燃气轮机叶尖间隙的控制装置和方法技术领域
本发明涉及燃气轮机领域，尤其是涉及一种燃气轮机叶尖间隙的控制装置
和方法。
背景技术
燃气轮机(Gas Turbine)是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换
为机械功的旋转式动力机械。在燃气轮机中，维持介于涡轮机的转动叶片叶尖
与壳体朝内表面之间的所需径向间隙对于对于涡轮机性能和零件耐久性而言
是重要的。以涡扇发动机为例，涡轮间隙每减小0.25mm，耗油率(SFC)可减
小0.8％-1％。影响叶尖间隙的因素是非常多的，包括转子的热变形、离心变形，
机匣的热变形，以及气体内外压差导致的变形，这些变形通常在周向位置是均
匀的。发动机在不同工作状态下，上述变形量是不同的，导致叶尖间隙在不同
状态点有所变化。目前成熟的民用航空涡扇发动机，大多对高压涡轮和低压涡
轮进行主动或被动间隙控制。间隙控制的方法通常采用对涡轮机匣进行周向的
空气冲击冷却或加热。由于上述变形通常在周向位置是均匀的，周向冷却或加
热也是均匀的，这样管路11在周向上冲击孔12的大小与孔径一般都相同，参
照图1中示意图所示，消除上述周向均匀因素对间隙的影响。
但是，除了上述周向均匀因素导致的变形外之外，还有一些周向不均匀的
因素导致的变形，如转子和机匣的偏心度，发动机受到陀螺力矩、重力等外部
载荷产生的机匣椭圆度，以及发动机整机振动等因素。上述不均匀因素会使得
燃气轮机的叶尖间隙在周向有较大区别，周向间隙大小不一、呈现一定的不均
匀性。目前通用的对机匣进行周向均匀冷却或加热的方法，无法消除这部分周
向不均匀因素产生的间隙增大及效率降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种燃气轮机叶尖间隙的控制装置和
方法，以消除叶尖间隙受到的周向不均匀因素的影响。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种燃气轮机叶尖
间隙的控制装置，包括一冲击管路，对着燃气轮机的涡轮机匣的外周，该冲击
冷却管路的表面上分布有多个冲击孔，该多个冲击孔的与换热效果有关的一组
参数被预定为沿该冲击管路的周向不一致；其中该组参数包括孔径、孔间距以
及与该涡轮机匣的外周的距离的至少其中之一，该换热效果是根据该涡轮机匣
周向不同位置所需要的变形调整量，依据机匣当前的温度，预先计算得到，其
中变形调整量越大，该换热效果越大。
在本发明的一实施例中，周向不同位置的冲击孔的孔间距与孔径的比值在
2-18之间，冲击孔的孔间距之差在0.5-7倍孔径之间。
在本发明的一实施例中，周向不同位置的冲击孔的孔径在0.4mm-2mm之
间，孔径之差在0.2-1mm之间。
在本发明的一实施例中，周向不同位置的冲击孔与该涡轮机匣的外周的距
离在3-25倍孔径之间，周向不同位置的距离的差值在22倍孔径以内。
在本发明的一实施例中，该变形调整量的计算考虑转子和涡轮机匣的偏心
度，发动机受到外部载荷产生的机匣椭圆度，以及发动机整机振动。
本发明还提出一种燃气轮机叶尖间隙的控制方法，包括：提供一冲击管路，
对着燃气轮机的涡轮机匣的外周，该冲击冷却管路的表面上分布有多个冲击
孔，该多个冲击孔的与换热效果有关的一组参数被预定为沿该冲击管路的周向
不一致；其中该组参数包括孔径、孔距以及与该涡轮机匣的外周的距离至少其
中之一，该换热效果是根据该涡轮机匣周向不同位置所需要的变形调整量，依
据机匣当前的温度，预先计算得到。
在本发明的一实施例中，周向不同位置的冲击孔的孔间距与孔径的比值在
2-18之间，冲击孔的孔间距之差在0.5-7倍孔径之间。
在本发明的一实施例中，周向不同位置的冲击孔的孔径在0.4mm-2mm之
间，孔径之差在0.2-1mm之间。
在本发明的一实施例中，周向不同位置的冲击孔与该涡轮机匣的外周的距
离在3-25倍孔径之间，周向不同位置的距离的差值在22倍孔径以内。
在本发明的一实施例中，该变形调整量的计算考虑转子和涡轮机匣的偏心
度，发动机受到外部载荷产生的机匣椭圆度，以及发动机整机振动。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，根据机匣不同位置
变形量的不同，设置不同的冲击孔间距、孔径、距离等，实现各位置变形量基
本相同、协调统一，消除了叶尖间隙在周向的不均匀性。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发
