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    進(jìn)氣畸變對發(fā)動機穩(wěn)定性和性能影響試驗分析

    2014-04-21 04:33:05李娟妮張杰
    新媒體研究 2014年3期

    李娟妮+張杰

    摘 要 基于平行壓氣機理論,通過飛行試驗,對進(jìn)氣畸變時某型渦扇發(fā)動機的穩(wěn)定性和性能影響進(jìn)行分析,結(jié)果表明周向穩(wěn)態(tài)畸變使得發(fā)動機穩(wěn)定裕度降低、推力降低、耗油率增大。

    關(guān)鍵詞 總壓畸變;平行壓氣機原理;穩(wěn)定裕度;推力

    中圖分類號:V231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)03-0044-02

    20世紀(jì)60年代中期以來,世界航空界對影響發(fā)動機氣動穩(wěn)定性因素給與了極大的關(guān)注和研究,并取得了很大的進(jìn)展。發(fā)動機壓縮系統(tǒng)的氣動不穩(wěn)定可造成發(fā)動機的失控、推力損耗、進(jìn)氣道和發(fā)動機機械的損壞、發(fā)動機的超溫停車,嚴(yán)重的限制著飛機的飛行。提供足夠的壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度以保證在飛行包線范圍內(nèi)安全飛行是一個重要問題。這需要在發(fā)動機的高推力、低油耗、長壽命與滿意的穩(wěn)定裕度之間權(quán)衡、折中。以往在發(fā)動機方案設(shè)計和工程設(shè)計階段原則上不可能獲得進(jìn)氣畸變對發(fā)動機影響的試驗數(shù)據(jù),并且進(jìn)氣畸變對發(fā)動機穩(wěn)定性及性能影響的試驗大部分是地面試驗或高空臺試驗。而對于實際空中進(jìn)氣畸變對發(fā)動機的穩(wěn)定性及性能影響較少。通過飛行試驗和地面試驗數(shù)據(jù)的相互補充,可對推進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)做出評價,可在不對畸變產(chǎn)生的不利影響的前提下改善性能,為將來推進(jìn)系統(tǒng)的修改和新機的發(fā)展提供數(shù)據(jù)庫。

    1 飛行試驗方法及測量設(shè)備

    試驗中進(jìn)行不同飛行姿態(tài)的組合來研究,這些飛行動作包括穩(wěn)態(tài)攻角和側(cè)滑角飛行、攻角正負(fù)變化。所有的試驗狀態(tài)下發(fā)動機處于中間狀態(tài)和最大加力狀態(tài)之間變化,以保證發(fā)動機的換算空氣流量保持不變。當(dāng)達(dá)到要求的試驗條件,在發(fā)動機油門桿保持穩(wěn)定的同時,通過安裝在進(jìn)氣道出口和發(fā)動機進(jìn)口轉(zhuǎn)接段位置上的測量耙來對進(jìn)口流場進(jìn)行動穩(wěn)態(tài)壓力測量,記錄所需要的數(shù)據(jù)。

    圖1 測量耙測點示意圖

    安裝在進(jìn)氣道出口總壓測量耙是由周向均勻分布的6支測量耙組成的“水”字型耙,每支耙臂都裝有1個動態(tài)壓力、5個穩(wěn)態(tài)壓力測量點,穩(wěn)態(tài)點按等環(huán)面分布,動態(tài)點位于0.9R處。由于耙體結(jié)構(gòu)引起的最大面積堵塞比不大于4.6%,不影響發(fā)動機性能對空氣流量的要求,國外同類產(chǎn)品阻塞比有8%的數(shù)據(jù),因此是允許的。

    2 計算方法

    2.1 畸變計算

    發(fā)動機進(jìn)口流場的畸變程度用綜合畸變指數(shù)來評定:

    式中:為總壓的周向不均勻度;為進(jìn)口的面平均總壓脈動紊流度。

    2.2 平行壓氣機模型的建立

    進(jìn)氣周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性的影響可以由簡單平行壓氣機模型解釋。假設(shè):

