形模型， 根据所述温度值以及所述涡轮转子的材料特性参数计算出所 述涡轮转子因热膨胀而产生的径向热变形量 ； 0050 根据公式C实际=C原始+L机匣-L(N)-L(T排气)， 计算出所述涡轮发动机工作过程 中所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的实际间隙尺寸， 或者， 根据公式 L目标机匣 L(N)+L(T排气)+C目标-C原始计算得出所述目标机匣变形量 ； 公式。
29、中 ： 0051 C实际为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的 实际间隙尺寸 ； 0052 C原始为装配时所述涡轮转子叶片叶尖与所述涡轮机匣之间的原始间隙尺寸 ； 0053 L机匣为所述涡轮发动机工作过程中检测出的涡轮机匣的变形量的值 ； 0054 L(N) 为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子因离心力而产生的变形量的 值 ； 0055 L(T排气) 为所述涡轮发动机工作过程中所述涡轮转子因热膨胀而产生的径向热 变形量的值 ； 0056 L目标机匣为所述目标机匣变形量 ； 0057 C目标为所述目标间隙尺寸。 0058 在一个实施例中， 所述涡轮机匣检测装置检测出。
30、的所述涡轮发动机工作过程中涡 轮机匣的径向变形量的值为至少两个检测结果中的最大值、 最小值或平均值。 0059 基于上述技术方案， 本发明实施例至少可以产生如下技术效果 ： 0060 由于本发明实施例提供的涡轮发动机的间隙控制系统以及方法中， 直接可以在涡 轮发动机工作过程中检测涡轮机匣的径向变形量 （或称周向变形量） ， 因为直接检测出的数 据比通过其他间接方式估算的数据更为准确， 所反应的涡轮机匣的径向变形情况更为全面 （例如 ： 将机匣受内外压差、 自重产生的椭圆度等一系列因素等也考虑在内） ， 故而在控制涡 轮发动机工作过程中涡轮转子叶片叶尖与涡轮机匣之间的间隙尺寸 （也就是工作过程中。
31、的 实际间隙尺寸） 时， 可以将该间隙尺寸控制在较为理想、 准确的范围内， 所以解决了现有技 术存在涡轮叶尖间隙的控制效果不够理想的技术问题。 0061 除此之外， 本发明提供的部分或全部较为优选的技术方案与现有技术相比至少还 可以产生如下技术效果 ： 0062 1、 涡轮叶尖间隙控制是通过对涡轮机匣进行可控的冷却来实现的， 机匣的变形是 间隙控制的直接对象， 因此检测涡轮机匣的变形是最为直接、 快速且准确的方式， 由此使本 发明提供的涡轮发动机的间隙控制系统形成了更为可靠的闭环控制系统， 使整个间隙控制 系统反馈速度更快， 控制的品质更高， 同时该间隙控制方法也具有步骤简单、 控制过程节省 。
32、时间、 效率高的优点 ； 0063 2、 由于涡轮机匣具有复杂的连接结构， 涡轮机匣外机匣的变形不一定会直接影响 说 明 书 CN 103775139 A 8 5/10 页 9 涡轮机外环的变形， 所以通过检测 （或称 ： 监测） 外环支撑的变形量， 可更直接地检测涡轮叶 尖间隙的变化情况， 对涡轮机匣变形的检测， 反映出了机匣由于连接结构的复杂性、 自重、 内外压差、 机动载荷等引起的变形， 将涡轮机匣受内外压差、 自重产生的椭圆度等一系列因 素等也考虑在内， 更直接地反映间隙情况， 进而保证了间隙控制的效果更为理想。 0064 3、 通过周向布置的多个变形传感器， 可有效监测由于各种原因产。
33、生的径向 （此处 径向也可以理解为周向） 不均匀变形， 更有效监测发动机的周向的间隙变化情况， 从而进行 更有效地间隙控制。 附图说明 0065 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解， 构成本申请的一部分， 本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明， 并不构成对本发明的不当限定。在附图中 ： 0066 图 1 为本发明实施例所提供的涡轮发动机的间隙控制系统内部组成部分与涡轮 发动机局部部件之间连接关系的示意图 ； 0067 图2为图1所示的涡轮发动机的高压涡轮机匣与涡轮转子叶片叶尖之间位置关系 的示意图 ； 0068 图 3 为图 2 所示的高压涡轮机匣中外环支撑与变形传感器之间连。
