气路密封一直是并将继续是飞机燃气轮机发动机的一个基本问题。自20世纪60年代末以来，叶片尖端和级间密封在航空发动机设计中发挥了突出作用。自燃气轮机发动机的发展以来，叶片尖端的密封一直是一个具有挑战性的问题。

这是因为叶片尖端和周围机壳（护罩）之间的间隙往往是变化的，主要是由于旋转和固定结构上的热和机械载荷的变化。

这对陆基和航空发动机来说都是如此，然而，由于飞行过程中工作点以及惯性（机动）和空气动力（压力）载荷的频繁变化，尖端密封对后者来说更具挑战性。

改进高压压缩机（HPC）和高压涡轮机（HPT）的密封性可以极大地降低比油耗（SFC）、压缩机失速余量和发动机效率，并增加有效载荷和任务范围的能力。改进的间隙管理，特别是在HPT中，可以极大地提高发动机的使用寿命或在翼时间（TOW）。

废气温度（EGT）余量的恶化是飞机发动机停用的主要原因。联邦航空管理局（FAA）对每台飞机发动机都有一定的EGT限制的认证。EGT用于指示HPT的运行情况，具体来说，它被用来估计HPT盘的温度。

随着部件的退化和间隙的增加（特别是在HPT中），发动机必须更努力地工作（更热）以产生相同的推力。一旦发动机达到其EGT极限，表明HPT盘正在达到其温度上限，发动机必须离开机翼进行维修。

今天的大型商用燃气轮机发动机的大修维护费用很容易超过100万美元。叶片尖端密封的磨损机制一般可分为三大类，即摩擦（叶片侵入）、侵蚀和热疲劳。随着材料加工和涂层的进步，第三类与摩擦和侵蚀相比并不值得关注，只要保持护罩和叶片尖端的适当冷却。

由于冷却通道的堵塞和变形，叶片的磨损、侵蚀和结垢都会影响冷却效果。尽管侵蚀是叶尖密封磨损的一个主要组成部分，但侵蚀背后的原因超出了本工作的范围，我们将注意力集中在叶片摩擦引起的叶尖密封退化上。在发动机的整个使用寿命中，叶片摩擦预计会发生。

事实上，选择发动机的结构间隙是为了在极端的操作条件下（如起飞、再加速）实现一定量的叶片侵入，这样，当发动机“磨合”后重复这些条件时，机尖密封将被磨合到线与线之间的操作。

擦伤也可以通过磨损保护涂层（如隔热涂层）或在入侵事件中扭曲叶片尖端的冷却通道而加速侵蚀和热疲劳的影响。这项工作的兴趣集中在HPT的叶尖间隙管理上。

这是从间隙管理中获得最大利益的位置（如效率、使用寿命），尽管HPC也能获得很大的收益（如稳定性、失速余量）。

研究人员发现，在空气动力、惯性和陀螺这三种飞行载荷中，只有空气动力和惯性载荷对发动机性能起着主要作用。这些载荷主要对在最大攻角期间起飞旋转时发生的风扇间隙关闭做出了贡献。

然而，空气动力载荷、推力弯曲和爬升过程中的热膨胀相结合，导致了HPT中的最小间隙。我们还指出，高“G”转弯和机动与高功率运行和空气动力载荷相结合，也导致了HPT间隙关闭。

研究人员在稳定状态和瞬态运行期间测量了HPT尖端间隙和定子失圆度。在地面测试期间，获得了由于节气门瞬态引起的间隙变化，如起飞、减速、重发和重新启动。

HPT尖端间隙变化的机制

图中显示了现代燃气轮机发动机中的HPT叶片尖端密封位置。该图显示了燃烧器和两级HPT的横截面。第一级涡轮机的涡轮盘、叶片和叶尖密封被标出。

叶片尖端或外部空气密封排在固定壳体的内部，在旋转的叶片周围形成一个护罩，限制了溢出尖端的气体。如前所述，叶片尖端的间隙在发动机的工作点上是不同的。

这些间隙变化背后的机制来自于发动机静态和旋转部件的位移或变形，因为这些部件上有许多载荷。这些载荷可以分为两类，即发动机（动力引起的）载荷和飞行载荷。

发动机载荷包括离心力、热力、发动机内部压力和推力载荷。飞行载荷包括惯性（重力）、空气动力（外部压力）和陀螺仪载荷。

轴对称间隙变化

轴对称间隙变化是由于静止或旋转结构上的均匀载荷（离心力、热力、内压）造成的均匀径向位移，如图所示。离心和热载荷是造成尖端间隙最大径向变化的原因。

离心载荷产生轴对称间隙的变化是通过在发动机加速度变化时使转子膨胀或收缩来实现的。由于固定和旋转结构的热膨胀/收缩以及这些部件的加热或冷却的均匀程度，热负荷产生了轴对称和不对称的间隙变化。

