航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)切斷加力過(guò)渡態(tài)的性能分析

楊琳，秦臻

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

過(guò)渡態(tài)性能是航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要組成部分。尤其對(duì)于軍用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其經(jīng)常處于機(jī)動(dòng)飛行等狀態(tài)下，而其中超過(guò)70%的時(shí)間處于非穩(wěn)定工作狀態(tài)[1]。過(guò)渡態(tài)性能的考察經(jīng)常被用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。另外，過(guò)渡態(tài)分析也常用于故障診斷等過(guò)程中，很多故障在過(guò)渡態(tài)過(guò)程中會(huì)被放大，使之更容易被發(fā)現(xiàn)[2-3]。對(duì)于壓氣機(jī)部件，需要考察在過(guò)渡態(tài)時(shí)，風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)是否有足夠的喘振裕度，以避免壓縮系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)。

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡態(tài)性能受到廣泛關(guān)注，國(guó)外的大型發(fā)動(dòng)機(jī)公司在過(guò)渡態(tài)計(jì)算和試驗(yàn)方面開(kāi)展了許多研究工作[4-5]。在過(guò)渡態(tài)計(jì)算分析中，傳統(tǒng)物理模型的計(jì)算方法有很多不確定性，有時(shí)工作狀態(tài)已經(jīng)超出了模型本身建立的條件范圍，造成數(shù)值模擬結(jié)果不準(zhǔn)確[4-6]；同時(shí)在建立發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡態(tài)實(shí)時(shí)模型時(shí)，需要大量的試驗(yàn)和經(jīng)費(fèi)支持，并且在試驗(yàn)中很難做到單參數(shù)調(diào)節(jié)[4]，因此給過(guò)渡態(tài)性能研究帶來(lái)了很大的難度。國(guó)內(nèi)開(kāi)展過(guò)渡態(tài)性能研究起步很早，但關(guān)注程度始終不高，研究也相對(duì)較少，過(guò)渡態(tài)的計(jì)算目前仍沒(méi)有真正得到工程應(yīng)用，而試驗(yàn)研究就更少。廉筱純等人采用其完成的過(guò)渡態(tài)計(jì)算方法[7]，實(shí)現(xiàn)了接通加力過(guò)程的數(shù)值模擬[8-9]。

本文從壓縮系統(tǒng)部件出發(fā)，通過(guò)對(duì)整機(jī)臺(tái)架試車的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，反映風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)在切斷加力過(guò)渡態(tài)過(guò)程中的工作點(diǎn)變化，分析過(guò)渡態(tài)過(guò)程中的喘振裕度變化，以確定其在切斷加力過(guò)程中的穩(wěn)定性。

1 研究方法

試驗(yàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車臺(tái)上進(jìn)行，該試車臺(tái)可以完成大推力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)試車，實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部多個(gè)截面多種參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄。試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為大推力雙軸小涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)中，所有與分析風(fēng)扇和壓氣機(jī)工作狀態(tài)有關(guān)的參數(shù)均被實(shí)時(shí)記錄。具體參數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)，如油門桿角度、高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等；各截面的氣動(dòng)參數(shù)，如進(jìn)口截面、風(fēng)扇出口/高壓壓氣機(jī)進(jìn)口截面、高壓壓氣機(jī)出口截面的壓力和溫度等；變幾何參數(shù)，如高、低壓可調(diào)葉片角度，尾噴口大小等。為了更精確地捕捉過(guò)渡態(tài)的參數(shù)變化情況，在風(fēng)扇和壓氣機(jī)間的截面，采用Kulite動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量該截面總壓，動(dòng)態(tài)采集可達(dá)每秒5000個(gè)點(diǎn)。

與部件試驗(yàn)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)上的測(cè)點(diǎn)相對(duì)較少，因此各截面測(cè)量的氣動(dòng)參數(shù)并不能直接代表該截面的平均參數(shù)。根據(jù)在該發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的全流程試驗(yàn)結(jié)果，利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，進(jìn)而得到各截面平均的氣動(dòng)參數(shù)。根據(jù)以上實(shí)時(shí)測(cè)量并修正的參數(shù)，結(jié)合風(fēng)扇和壓氣機(jī)的試驗(yàn)特性，可以計(jì)算其換算轉(zhuǎn)速、壓比等，進(jìn)而了解其工作點(diǎn)，計(jì)算過(guò)渡態(tài)過(guò)程中壓縮系統(tǒng)各部件的裕度變化情況。