34、接关系的示意 图 ； 0069 图 4 为本发明实施例所提供的涡轮发动机的间隙控制方法的一张流程示意图 ； 0070 图 5 为本发明实施例所提供的涡轮发动机的间隙控制方法的又一张流程示意图 ； 0071 图中标记 ： 1、 涡轮机匣检测装置 ； 2、 线路 ； 3、 控制装置 ； 4、 冷却流体输送装置 ； 41、 阀门 ； 42、 气体输送管道 ； 50、 涡轮机匣 ； 501、 外机匣 ； 502、 外环支撑 ； 503、 外环 ； 51、 高压涡 轮 ； 52、 低压涡轮 6、 涡轮转子叶片 ； 7、 风扇 ； 81、 低压压气机 ； 82、 高压压气机 ； 9、 燃烧室。 具体实施方。
35、式 0072 下面通过附图图 1 图 5 以及列举本发明的一些可选实施例的方式， 对本发明的 技术方案 ( 包括优选技术方案 ) 做进一步的详细描述。需要说明的是 ： 本实施例中的任何 技术特征、 任何技术方案均是多种可选的技术特征或可选的技术方案中的一种或几种， 为 了描述简洁的需要本文件中无法穷举本发明的所有可替代的技术特征以及可替代的技术 方案， 也不便于每个技术特征的实施方式均强调其为可选的多种实施方式之一， 所以本领 域技术人员应该知晓 ： 本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保 护范围， 本发明的保护范围应该包括本领域技术人员不付出创造性劳动所能想到的任何替 代。
36、技术方案。 0073 本发明实施例提供了一种间隙控制效果更为理想的涡轮发动机的间隙控制系统 以及该涡轮发动机的间隙控制系统应用的涡轮发动机的间隙控制方法。 0074 下面结合图 1 图 5 对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述， 将本发明提 供的任一技术手段进行替换或将本发明提供的两个或更多个技术手段互相进行组合而得 到的技术方案均应该在本发明的保护范围之内。 0075 系统实施例 ： 0076 如图1图5所示， 本发明实施例所提供的涡轮发动机的间隙控制系统， 包括如图 说 明 书 CN 103775139 A 9 6/10 页 10 2 所示涡轮机匣检测装置 1、 涡轮转子检测装置 （图。
37、中未示出） 、 如图 1 所示控制装置 3 以及 冷却流体输送装置 4， 其中 ： 0077 控制装置3与涡轮机匣检测装置1、 涡轮转子检测装置以及冷却流体输送装置4通 过线路 2 或无线信号收发装置电连接， 本例中优选为通过线路 2 电连接。 0078 涡轮机匣检测装置 1， 用于在涡轮发动机工作过程中检测涡轮机匣 50 的径向变形 量 （此处也可以理解为周向变形量） ， 并将检测结果输入控制装置 3。 0079 涡轮转子检测装置， 用于在涡轮发动机工作过程中检测涡轮转子的转速值以及涡 轮排气的温度值， 并将检测结果输入控制装置 3。 0080 控制装置 3， 用于根据装配时涡轮转子叶片 6。
38、 叶尖与涡轮机匣 50 之间的原始间隙 尺寸、 涡轮机匣 50 的径向变形量的值、 转速值以及温度值计算得出涡轮发动机工作过程中 涡轮转子叶片 6 叶尖与涡轮机匣 50 之间的实际间隙尺寸， 或者， 用于根据装配时涡轮转子 叶片 6 叶尖与涡轮机匣 50 之间的原始间隙尺寸、 目标间隙尺寸、 转速值以及温度值计算得 出目标机匣变形量。 0081 控制装置 3， 还用于在实际间隙尺寸大于目标间隙尺寸的上限值时或在涡轮机匣 50 的径向变形量的值大于所述目标机匣变形量对冷却流体输送装置 4 发出流量增大指令， 在实际间隙尺寸小于目标间隙尺寸的下限值时或在涡轮机匣 50 的径向变形量的值小于所 述目。