由于大直径的叶片盘（超过36英寸）和护罩，转速（超过10krpm）和温度（超过2500°F）的极端变化造成了这些结构的巨大位移。

图中显示了在轴对称载荷作用下，HPT尖端间隙和速度与特定任务曲线的时间关系。整个飞行任务的主要操作点已被标出，即起飞、巡航、减速和再加速。

该图说明了由于发动机速度和温度的变化，转子和壳体的反应，以及对发动机的冷建间隙的需求。在大型商用发动机的起飞和再加速过程中，超过0.030英寸的轴对称间隙变化并不罕见。

在*用军**发动机中，由于需要提高性能而不太关注效率，间隙变化可能更大。当一个冷的发动机启动时，护罩和叶片尖端之间存在一定的间隙。由于转子上的离心载荷以及涡轮叶片的快速加热，导致旋转部件径向向外增长，当发动机转速提高到起飞时，这种间隙会迅速减小。

同时，壳体由于加热而膨胀，但膨胀的速度要慢得多。这种现象会产生一个最小的间隙或“夹点”。随着夹点之后壳体因加热而膨胀，间隙会增加。

在壳体膨胀后不久，转子开始加热（由于其质量，加热的速度比壳体慢得多），间隙再次关闭。当发动机接近巡航状态时，壳体和转子达到热平衡，尖端间隙保持相对稳定。

然而，在巡航期间发生的油门瞬变，如高度的阶梯式变化（即避免碰撞），将改变尖端间隙，在设置设计巡航间隙时必须考虑到这一点，以避免叶片跑到机壳上。当发动机减速时（例如，降落时），由于转子和叶片的机械卸载和壳体冷却时的热滞后，间隙会迅速增加。

如果发动机为飞机爬升或做规避动作，在处于减速状态后，如中止着陆，会出现第二个夹点。这种情况被称为再加速或再爆裂事件。在这种情况下，旋转部件的离心力增长因转子和定子的热状态而加剧。

转子较大的热质量冷却速度比壳体慢得多，而壳体在叶片尖端周围收缩得更快。这种情况会导致比起飞时更小的间隙，因此可能会设定冷建间隙。当飞机着陆后施加反向推力使其减速时，也会出现重新加速效应。

反向推力使用的功率接近起飞时的功率，由于转子温度升高，剩余的间隙也会减少。在巡航期间可以降低工作间隙，这是可以获得最大的SFC降低的地方（飞行曲线最长的部分）。

另一方面，希望在夹点条件下打开间隙，以避免摩擦（起飞时必须保持最小的间隙，以确保产生推力，并保持EGT低于极限）。

因此，ACC的目标是在整个飞行过程中保持最小的间隙并避免摩擦。可能最糟糕的再加速情况发生在飞行中的关闭（停止），然后重新启动或重新点火。

这种情况在飞机验收测试中是需要的，发动机在高空被关闭，然后是一个停留时间，在此期间，由于飞机的前进动力，发动机继续旋转（风车），最后被重新启动并加速回到发动机被关闭时的功率设置。

由于发动机是关闭的，而不仅仅是减速，所以壳体的冷却程度甚至超过了正常的再加速情况，尽管由于速度降低，转子上的离心效应要小得多（风车速度低于地面怠速）。

重新启动然后加速的发动机可能会产生比起飞条件下更多的间隙闭合，因为外壳和转子的温度都降低了。

当然，这取决于重新启动发动机前的停留时间。图中显示了GECF6-50发动机试验台的HPT间隙数据，在停机状态下。

当核心转速从巡航功率削减，在三分钟的停留时间后重新启动，并恢复到地面怠速功率设置时，间隙变化和核心转速被显示为时间的一个函数。

图表显示，由于铁心速度降低9krpm和HPT叶片冷却效应，间隙增加了0.037英寸。在三分钟的停留时间内，壳体开始冷却并在叶片尖端收缩，使间隙缩小了约0.020英寸。