本研究忽略了在過(guò)渡態(tài)過(guò)程中的傳熱效應(yīng)和葉尖間隙變化情況，得出風(fēng)扇和壓氣機(jī)的特性線不變。實(shí)際上發(fā)動(dòng)機(jī)在過(guò)渡態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的零部件特性是不同的，影響因素包括氣流非定常性、熱交換和間隙變化等，但是工程計(jì)算時(shí)可以認(rèn)為零部件瞬態(tài)加熱的影響很小[10]；發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)比轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程要快得多，因此，可以認(rèn)為在過(guò)渡態(tài)和穩(wěn)態(tài)下的零部件特性一樣，并且壓氣機(jī)功率的表達(dá)式以及部件效率的概念都保持不變。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)切斷加力的過(guò)渡態(tài)與加、減速的過(guò)程相比，各參數(shù)的變化幅度要小得多，因此在切斷加力的過(guò)渡態(tài)過(guò)程中熱效應(yīng)和間隙變化的影響也比加、減速過(guò)程小得多，所以本文忽略這些影響是可以接受的。

2 結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在切斷加力過(guò)程中各參數(shù)隨時(shí)間變化的過(guò)渡態(tài)數(shù)據(jù)采集結(jié)果和切斷加力前、后一段時(shí)間內(nèi)各參數(shù)的變化如圖1所示。從圖中可見(jiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)切斷加力的過(guò)渡態(tài)過(guò)程中，其參數(shù)有比較明顯的波動(dòng)。當(dāng)油門桿從全加力很快下拉到小加力狀態(tài)后，加力燃燒室的各區(qū)油壓按次序迅速減小，只有I區(qū)油壓基本不變；尾噴口直徑按照保持渦輪落壓比不變的控制規(guī)律做收縮的變化；但是尾噴口的臨界面積很難與油量的變化嚴(yán)格協(xié)調(diào)匹配，因此渦輪落壓比不可避免地出現(xiàn)波動(dòng)，圖中顯示渦輪落壓比先增大、后減小，全加力的穩(wěn)態(tài)值與小加力狀態(tài)時(shí)的基本相同；進(jìn)而造成高、低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也隨之變化，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈先增大、后減小、再增大的變化趨勢(shì)，而高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速則呈先減小、后增大的趨勢(shì)。加力燃燒室切油的速度較快，而尾噴口收縮依靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)本研究的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，尾噴口收縮變化過(guò)程所需要的時(shí)間大概是切油時(shí)間的2.5倍，在該過(guò)程中，尾噴口的變化與加力燃燒室油量變化不匹配，造成加力燃燒室前主機(jī)狀態(tài)的變化，進(jìn)而對(duì)風(fēng)扇和壓氣機(jī)的工況也造成影響。

風(fēng)扇工作點(diǎn)在切斷加力過(guò)渡態(tài)過(guò)程中隨時(shí)間的變化如圖2所示。在全加力穩(wěn)態(tài)位置，風(fēng)扇的工作點(diǎn)比共同工作線略低一些，這與本臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)有關(guān)。在進(jìn)入過(guò)渡態(tài)過(guò)程中，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、壓比和流量都發(fā)生變化，將參數(shù)折合到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)后即可畫(huà)在特性圖上。從圖2中可見(jiàn)，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速首先增大，但壓比略有減??；隨后轉(zhuǎn)速開(kāi)始減小，壓比近乎不變；轉(zhuǎn)速減小到最低點(diǎn)后再次增大回到小加力穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)壓比也有所增大，工作點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)曲線與共同工作線基本平行，最后風(fēng)扇在小加力穩(wěn)態(tài)的工作點(diǎn)與切斷加力前的全加力穩(wěn)態(tài)下的非常接近。整個(gè)從全加力到小加力的過(guò)渡態(tài)過(guò)程中風(fēng)扇工作點(diǎn)的變化按圖中箭頭的順時(shí)針?lè)较蜃兓?/p>

在該過(guò)渡態(tài)過(guò)程中風(fēng)扇喘振裕度隨時(shí)間的變化如圖3所示。由于轉(zhuǎn)速增大時(shí)工作點(diǎn)的下降，風(fēng)扇的裕度明顯增大，之后再回到與過(guò)渡態(tài)前類似的位置。整個(gè)過(guò)程中，風(fēng)扇裕度沒(méi)有大幅度減小，即在全加力穩(wěn)態(tài)時(shí)風(fēng)扇如果有足夠裕度，那么在該過(guò)渡態(tài)過(guò)程中風(fēng)扇不會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定工作狀態(tài)。

在該過(guò)渡態(tài)過(guò)程中高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)隨時(shí)間的變化如圖4所示。如圖箭頭所示，高壓壓氣機(jī)的工作點(diǎn)在切斷加力過(guò)程中也按順時(shí)針?lè)较蜃兓?。在變化過(guò)程中，壓比首先減小，流量略有增加，由圖1可知高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在此過(guò)渡態(tài)過(guò)程中并沒(méi)有增大，流量的增加是由可調(diào)葉片角度偏開(kāi)造成的，對(duì)高壓壓氣機(jī)的工作狀態(tài)影響很大；之后隨著轉(zhuǎn)速的減小，流量明顯減少；在最后轉(zhuǎn)速逐漸增大的過(guò)程中，壓氣機(jī)的工作點(diǎn)基本按照共同工作線運(yùn)動(dòng)，最終回到與全加力類似的工作狀態(tài)上。