    1)工作于低壓區(qū)和高壓區(qū)的壓氣機視為各自獨立工作互不相干涉的子壓氣機,并且具有相同的特性曲線。

    2)在壓氣機的進(jìn)口總壓不均勻,但靜壓均勻,壓氣機出口靜壓均勻。

    3)當(dāng)一個子壓氣機喘振時機認(rèn)為整個壓氣機喘振。

    根據(jù)壓力測量耙所測得壓力分布,將發(fā)動機進(jìn)口壓力分為高壓區(qū)和低壓區(qū)。假設(shè)每一子扇區(qū)為平行的流管,從進(jìn)口通過壓氣機順著流路到出口。該被試發(fā)動機為雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機,低壓壓氣機級數(shù)少,在低壓壓氣機后產(chǎn)生的溫度、壓力畸變較快,高壓級數(shù)較多,這樣高壓壓氣機就會對低壓壓氣機的參數(shù)產(chǎn)生影響,但采用平行壓氣機模型后,可以認(rèn)為互不干涉,即低壓壓氣機的出口條件為高壓壓氣機的進(jìn)口條件。

    2.3 工作參數(shù)計算

    依據(jù)平行壓氣機模型,利用均勻進(jìn)氣渦扇發(fā)動機共同工作方程的方法,對畸變時發(fā)動機的氣動穩(wěn)定性和性能進(jìn)行計算。在進(jìn)氣時,各子壓氣機均勻進(jìn)氣,沒有周向摻混,各高壓子壓氣機以各低壓子壓氣機的出口條件為進(jìn)口條件。在各高壓壓氣機出口,假象存在一個混合室,各子壓氣機流出的壓強、速度在假想混合室內(nèi)均勻比混合。最后流過發(fā)動機其它部件,完成熱力循環(huán)。

    高壓壓氣機的進(jìn)氣條件為風(fēng)扇的出口的核心發(fā)動機,外涵道出口流場均勻。根據(jù)平行壓氣機原理,可知均勻進(jìn)氣與畸變時的區(qū)別就在子壓氣機的計算,畸變時將原壓氣機分為多個平行的子壓氣機,分別計算。其余部件的計算與均勻進(jìn)氣時是相同的。

    發(fā)生畸變時,最先受到畸變氣流影響的就是風(fēng)扇,這里以低壓風(fēng)扇的計算為例。通過進(jìn)氣測量參數(shù),可知各子壓氣機的進(jìn)氣條件。各子壓氣機的計算與均勻進(jìn)氣壓氣機是相同的。根據(jù)測量耙上的所測得各低壓子壓氣機的P1i*、T1i*,采用面積平均方法來計算發(fā)動機的進(jìn)口空氣流量,如下式:

    式中:為各子壓氣機的進(jìn)口總壓;為各子壓氣機截面積;為進(jìn)口總溫。

    3 試驗結(jié)果及分析

    將進(jìn)氣道出口的總壓分布作為發(fā)動機進(jìn)口邊條件如果發(fā)動機不失穩(wěn) 則根據(jù)求解后的流場算出發(fā)動機的推力和耗油率并和均勻進(jìn)氣條件下的結(jié)果進(jìn)行比較就能得到穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)對發(fā)動機性能的影響。

    現(xiàn)以發(fā)動機在最大狀態(tài),高度11 km,馬赫數(shù)1.1時,綜合畸變指數(shù)W=0.05為例,比較進(jìn)氣畸變對發(fā)動機共同工作線和性能的影響,并于均勻進(jìn)氣時的值進(jìn)行比較。

    圖1 均勻進(jìn)氣與畸變進(jìn)氣時風(fēng)扇壓比和發(fā)動機進(jìn)口流量關(guān)系圖

    圖1表示畸變進(jìn)氣和均勻進(jìn)氣時,渦扇發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)共同工作線在風(fēng)扇特性圖上的分布位置。從圖1可以看出,畸變進(jìn)氣與均勻進(jìn)氣時相比較,畸變進(jìn)氣時的風(fēng)扇的共同工作線上移,發(fā)動機的穩(wěn)定工作范圍變小,穩(wěn)定裕度變小。這點根據(jù)假設(shè)(2)可知兩個子壓氣機的出口靜壓是相同的,但此時的進(jìn)口總壓不同,其總靜壓升系數(shù)也就必然不同,進(jìn)口總壓低的子壓氣機的壓升系數(shù)高并且工作點靠近均勻進(jìn)氣時的穩(wěn)定邊界。再由基本假設(shè)(3)可知,當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)的子壓氣機的工作點進(jìn)入喘振邊界時,就認(rèn)為整臺壓氣機達(dá)到了失穩(wěn)點。因此說,總壓畸變使壓氣機的穩(wěn)定裕度降低。

