側(cè)風(fēng)對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)穩(wěn)定性影響的監(jiān)控及分析

朱彥偉，曹高峰，劉旭東

（中航工業(yè)飛行試驗(yàn)研究院，西安710089）

0 引言

進(jìn)氣入口氣體流場(chǎng)的不均勻變化將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作裕度[1]，進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)的相容性是國(guó)內(nèi)外一直在研究的重要課題，文獻(xiàn)[2]根據(jù)平行壓氣機(jī)理論計(jì)算分析了進(jìn)氣條件對(duì)單軸發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明進(jìn)氣條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性影響很顯著。對(duì)于雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，目前還沒有完善而實(shí)用的穩(wěn)定性分析理論方法，因此,對(duì)進(jìn)氣道與發(fā)動(dòng)機(jī)相容性評(píng)定的主要手段還是只能依靠試驗(yàn)[3-4]。在國(guó)內(nèi)一般是采用可移動(dòng)插板式畸變發(fā)生器逼喘的方法來模擬進(jìn)氣畸變，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)和工作參數(shù)的變化進(jìn)行分析的方法來評(píng)估進(jìn)氣畸變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的影響[5]。進(jìn)氣畸變直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作，為了有效地預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在畸變進(jìn)氣時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生的影響，文獻(xiàn)[6-8]研究了進(jìn)氣畸變對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定的影響。而發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)風(fēng)地面試驗(yàn)是進(jìn)氣畸變項(xiàng)目中非常重要的適航驗(yàn)證科目。主要驗(yàn)證在規(guī)定的自然風(fēng)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性是否受到影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度、高低壓轉(zhuǎn)速、振動(dòng)值等工作參數(shù)是否超限。通過地面?zhèn)蕊L(fēng)試驗(yàn)可以確定發(fā)動(dòng)機(jī)在地面?zhèn)蕊L(fēng)條件下的使用包線，為編寫飛行使用手冊(cè)提供支持。

在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作研究地面風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的影響，俄羅斯相關(guān)研究表明，從風(fēng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性影響的觀點(diǎn)來看，起作用的不是某個(gè)期限內(nèi)的風(fēng)速的平均值，而是風(fēng)速的現(xiàn)有值，即在接近地表層時(shí)空氣質(zhì)量紊流運(yùn)動(dòng)的速度[9]。美國(guó)GE公司在許多年前就進(jìn)行航空民用發(fā)動(dòng)機(jī)的固定風(fēng)源側(cè)風(fēng)試驗(yàn)，并建立了1套比較完善的方法體系。但是,到目前為止，在自然風(fēng)條件下由FAA和中國(guó)適航當(dāng)局目擊的大涵道比民用發(fā)動(dòng)機(jī)地面?zhèn)蕊L(fēng)試驗(yàn),在世界發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)史上是第1次，此次試驗(yàn)可以積累很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為今后其他型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)風(fēng)試驗(yàn)提供技術(shù)支持。本文根據(jù)側(cè)風(fēng)試驗(yàn)過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控情況對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比方法和計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)出口特征流量系數(shù)的方法，確定不同側(cè)風(fēng)風(fēng)向條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的影響程度；結(jié)合對(duì)比分析結(jié)果提出合理增加試驗(yàn)點(diǎn)的建議，為今后側(cè)風(fēng)試驗(yàn)的高效進(jìn)行提供方法支持。

1 試驗(yàn)方法和條件

發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)風(fēng)地面試驗(yàn)是進(jìn)氣畸變項(xiàng)目中非常重要的適航驗(yàn)證科目。主要驗(yàn)證在規(guī)定的自然風(fēng)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性是否受到影響，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度、高低壓轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)是否超限。