明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1示出已知叶尖间隙控制装置的冲击孔分布示意图。
图2A、2B示出本发明一实施例的叶尖间隙控制装置的结构示意图。
图3示出本发明一实施例的叶尖间隙控制装置的冲击孔分布示意图。
图4示出本发明另一实施例的叶尖间隙控制装置的冲击孔分布示意图。
图5示出根据本发明一实施例的冲击孔分布设计过程。
图6示出本发明一实施例的叶尖间隙控制装置的工作示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明
还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开
的具体实施例的限制。
本发明的实施例描述燃气轮机叶尖间隙的控制装置及其方法。燃气轮机的
叶尖间隙受到各种因素的影响，会存在周向不均匀的情况。因此本发明提出了
一种对燃气轮机的机匣进行周向不均匀冷却或加热以消除或缓解的叶尖间隙
周向不均匀的技术。
调整不同的机匣变形度所需要的换热效果不同，而不同的换热效果可以通
过对涡轮机匣进行冲击冷却或加热的冲击管路上的冲击孔的分布来控制。因
此，通过事先计算的换热效果，即可预先设计冲击管路上的冲击孔的分布，从
而提供所需的换热效果对机匣进行加热或冷却，控制所需的变形度调整。
图2A、2B示出本发明一实施例的叶尖间隙控制装置的结构示意图。参考
图2A、2B所示，燃气轮机叶尖间隙的控制装置200包括冲击管路210。冲击管
路210对着燃气轮机的涡轮机匣220的外周。涡轮机匣220是一个环形结构，其横
截面(如图2B)是基本上呈圆形。相应地，冲击管路210的横截面也基本上是呈
圆形。不过由于各种非均匀因素的影响，涡轮机匣220的横截面不会刚好是圆形。
图2B中画出虚线圆形O作为参考，以示出因变形导致的不均匀度。
冲击管路210的表面上分布有多个冲击孔211。这些冲击孔211的一组与换热
效果有关的参数被预定为沿冲击管路210的周向不一致。在此，换热效果是根据
涡轮机匣220周向不同位置所需要的变形调整量，依据机匣当前的温度，预先
计算得到。变形调整量越大，换热效果越大。在此，换热效果与需要变形量的
大小可近似看做正比的关系，也可以精确的转换为增函数的形式，具体实施需
要根据设计的精度进行选择。
举例来说，上述的一组与换热效果有关的参数包括孔径、孔间距以及与涡轮
机匣的外周的距离的至少其中之一。孔径表示冲击孔的直径。孔间距是相邻的
冲击孔之间的距离，以圆心之间距离表示。由于冲击冷却管路210的孔分布的
区域都是确定的，因此孔间距代表了冲击孔的疏、密排布。与涡轮机匣的外周
的距离代表冲击冷却管路210上的冲击孔沿着半径方向到涡轮机匣的外周上的
一个点的距离。在冷却或加热时，冲击孔会沿着半径方向向内提供气体。为了
让换热效果沿着冲击管路210的周向不一致，从而也会沿着涡轮机匣220的周
向不一致，可以让各周向位置的冲击孔的孔径不同，孔距不同，或者冲击孔与涡
轮机匣的外周的距离不同。当需要时，也可以让这些参数中的两个或更多个不
同。
图3示出本发明一实施例的叶尖间隙控制装置的冲击孔分布示意图。在图
3的实施例中，冲击孔为孔疏密程度设计不同。在本实施例中，设计准则为：
机匣变形量大的位置，冲击孔211的数量明显多于变形量小的位置，对应为图
3中A、C区域为变形量小，孔数较疏处；B区域为变形量大处，孔数较为密
集。设计的依据是参照图2B中关于变形量的示意图，不同变形位置分配的换
热效果不同，从而需要进行孔的疏密设计。在图3的实施例中，孔间距与孔径
的比值通常在2-18之间，但不局限于此范围，而是可以根据换热效果的需求进
行调整；并且通常周向不同位置的孔间距之差通常在0.5-7倍孔径之间。例如，
以图2B为例，机匣周向3点和9点钟方向径向变形量比周向12点和6点钟方
向大，约超出0.2mm，机匣是椭圆的。由于在机匣220周向3点和9点钟方向
径向变形量较大，则在此周向位置孔较密，孔间距小，例如孔间距为5倍孔径
左右；而在机匣220周向12点和6点钟方向变形量较小，孔较为稀疏，孔间
距大，例如孔间距在12倍孔径左右。通过这样的布置，可以使得机匣在周向
不同位置的径向收缩量不同，一个示例性的例子周向3点和9点钟方向比12
点和6点钟径向收缩量大约0.2mm，抵消机匣的椭圆度。
图4示出本发明一实施例的叶尖间隙控制装置的冲击孔分布示意图。在图
4的实施例中，冲击孔为孔径设计不同。参照图4的D、E、F区域示意图，可