高壓壓氣機(jī)的工作點(diǎn)對(duì)其可調(diào)靜子葉片角度非常敏感。高壓壓氣機(jī)可調(diào)靜子角度在過(guò)渡態(tài)過(guò)程中的變化如圖5所示。橫坐標(biāo)是以高壓壓氣機(jī)進(jìn)口總溫計(jì)算的折合轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)是高壓壓氣機(jī)第1級(jí)靜子葉片的角度，黑色實(shí)線是希望達(dá)到的控制規(guī)律。在過(guò)渡態(tài)開(kāi)始的全加力穩(wěn)定狀態(tài)和過(guò)渡態(tài)結(jié)束后的小加力穩(wěn)定狀態(tài)，可調(diào)靜子葉片角度與控制規(guī)律是很接近的，但在過(guò)渡態(tài)過(guò)程中，由于受前面風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的影響，壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片的角度控制很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，造成實(shí)際葉片角度比控制規(guī)律偏開(kāi)的結(jié)果，從而使高壓壓氣機(jī)裕度減小。

高壓壓氣機(jī)裕度在過(guò)渡態(tài)過(guò)程中的變化如圖6所示。在過(guò)渡態(tài)的開(kāi)始階段，由于壓比偏小，壓氣機(jī)工作點(diǎn)向遠(yuǎn)離喘振邊界的方向運(yùn)動(dòng)，所以雖然可調(diào)靜子葉片角度有所偏開(kāi)，但裕度仍然增大。之后，隨著轉(zhuǎn)速的減小，壓氣機(jī)的工作點(diǎn)回到了共同工作線上，但可調(diào)靜子葉片的角度仍然偏開(kāi)很多，此時(shí)的喘振裕度迅速減小，并低于過(guò)渡態(tài)前的全加力穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。此后隨著發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)逐步恢復(fù)穩(wěn)定，喘振裕度也逐漸減小。在過(guò)渡態(tài)過(guò)程中，與全加力穩(wěn)態(tài)相比，裕度最多可能減小2～3個(gè)百分點(diǎn)。

根據(jù)風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)的工作狀態(tài)，可以計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比。該過(guò)渡態(tài)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的變化如圖7所示。從圖7中可見(jiàn)，在切斷加力的過(guò)渡態(tài)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比有所增大。涵道比的變化對(duì)風(fēng)扇與高壓壓氣機(jī)的匹配造成影響，因此在設(shè)計(jì)中，除了考慮正常穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的涵道比變化范圍外，還需考慮到類似此過(guò)渡態(tài)過(guò)程的涵道比變化。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用從全加力到小加力狀態(tài)的過(guò)渡態(tài)地面臺(tái)架試車試驗(yàn)結(jié)果，分析了風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)在此過(guò)渡態(tài)過(guò)程中的工況。其中參數(shù)變化趨勢(shì)等工況與其調(diào)節(jié)規(guī)律有關(guān)，而參數(shù)的具體變化數(shù)值對(duì)于每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)又具備一定的個(gè)體差異，因此，針對(duì)有類似特性和調(diào)節(jié)規(guī)律的發(fā)動(dòng)機(jī)，從全加力狀態(tài)向小加力狀態(tài)快速變化時(shí)得到如下結(jié)論：

（1）尾噴口面積與加力油量變化的不匹配造成發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)發(fā)生較大波動(dòng)，使風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)工作狀態(tài)發(fā)生波動(dòng)。

（2）風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)的工作點(diǎn)在其特性圖上按順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，開(kāi)始階段的壓比會(huì)小于全加力的穩(wěn)態(tài)值，之后平行于共同工作線回到小加力的穩(wěn)態(tài)值。

（3）與過(guò)渡態(tài)前的穩(wěn)態(tài)相比，在過(guò)渡態(tài)過(guò)程中，風(fēng)扇的喘振裕度不會(huì)減小，高壓壓氣機(jī)的可調(diào)葉片角度會(huì)有所偏開(kāi)，造成喘振裕度有所減小。

（4）涵道比有所增大。

因此，在風(fēng)扇和壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)逐步增加對(duì)過(guò)渡態(tài)過(guò)程的關(guān)注，以避免在過(guò)渡態(tài)過(guò)程中由于喘振裕度的損失造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定；同時(shí)，還應(yīng)關(guān)注過(guò)渡態(tài)過(guò)程中的壓縮系統(tǒng)自身的匹配問(wèn)題。

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