    圖2給出了發(fā)動機在同一工況下,均勻進(jìn)氣與畸變進(jìn)氣時發(fā)動機推力和耗油率。從圖中可以看出,畸變進(jìn)氣時推力減小、耗油率增大。推力減小是因為畸變后發(fā)動機的流量和壓比與均勻進(jìn)氣時相比,都要小。而耗油率變大時因為畸變時發(fā)動機渦輪前進(jìn)氣溫度增大,導(dǎo)致燃油消耗量增大引起的。

    圖2 均勻進(jìn)氣與畸變進(jìn)氣時推力及油耗對比分析圖

    4 結(jié)論

    通過對畸變進(jìn)氣與均勻進(jìn)氣下某型渦扇發(fā)動機的性能和氣動穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較,得出以下結(jié)論。

    1)進(jìn)氣畸變飛行試驗是分析進(jìn)氣畸變對壓氣機穩(wěn)定性和性能影響的重要技術(shù)手段。進(jìn)氣畸變試驗的主要目的是確定風(fēng)扇進(jìn)氣畸變特性,并深入認(rèn)識進(jìn)氣畸變影響的機制,促進(jìn)理論模型和計算方法的發(fā)展。

    2)進(jìn)氣總壓畸變對壓氣機穩(wěn)定性及性能會產(chǎn)生不利的影響,一般來說,對高轉(zhuǎn)速的影響大于低轉(zhuǎn)速。

    參考文獻(xiàn)

    [1]劉大響,葉培梁,胡駿,黃熙君.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機穩(wěn)定性設(shè)計與評定技術(shù)[M].航空工業(yè)出版社,2004.

    [2]趙運生,胡駿,屠寶鋒,等.進(jìn)氣畸變對渦扇發(fā)動機穩(wěn)定性及性能影響[J].航空動力學(xué)報,2013(06).

    [3]廉筱純,吳虎.航空發(fā)動機原理[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社,2005.endprint

    摘 要 基于平行壓氣機理論,通過飛行試驗,對進(jìn)氣畸變時某型渦扇發(fā)動機的穩(wěn)定性和性能影響進(jìn)行分析,結(jié)果表明周向穩(wěn)態(tài)畸變使得發(fā)動機穩(wěn)定裕度降低、推力降低、耗油率增大。

    關(guān)鍵詞 總壓畸變;平行壓氣機原理;穩(wěn)定裕度;推力

    中圖分類號:V231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)03-0044-02

    20世紀(jì)60年代中期以來,世界航空界對影響發(fā)動機氣動穩(wěn)定性因素給與了極大的關(guān)注和研究,并取得了很大的進(jìn)展。發(fā)動機壓縮系統(tǒng)的氣動不穩(wěn)定可造成發(fā)動機的失控、推力損耗、進(jìn)氣道和發(fā)動機機械的損壞、發(fā)動機的超溫停車,嚴(yán)重的限制著飛機的飛行。提供足夠的壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度以保證在飛行包線范圍內(nèi)安全飛行是一個重要問題。這需要在發(fā)動機的高推力、低油耗、長壽命與滿意的穩(wěn)定裕度之間權(quán)衡、折中。以往在發(fā)動機方案設(shè)計和工程設(shè)計階段原則上不可能獲得進(jìn)氣畸變對發(fā)動機影響的試驗數(shù)據(jù),并且進(jìn)氣畸變對發(fā)動機穩(wěn)定性及性能影響的試驗大部分是地面試驗或高空臺試驗。而對于實際空中進(jìn)氣畸變對發(fā)動機的穩(wěn)定性及性能影響較少。通過飛行試驗和地面試驗數(shù)據(jù)的相互補充,可對推進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)做出評價,可在不對畸變產(chǎn)生的不利影響的前提下改善性能,為將來推進(jìn)系統(tǒng)的修改和新機的發(fā)展提供數(shù)據(jù)庫。

    1 飛行試驗方法及測量設(shè)備

    試驗中進(jìn)行不同飛行姿態(tài)的組合來研究,這些飛行動作包括穩(wěn)態(tài)攻角和側(cè)滑角飛行、攻角正負(fù)變化。所有的試驗狀態(tài)下發(fā)動機處于中間狀態(tài)和最大加力狀態(tài)之間變化,以保證發(fā)動機的換算空氣流量保持不變。當(dāng)達(dá)到要求的試驗條件,在發(fā)動機油門桿保持穩(wěn)定的同時,通過安裝在進(jìn)氣道出口和發(fā)動機進(jìn)口轉(zhuǎn)接段位置上的測量耙來對進(jìn)口流場進(jìn)行動穩(wěn)態(tài)壓力測量,記錄所需要的數(shù)據(jù)。