以在需要变形量大的区域E布置孔径较大的孔，而在变形量小的区域D、F布
置孔径较小的孔。在本实施例中，冲击孔的孔径通常为0.4mm-2mm之间，但
不局限于此范围，而可以根据气量的需求进行调整；通常周向孔径之差在
0.2mm-1mm之间。例如，同样以图2B的示例，机匣220周向3点和9点钟方
向径向变形量比周向12点和6点钟方向大约0.2mm，机匣是椭圆的；由于在
机匣220周向3点和9点钟方向径向变形量较大，则在此周向位置孔径较大，
例如孔径约1.5mm左右；而在机匣周向12点和6点钟方向变形量较小，孔径
较小，例如孔径约0.7mm。通过这样的布置，可以使得机匣在周向不同位置的
径向收缩量不同，一个示例性的例子周向3点和9点钟方向比12点和6点钟
径向收缩量大约0.2mm，抵消机匣的椭圆度。
类似地，冲击孔为到机匣的距离设计不同时，可令基本上呈圆形的周向管
路210适当变形。在机匣变形量较大的位置，冲击孔到机匣的距离更近，反之
更小。例如周向不同位置的冲击孔与该涡轮机匣的外周的距离在3-25倍孔径之
间，周向不同位置的距离的差值在22倍孔径以内。
机匣不均匀度的计算是进行间隙控制分配不同引气量的依据。下面参考图
5描述示例性的冲击孔分布设计过程。
在步骤501，对转子和机匣进行三维温度场计算。
本发明的实施例中特别考虑转子和机匣传热边界条件的周向不均匀性，从
而获得三维温度场。相比之下，常规下温度场计算都是采用周向均匀的传热边
界条件假设进行计算的。
在步骤502，在计算得到周向不均匀的三维温度场的基础上，同时考虑转
子和机匣的偏心度，发动机受到外部载荷产生的机匣椭圆度，以及发动机整机
振动等因素，对机匣进行不均匀变形计算。在此，外部载荷受到可以是陀螺力
矩、重力等。
以高压涡轮为例，通常周向不均匀度约为0.2mm左右。
在步骤503，依据机匣周向不均匀的变形量，得到周向不同位置机匣变形
调整量。
在步骤504，根据周向不同位置机匣所需要的变形调整量，依据机匣当前
的温度，计算得到机匣在周向不同位置所需要的气流量。
在步骤505，在确定周向各位置的换热效果后，需要进行冲击孔分布，例
如孔间距计算与不同孔径值的计算。
从而实现冷却变形需要的换热效果，通过设计对应位置的孔间距与孔径，
实现不同位置分配不同的换热效果。开孔疏密示意图参照图3，孔间距与孔径
的比值通常在2-18之间，但不局限于此范围，可根据换热效果的需求进行调整；
通常周向不同位置的孔间距之差通常在0.5-7倍孔径之间。冲击孔孔径大小示
意图参照图4，孔径通常为0.4mm-2mm之间，但不局限于此范围，可根据换热
效果的需求进行调整，通常周向孔径之差在0.2-1mm之间。
在步骤506，冲击孔的疏密与孔径大小的设计，需要进行验证。
在此，验证可以为数值模拟计算验证，也可以为试验验证；
在步骤507，通过步骤506的验证后，进行符合性判断，若设计满足冷却
变形的要求，则进行实施应用；若上述设计不满足冷却变形要求，则需回到步
骤204重新进行计算与设计，直至得到满足要求的孔间距、孔径值与布置结果。
图6示出本发明一实施例的叶尖间隙控制装置的工作示意图。参考图6所
示，叶尖间隙控制装置包括周向布置的管路210，管路210上分布冲击孔211。
在装置工作时，通过一执行机构(图未示)控制向冲击管路210的气流量。执行
机构例如可以通过控制各阀门开度来控制流量。气流212流经各冲击孔211，
对机匣220进行冲击冷却或加热。图6中虚线的椭圆形为未经间隙控制时的机
匣220，此时机匣存在着周向不均匀的变形，导致叶尖间隙周向不均匀。通过
叶尖间隙控制装置的处理后，恢复为实现的椭圆形表示的机匣220’。
本发明的上述实施例通过周向不均匀的冷却或加热，可以减小燃气轮机由
于偏心度、陀螺力矩、重力等外部载荷产生的机匣椭圆度产生的叶尖间隙的周
向不均匀性，避免局部间隙过大，实现各位置间隙值基本一致，从而提高燃气
轮机效率；并且改善了燃气轮机周向间隙不均匀而产生的碰磨的风险，以及减
缓燃气轮机性能衰退的速率。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技
术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精
神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神
范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。