39、标机匣变形量时对冷却流体输送装置 4 发出流量减少指令。 0082 冷却流体输送装置 4， 用于在接收到流量增大指令后增大对涡轮机匣 50 输出的冷 却流体 （优选为冷却气体） 的流量， 在接收到流量减少指令后减少对涡轮机匣50输出的冷却 流体的流量。 0083 图 1 中还示意出了风扇 7、 低压压气机 81、 高压压气机 82 以及燃烧室 9。 0084 由于本发明实施例中直接可以通过涡轮机匣检测装置 1 在涡轮发动机工作过程 中检测涡轮机匣 50 的径向变形量， 因为直接检测出的数据比通过其他间接方式估算的数 据更为准确， 所反应的涡轮机匣 50 的径向变形情况更为全面 （例如 ： 将机。
40、匣受内外压差、 自 重产生的椭圆度等一系列因素等也考虑在内） ， 故而在控制涡轮转子叶片6叶尖与涡轮机匣 50 之间的实际间隙尺寸时可以将该实际间隙尺寸控制在较为理想、 准确的范围内。 0085 本实施例中控制装置 3 包括离心变形量计算模块、 径向热变形量计算模块以及差 值对比模块， 其中 ： 0086 离心变形量计算模块， 用于根据转速值以及涡轮转子的材料特性参数 （例如 ： 弹性 模量等） 计算出涡轮转子因离心力而产生的变形量。 0087 径向热变形量计算模块， 用于根据温度值以及涡轮转子的材料特性参数 （例如 ： 膨 胀系数等） 计算出涡轮转子因热膨胀而产生的径向热变形量。 0088 。
41、差值对比模块用于根据公式C实际=C原始+L机匣-L(N)-L(T排气)， 计算出涡轮发 动机工作过程中涡轮转子叶片 6 叶尖与涡轮机匣 50 之间的实际间隙尺寸， 或者， 差值对比 模块用于根据公式 L目标机匣 L(N)+L(T排气)+C目标-C原始计算得出所述目标机匣变形 量 ； 公式中 ： 0089 C实际为涡轮发动机工作过程中涡轮转子叶片 6 叶尖与涡轮机匣 50 之间的实际间 隙尺寸。 0090 C原始为装配时涡轮转子叶片 6 叶尖与涡轮机匣 50 之间的原始实际间隙尺寸。 说 明 书 CN 103775139 A 10 7/10 页 11 0091 L机匣为涡轮发动机工作过程中检测出。
42、的涡轮发动机工作过程中涡轮机匣 50 的 径向变形量的值。 0092 L(N) 为涡轮发动机工作过程中涡轮转子因离心力而产生的变形量的值。 0093 L(T排气) 为涡轮发动机工作过程中涡轮转子因热膨胀而产生的径向热变形量的 值 ； 0094 L目标机匣为所述目标机匣变形量， 也就是涡轮机匣 50 的理想变形量 ； 0095 C目标为所述目标间隙尺寸， 目标间隙尺寸也就是涡轮发动机工作过程中涡轮转子 叶片 6 叶尖与涡轮机匣 50 之间的理想间隙尺寸。 0096 由于涡轮发动机工作过程中涡轮转子与机匣均会发生径向变形， 所以需要综合考 虑两者的变形量， 才能得出实际、 准确的涡轮发动机工作过程。
43、中涡轮转子叶片 6 叶尖与涡 轮机匣 50 之间的实际间隙尺寸。 0097 当然， 使用其他公式以替代上述公式或其他获取方法以替代上述获取方法获得涡 轮发动机工作过程中涡轮转子叶片 6 叶尖与涡轮机匣 50 之间的实际间隙尺寸的技术方案 （例如通过光学传感器检测涡轮转子叶片 6 叶尖与涡轮机匣 50 之间的实际间隙尺寸） 均在 本发明的保护范围之内。 0098 本实施例中控制装置 3 优选为通过转子变形模型计算出涡轮转子因离心力而产 生的变形量的值以及涡轮转子因热膨胀而产生的径向热变形量的值。 0099 该通过转子变形模型计算涡轮转子径向变形量的方法相对于试验的方式而言具 有成本低、 速度快的。