    圖1 測量耙測點示意圖

    安裝在進(jìn)氣道出口總壓測量耙是由周向均勻分布的6支測量耙組成的“水”字型耙,每支耙臂都裝有1個動態(tài)壓力、5個穩(wěn)態(tài)壓力測量點,穩(wěn)態(tài)點按等環(huán)面分布,動態(tài)點位于0.9R處。由于耙體結(jié)構(gòu)引起的最大面積堵塞比不大于4.6%,不影響發(fā)動機性能對空氣流量的要求,國外同類產(chǎn)品阻塞比有8%的數(shù)據(jù),因此是允許的。

    2 計算方法

    2.1 畸變計算

    發(fā)動機進(jìn)口流場的畸變程度用綜合畸變指數(shù)來評定:

    式中:為總壓的周向不均勻度;為進(jìn)口的面平均總壓脈動紊流度。

    2.2 平行壓氣機模型的建立

    進(jìn)氣周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性的影響可以由簡單平行壓氣機模型解釋。假設(shè):

    1)工作于低壓區(qū)和高壓區(qū)的壓氣機視為各自獨立工作互不相干涉的子壓氣機,并且具有相同的特性曲線。

    2)在壓氣機的進(jìn)口總壓不均勻,但靜壓均勻,壓氣機出口靜壓均勻。

    3)當(dāng)一個子壓氣機喘振時機認(rèn)為整個壓氣機喘振。

    根據(jù)壓力測量耙所測得壓力分布,將發(fā)動機進(jìn)口壓力分為高壓區(qū)和低壓區(qū)。假設(shè)每一子扇區(qū)為平行的流管,從進(jìn)口通過壓氣機順著流路到出口。該被試發(fā)動機為雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機,低壓壓氣機級數(shù)少,在低壓壓氣機后產(chǎn)生的溫度、壓力畸變較快,高壓級數(shù)較多,這樣高壓壓氣機就會對低壓壓氣機的參數(shù)產(chǎn)生影響,但采用平行壓氣機模型后,可以認(rèn)為互不干涉,即低壓壓氣機的出口條件為高壓壓氣機的進(jìn)口條件。

    2.3 工作參數(shù)計算

    依據(jù)平行壓氣機模型,利用均勻進(jìn)氣渦扇發(fā)動機共同工作方程的方法,對畸變時發(fā)動機的氣動穩(wěn)定性和性能進(jìn)行計算。在進(jìn)氣時,各子壓氣機均勻進(jìn)氣,沒有周向摻混,各高壓子壓氣機以各低壓子壓氣機的出口條件為進(jìn)口條件。在各高壓壓氣機出口,假象存在一個混合室,各子壓氣機流出的壓強、速度在假想混合室內(nèi)均勻比混合。最后流過發(fā)動機其它部件,完成熱力循環(huán)。

    高壓壓氣機的進(jìn)氣條件為風(fēng)扇的出口的核心發(fā)動機,外涵道出口流場均勻。根據(jù)平行壓氣機原理,可知均勻進(jìn)氣與畸變時的區(qū)別就在子壓氣機的計算,畸變時將原壓氣機分為多個平行的子壓氣機,分別計算。其余部件的計算與均勻進(jìn)氣時是相同的。

    發(fā)生畸變時,最先受到畸變氣流影響的就是風(fēng)扇,這里以低壓風(fēng)扇的計算為例。通過進(jìn)氣測量參數(shù),可知各子壓氣機的進(jìn)氣條件。各子壓氣機的計算與均勻進(jìn)氣壓氣機是相同的。根據(jù)測量耙上的所測得各低壓子壓氣機的P1i*、T1i*,采用面積平均方法來計算發(fā)動機的進(jìn)口空氣流量,如下式:

    式中:為各子壓氣機的進(jìn)口總壓;為各子壓氣機截面積;為進(jìn)口總溫。

    3 試驗結(jié)果及分析

    將進(jìn)氣道出口的總壓分布作為發(fā)動機進(jìn)口邊條件如果發(fā)動機不失穩(wěn) 則根據(jù)求解后的流場算出發(fā)動機的推力和耗油率并和均勻進(jìn)氣條件下的結(jié)果進(jìn)行比較就能得到穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)對發(fā)動機性能的影響。