本次側(cè)風(fēng)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為美國(guó)GE公司生產(chǎn)的某型大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)外形如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，空氣經(jīng)進(jìn)氣道進(jìn)入風(fēng)扇增壓的氣流分為2路，其中大部分的氣流進(jìn)入外涵道，其余部分空氣經(jīng)壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流葉片進(jìn)入壓氣機(jī)、燃燒室和內(nèi)涵噴管。發(fā)動(dòng)機(jī)采用尾吊式安裝方式在飛機(jī)上進(jìn)行安裝，該發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的安裝位置和側(cè)風(fēng)風(fēng)向的規(guī)定方法如圖2所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)外形結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)開始前利用經(jīng)過標(biāo)定后的氣象車測(cè)量距地面高10m處的風(fēng)速風(fēng)向，如果自然風(fēng)風(fēng)速滿足試驗(yàn)條件以后，將配裝試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)拖至地面試驗(yàn)區(qū)并調(diào)整飛機(jī)的擺放方向。測(cè)試工程師檢查測(cè)試系統(tǒng)工作正常后，完成試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)開車并暖機(jī)后，將油門桿推至最大起飛位置使發(fā)動(dòng)機(jī)在最大功率狀態(tài)工作3min，采用專用的設(shè)備對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的高低壓轉(zhuǎn)速、高壓壓氣機(jī)出口靜壓、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度等參數(shù)進(jìn)行記錄，同時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量自然風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向的變化。第1個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)完成以后，調(diào)整飛機(jī)的擺放位置進(jìn)行下一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)。

圖2 側(cè)風(fēng)風(fēng)向規(guī)定

2 數(shù)據(jù)分析方法

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)的波動(dòng)是其不能穩(wěn)定工作的典型特征，發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)的變化能夠直接反映其是否工作正常，通常監(jiān)控的發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)有：低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N1，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2，高壓壓氣機(jī)出口靜壓PS3和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度TI[10]。通過計(jì)算對(duì)比不同風(fēng)向條件下工作參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差,來反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)的波動(dòng)情況。

在給定風(fēng)速風(fēng)向條件下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到給定功率狀態(tài)后，錄取一定時(shí)間（選取20s）的發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)，假定試驗(yàn)點(diǎn)樣本數(shù)為N，其統(tǒng)計(jì)方法如下：

（1）將N個(gè)數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)排列成數(shù)據(jù)序列；

（2）求出數(shù)據(jù)序列的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。

其中，參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差S 的大小直接反映了數(shù)據(jù)參數(shù)離散程度，在給定發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下（發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿角度不變），工作參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差S 越大，表明該參數(shù)的波動(dòng)量越大，則說明發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性越差。

2.2 特征流量系數(shù)計(jì)算

根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)公式可知，可以用某一點(diǎn)的總壓和靜壓的比值,來表征壓氣機(jī)空氣流量系數(shù)的變化趨勢(shì)，利用低壓壓氣機(jī)出口（25截面）測(cè)量耙上某點(diǎn)的總靜壓比（Pt25/Ps25）與該截面處發(fā)動(dòng)機(jī)的流量系數(shù)q（λ）存在正比函數(shù)關(guān)系[11]

定義Q 為表征流量系數(shù)，其關(guān)系式為

Q值的變化大小可以反映低壓壓氣機(jī)出口（高壓壓氣機(jī)進(jìn)口）截面處氣流軸向速度的變化大小，因此，可以利用Q值的變化情況來反映該截面處氣流速度變化，進(jìn)而來反映發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性可知，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率狀態(tài)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)各部件工作環(huán)境變得越惡劣，因此，以發(fā)動(dòng)機(jī)在最大功率狀態(tài)情況下的工作參數(shù)錄取數(shù)據(jù)為依據(jù)，來分析側(cè)風(fēng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的影響。

在不同風(fēng)速風(fēng)向情況下，利用式（1）和（2）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在最大工作狀態(tài)的20s工作參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。從表中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的“均值”數(shù)據(jù)列可見，風(fēng)向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)排放靜壓Ps3和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度TI的影響非常明顯，在180°（尾風(fēng)）風(fēng)向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度的影響比較明顯，由于發(fā)動(dòng)機(jī)在尾風(fēng)條件下工作時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣吸進(jìn)進(jìn)氣道導(dǎo)致的。在230°風(fēng)向條件下發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差要明顯的高于其他風(fēng)向條件下的工作參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，其中高壓壓氣機(jī)排放靜壓Ps3和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度TI的標(biāo)準(zhǔn)差明顯高于其他風(fēng)向條件，這2個(gè)參數(shù)的波動(dòng)最能夠反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況，由此可知230°風(fēng)向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性最大。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)最大工作狀態(tài)的20s工作參數(shù)統(tǒng)計(jì)

側(cè)風(fēng)風(fēng)向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)不同工作參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的影響如圖3所示。從圖中明顯可見，反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)穩(wěn)定性隨側(cè)風(fēng)風(fēng)向的變化趨勢(shì)。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)向在0～90°之間變化時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性幾乎沒有造成影響；當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)向在90～230°之間變化時(shí)，隨著風(fēng)向角度的增加，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作影響越來越大，其中在風(fēng)向?yàn)?30°時(shí)其影響程度最大；當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)向在230～270°之間變化時(shí)，隨著風(fēng)向角度的增加，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作影響迅速變小。