44、优点。 0100 图4中的目标间隙尺寸即为 ： 涡轮转子叶片6叶尖与涡轮机匣50之间的间隙尺寸 的理想值 （该间隙尺寸即前文所述的目标间隙尺寸） ， 目标间隙是指在发动机运行过程中希 望达到的最佳的叶尖间隙， 在这个间隙下发动机工作效率比较高， 也比较安全， 而装配间隙 即为 ： 装配时涡轮转子叶片 6 叶尖与涡轮机匣 50 之间的原始实际间隙尺寸， 装配间隙是发 动机在装配时的冷态间隙， 目标间隙与装配间隙是完全不同的概念 ； 0101 图 4 中目标机匣变形量是指通过转子变形模型计算得到的转子变形量与目标间 隙尺寸两者之和与装配时涡轮转子叶片 6 叶尖与涡轮机匣 50 之间的原始实际间隙尺。
45、寸 (C 原始) 之间的差值。实际机匣变形量的大小可以通过调整冷气流量 （或称 ： 冷却气体的流量） 的方式进行调节， 实际机匣变形量最终调节的目标是与目标机匣变形量相等或者接近。 0102 本实施例中如图 3 所示涡轮机匣检测装置 1 包括至少一个变形传感器， 涡轮机匣 50 为高压涡轮机匣或低压涡轮机匣。 0103 本技术不仅可以应用于控制高压涡轮机匣与涡轮转子之间的实际间隙尺寸， 也可 以应用于控制高压涡轮机匣与涡轮转子之间的实际间隙尺寸。 0104 变形传感器可以设置在高压涡轮机匣上， 也可以设置在低压涡轮机匣上， 也可以 在高压涡轮机匣以及低压涡轮机匣上均设置。 0105 当然， 使。
46、用其他可以检测出变形量的传感器或检测器以替代变形传感器的技术方 案也在本发明的保护范围之内。 0106 本实施例中如图2所示涡轮机匣50优选为高压涡轮机匣， 高压涡轮机匣包括外机 匣 501、 外环支撑 502 以及外环 503， 实际间隙尺寸为涡轮转子叶片 6 叶尖与外环 503 之间 的间距尺寸， 变形传感器设置于外环支撑 502 上。 说 明 书 CN 103775139 A 11 8/10 页 12 0107 外环支撑 502 可以更为集中的体现出整个高压涡轮机匣的径向变形量。当然， 在 外机匣501、 外环支撑502以及外环503上均设置变形传感器的技术方案也在本发明的保护 范围之内。
47、。 0108 本实施例中变形传感器沿外环支撑 502 的周向方向均匀分布于外环支撑 502 上。 通过周向布置的变形传感器， 可有效监测由于各种原因产生的周向不均匀变形， 所检测到 的径向变形量数据可以更为充分、 全面、 科学地体现出外环支撑 502 以及高压涡轮机匣各 处的径向变形量， 更有效的检测出了发动机的径向间隙变化情况， 从而可以进行更有效地 间隙控制。 0109 本实施例中变形传感器的数目可以为 2 4 个， 并可在周向均布。变形传感器数 目太多会增加成本以及安装难度， 设置太少则无法充分、 全面地体现出涡轮机匣 50 各处的 径向变形量， 2 4 个变形传感器是比较折衷、 理想的。
48、数目。 0110 当然， 使用其他数目的变形传感器的技术方案也在本发明的保护范围之内。 0111 本实施例中变形传感器为电阻式传感器， 变形传感器包括栅状电阻丝， 栅状电阻 丝粘贴在外环支撑 502 的外表面上， 栅状电阻丝的长度以及横截面积均随外环支撑 502 的 变形而变化。 0112 电阻式传感器检测到变形后， 电阻式传感器内的电阻会发生变化。该传感器具有 耐高温、 反应灵敏、 可靠性好的优点。 0113 当然， 使用其他类型的传感器以替代电阻式传感器的技术方案也在本发明的保护 范围之内。 0114 本实施例中上述公式中采用的涡轮机匣检测装置 1 检测出的涡轮发动机工作过 程中涡轮机匣 50 的径向变形量的值为至少两个变形传感器的检测结果中的最大值、 最小 值或平均值， 优选为最大值或最小值。 0115 可以根据需要选择采用其中一个检测结果， 使得实际间隙尺寸在确保涡轮机匣 50 与转子叶片6叶尖不碰磨的前提下尽可能的小。 例如 ： 需要实际间隙尺寸尽可能小时， 则可 以选择检测结果中的最大值， 反之， 需要更高的安全性时， 可以选择检测结果中的最小值。 0116 当然， 检测结果取其他值或将检测结果处理后再使用的技术方案也在本发明的保 护范围之内。 0117 本实施例中涡轮转子检测装置包括转速传感器以及温度传感器， 控制装置 3 为控 制芯片， 其中 ： 0118 。