核心速度的增加和HPT叶片的加热产生了大约0.034英寸的闭合，并从巡航状态下的间隙减少了大约0.015英寸。很明显，如果巡航间隙被设定在0.015英寸以下，就会发生摩擦。

不对称的间隙变化

不对称的间隙变化是由于非均匀的载荷（热、推力、惯性和空气动力），通常在固定结构上产生非均匀的径向位移，如图所示。

由于非均匀加热导致的壳体变形可以使壳体或护罩沿圆周的一个或多个部分打开间隙，而在其他部分减少间隙（例如，椭圆化）。

外壳的不对称变形也来自于空气动力、推力和机动载荷如图所示。由于发动机没有安装在飞机的中心线上，空气动力和推力载荷的反作用力在机体上产生了一个应用力矩，导致结构相对于转子弯曲。

进气道整流罩上的空气动力载荷在风扇壳体上产生剪切力和弯矩，可以贯穿发动机，使壳体整体偏转。这些载荷是由进入风扇进气口的气流的弯曲产生的，因此取决于风扇气流、进气口攻角和飞机速度。

空气动力载荷在起飞旋转后是最大的，这时进气口的攻角是最极端的。起飞过程中的空气动力载荷通常会使壳体变形，从而使关闭发生在发动机底部中心附近（即六点钟的位置）。推力载荷也会导致壳体变形，这种现象通常被称为骨架弯曲。

在起飞过程中，推力载荷产生一个向下的俯仰力矩，导致间隙向发动机顶部打开，而在底部关闭。在反向推力过程中情况正好相反，现在俯仰力矩是向上的，在顶部关闭间隙，在底部打开。

在起飞和低速爬升过程中，HPT尖端间隙相对于地面空转条件的变化和核心转子速度都显示为时间的函数。四个间隙探头的位置以示意图的方式显示，通过HPT向前看。该图清楚地表明最小间隙位于HPT的5点钟位置。

该图显示了由于发动机和飞行载荷引起的轴对称和不对称的间隙变化。最初的闭合是由于发动机加速时的离心效应。当发动机继续加速到起飞功率时，由于壳体的加热，间隙开始以轴对称方式打开，但很快沿着HPT的下半部关闭，由于发动机上推力载荷的增加，间隙沿着上半部增加。

进气道整流罩上的空气动力压力载荷进一步增加了对间隙关闭的不对称影响，这些载荷在爬升过程中又传递到HPT上。

当攻角最大时，起飞旋转后的空气动力效应最为强烈（斜率最大），随着攻角的减小，低速爬升后开始减少。相对于地面空转的最大闭合似乎是在低速爬升后，在HPT的大约5点钟位置发生的约0.055英寸。

表1显示了统计的JT9D发动机在六点钟位置的轴对称和不对称HPT关闭数据。该表强调了发动机（速度、热能、推力）和飞行（空气动力和惯性）载荷在较高闭合事件上的组合，如爬升、飞行中重新启动和推力反向，以及硬转弯和飞机失速的机动载荷。

最重要的间隙变化是由于速度和叶片加热的轴对称效应。最高的总间隙事件发生在起飞后的爬升和2-G转弯机动过程中。

表1还表明，推力和飞行载荷引起的闭合量是相当大的。在空气动力和惯性载荷条件下，由于阵风和硬着陆等事件，也会出现瞬时动态载荷。阵风同时影响空气动力和惯性载荷。

空气动力载荷来自于与相对风的阵风成分相关的入口攻角的变化。阵风或湍流产生动态惯性载荷，由于结构对阵风的运动响应。

发动机热力状态

发动机温度在决定操作间隙方面起着巨大的作用。可以想象，如果一般的数据是在发动机冷启动的情况下，起飞时热发动机的起飞夹点会更低，因为与机体相比，转子的热质量更大了。

因此，在飞机带着热发动机起飞之前，一般要分配适当的冷却时间。另一个可以影响发动机间隙的热因素是一种被称为弓形转子启动的现象。在发动机关闭后不久，由于发动机部件中保留的热量和缺乏对这些滞留热量的排放，热量开始在发动机的顶部部分积聚。

这种所谓的“烟囱效应”可以使低压轴和高压轴由于直径的温度梯度而偏转（弯曲）。最大的偏转通常发生在发动机关闭后的1到2小时。

因此，如果飞机的发动机在这段时间内重新启动，就会发生弓形转子的启动，这可能会造成摩擦状况和转子动态问题。众所周知，由于LPT叶片与LPT护罩的干扰，弓形转子的启动实际上锁定了低压轴。