圖3 側(cè)風(fēng)風(fēng)向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差的影響

從發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差可以很直觀地反映側(cè)風(fēng)風(fēng)向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的影響，而通過發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)出口截面（25截面）的表征流量系數(shù)，更能直觀地體現(xiàn)側(cè)風(fēng)風(fēng)向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的影響。不同風(fēng)向條件下發(fā)動(dòng)機(jī)25截面特征流量系數(shù)Q 的變化如圖4所示（圖中F、M、T分別代表不同測(cè)量耙的安裝位置）。從圖中可見，在90°風(fēng)向情況下特征流量系數(shù)Q 非常穩(wěn)定，趨于1條穩(wěn)定的直線，說明此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作非常穩(wěn)定；在135°風(fēng)向情況下特征流量系數(shù)Q 就產(chǎn)生了輕微的波動(dòng)，但整體趨勢(shì)還是1條直線，說明此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作還能穩(wěn)定工作；在180°風(fēng)向情況下特征流量系數(shù)Q 就產(chǎn)生了較大的波動(dòng)，其中QT值波動(dòng)開始變得比較不穩(wěn)定氣流，T位置區(qū)域的流速波動(dòng)要明顯高于F和M位置處的流速波動(dòng)，說明此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作開始出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)；在230°風(fēng)向情況下特征流量系數(shù)Q 就產(chǎn)生了嚴(yán)重的波動(dòng)，在3個(gè)不同位置的表征流量系數(shù)（QF、QM和QT）都產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的波動(dòng)，說明此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作已經(jīng)出現(xiàn)非常嚴(yán)重的不穩(wěn)定狀態(tài)。由于在進(jìn)行270°風(fēng)向試驗(yàn)過程中，測(cè)量耙數(shù)據(jù)沒有采集，沒有給出270°風(fēng)向條件下發(fā)動(dòng)機(jī)25截面特征流量系數(shù)Q 的變化。

圖4 不同風(fēng)向條件下發(fā)動(dòng)機(jī)25截面特征流量系數(shù)Q 的變化

從上面的分析可知，230°風(fēng)向側(cè)風(fēng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性影響最大，主要與發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝形式有關(guān)，對(duì)于尾吊式安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)（試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)ARJ21-700飛機(jī)安裝位置如圖5所示）來說，機(jī)身和垂尾就像1堵墻擋在氣流前面，當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向時(shí)刻變化的側(cè)風(fēng)繞過機(jī)身和垂尾以后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)入口的氣流變得雜亂無章，帶有不同尺度的氣流團(tuán)進(jìn)氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定工作。試驗(yàn)過程中應(yīng)當(dāng)把180～270°風(fēng)向變化區(qū)域作為重點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)域，在該區(qū)域的試驗(yàn)數(shù)據(jù)最能體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的抗側(cè)風(fēng)能力。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置

4 結(jié)論

本文利用的發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)法和發(fā)動(dòng)機(jī)25截面表征流量系數(shù)法可以作為評(píng)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性的參考法，具有較高的工程使用價(jià)值，通過對(duì)不同側(cè)風(fēng)風(fēng)向條件下發(fā)動(dòng)機(jī)最大工作狀態(tài)工作參數(shù)的對(duì)比分析可以得到的結(jié)論如下：

（1）側(cè)風(fēng)風(fēng)向在0～90°范圍內(nèi)變化時(shí)，側(cè)風(fēng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性沒有影響。

（2）側(cè)風(fēng)風(fēng)向在90～230°范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著風(fēng)向角度的增加，側(cè)風(fēng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性的影響越來越大。

（3）側(cè)風(fēng)風(fēng)向在230～270°范圍內(nèi)變化時(shí)，隨著風(fēng)向角度的增加，側(cè)風(fēng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性的影響急劇減小。

（4）230°側(cè)風(fēng)風(fēng)向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性影響最大，對(duì)于尾吊式安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以將180～270°風(fēng)向變化區(qū)域作為重點(diǎn)試驗(yàn)區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加試驗(yàn)點(diǎn)，可以在節(jié)省試驗(yàn)成本的基礎(chǔ)上更快確定發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)風(fēng)條件下的工作邊界。

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