其他机制

转子动力学通常在HPT尖端间隙的变化中不发挥很大作用。轴承的间隙、位置和轴的设计使轴的偏移最小化，并且运行速度远远低于转子的临界值。叶片长度和机壳圆度的制造公差对HPT间隙变化的影响也很小。

动力学（轴承间隙）和制造公差（即护罩圆度、叶片长度变化）对径向间隙变化的影响通常小于0.010英寸。尽管由于转子的热负荷，有相当数量的轴向增长，但它并没有对HPT尖端间隙的变化作出贡献。这种影响在锥形截面上要大得多，如低压涡轮机（LPT）。

减少尖端间隙的好处

燃气轮机的性能、效率和寿命直接受到叶片尖端间隙的影响。更紧密的叶尖间隙可以减少叶尖上的空气泄漏。这增加了涡轮机的效率，并允许发动机以较少的燃料燃烧和较低的转子进口温度来实现性能和推力目标。

由于涡轮机在较低的温度下运行，同时产生相同的功，热段部件将增加循环寿命。热段部件循环寿命的增加通过增加大修的间隔时间来增加发动机的使用寿命（TOW）。

Hpt叶尖间隙管理概念和要求

尖端间隙管理一般可分为两种控制方案：主动间隙控制（ACC）和被动间隙控制（PCC）。PCC在这里被定义为任何在一个操作点，即最严重的瞬态条件（如起飞、再起飞、机动等）设置所需间隙的系统。

另一方面，ACC是任何允许在一个以上的操作点独立设置期望间隙的系统。PCC系统的问题是，系统必须适应的最小间隙（夹点）在更长的飞行稳态部分（即巡航）留下了不希望有的较大间隙。PCC系统已经（并且仍然）被用于燃气涡轮发动机上。

PCC系统包括在整个飞行曲线中更好地匹配转子和定子的增长，使用可研磨材料来限制叶片尖端的磨损，使用更硬的材料和加工技术来限制或创造静态部件的变形，以保持或改善极端条件下的护罩圆度，等等。

发动机制造商在20世纪70年代末和80年代初开始使用热协调系统。这些系统利用风扇空气来冷却HPT外壳的支撑法兰，在巡航条件下减少外壳和护罩的直径，从而减少叶片尖端间隙。这些系统通常只限于HPT和LPT部分。

尽管一些ACC的设计和生产工作已经在HPC部分实施，但据作者所知，没有发动机在压缩机部分使用ACC飞行。

如前所述，最大的HPT尖端间隙变化是由于转子在起飞和重爆条件下的离心增长造成的。由于转子和定子部件上的轴对称和不对称载荷引起的最大尖端间隙变化在0.050英寸左右。FAA要求燃气轮机发动机有能力在5.0秒内从空载飞行达到95%的额定起飞功率（或从15%的额定起飞功率）。

一般来说，这一要求为用作ACC的执行系统设定了最大排量和最小响应时间的限制性案例。假设最大间隙变化为0.050英寸，这就要求传动系统能够提供0.010英寸/秒的径向间隙变化。这些响应速度显然不包括更快的动态间隙变化（即每转一次的事件）。

密封和转子动态问题取决于高制造和装配公差。任何试图将尖端间隙控制在0.010英寸以内或更好的机械ACC系统必须进行精确设计。

联动和设备公差、较大的温度变化、高振动和巨大的负载，都对达到位置精度目标的设计提出了挑战。目前的热冷却ACC系统一般不会将巡航间隙控制在0.015到0.020英寸以下。

这是由于在巡航时发生油门瞬时变化（如高度的阶梯变化）或机动时，系统反应缓慢所需要的安全系数。因此，使用反应更快的ACC系统，存在着减少HPT间隙的巨大潜力。

研究总结

HPT性能的退化在新的或翻新的发动机中很早就开始了，通常是在运行的前几次飞行中。最初的退化来自于轴对称和不对称间隙闭合机制的组合造成的叶片尖端密封磨损，而这是在地面试验台操作中不会遇到的。

这种最初的磨损可能会导致HTP性能损失1%或更多。尖端间隙的增加加速了低循环疲劳和由于HPT温度增加而产生的侵蚀，并降低了EGT裕度和发动机寿命。

一般来说，对于大型燃气轮机发动机，减少0.010英寸的尖端间隙可以使SFC下降1%，EGT下降10°C.这种程度的尖端间隙的改善可以产生每年超过数亿美元的燃料和维护费用。