    現(xiàn)以發(fā)動機在最大狀態(tài),高度11 km,馬赫數(shù)1.1時,綜合畸變指數(shù)W=0.05為例,比較進(jìn)氣畸變對發(fā)動機共同工作線和性能的影響,并于均勻進(jìn)氣時的值進(jìn)行比較。

    圖1 均勻進(jìn)氣與畸變進(jìn)氣時風(fēng)扇壓比和發(fā)動機進(jìn)口流量關(guān)系圖

    圖1表示畸變進(jìn)氣和均勻進(jìn)氣時,渦扇發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)共同工作線在風(fēng)扇特性圖上的分布位置。從圖1可以看出,畸變進(jìn)氣與均勻進(jìn)氣時相比較,畸變進(jìn)氣時的風(fēng)扇的共同工作線上移,發(fā)動機的穩(wěn)定工作范圍變小,穩(wěn)定裕度變小。這點根據(jù)假設(shè)(2)可知兩個子壓氣機的出口靜壓是相同的,但此時的進(jìn)口總壓不同,其總靜壓升系數(shù)也就必然不同,進(jìn)口總壓低的子壓氣機的壓升系數(shù)高并且工作點靠近均勻進(jìn)氣時的穩(wěn)定邊界。再由基本假設(shè)(3)可知,當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)的子壓氣機的工作點進(jìn)入喘振邊界時,就認(rèn)為整臺壓氣機達(dá)到了失穩(wěn)點。因此說,總壓畸變使壓氣機的穩(wěn)定裕度降低。

    圖2給出了發(fā)動機在同一工況下,均勻進(jìn)氣與畸變進(jìn)氣時發(fā)動機推力和耗油率。從圖中可以看出,畸變進(jìn)氣時推力減小、耗油率增大。推力減小是因為畸變后發(fā)動機的流量和壓比與均勻進(jìn)氣時相比,都要小。而耗油率變大時因為畸變時發(fā)動機渦輪前進(jìn)氣溫度增大,導(dǎo)致燃油消耗量增大引起的。

    圖2 均勻進(jìn)氣與畸變進(jìn)氣時推力及油耗對比分析圖

    4 結(jié)論

    通過對畸變進(jìn)氣與均勻進(jìn)氣下某型渦扇發(fā)動機的性能和氣動穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較,得出以下結(jié)論。

    1)進(jìn)氣畸變飛行試驗是分析進(jìn)氣畸變對壓氣機穩(wěn)定性和性能影響的重要技術(shù)手段。進(jìn)氣畸變試驗的主要目的是確定風(fēng)扇進(jìn)氣畸變特性,并深入認(rèn)識進(jìn)氣畸變影響的機制,促進(jìn)理論模型和計算方法的發(fā)展。

    2)進(jìn)氣總壓畸變對壓氣機穩(wěn)定性及性能會產(chǎn)生不利的影響,一般來說,對高轉(zhuǎn)速的影響大于低轉(zhuǎn)速。

    參考文獻(xiàn)

    [1]劉大響,葉培梁,胡駿,黃熙君.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機穩(wěn)定性設(shè)計與評定技術(shù)[M].航空工業(yè)出版社,2004.

    [2]趙運生,胡駿,屠寶鋒,等.進(jìn)氣畸變對渦扇發(fā)動機穩(wěn)定性及性能影響[J].航空動力學(xué)報,2013(06).

    [3]廉筱純,吳虎.航空發(fā)動機原理[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社,2005.endprint

    摘 要 基于平行壓氣機理論,通過飛行試驗,對進(jìn)氣畸變時某型渦扇發(fā)動機的穩(wěn)定性和性能影響進(jìn)行分析,結(jié)果表明周向穩(wěn)態(tài)畸變使得發(fā)動機穩(wěn)定裕度降低、推力降低、耗油率增大。

    關(guān)鍵詞 總壓畸變;平行壓氣機原理;穩(wěn)定裕度;推力

    中圖分類號:V231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)03-0044-02

    20世紀(jì)60年代中期以來,世界航空界對影響發(fā)動機氣動穩(wěn)定性因素給與了極大的關(guān)注和研究,并取得了很大的進(jìn)展。發(fā)動機壓縮系統(tǒng)的氣動不穩(wěn)定可造成發(fā)動機的失控、推力損耗、進(jìn)氣道和發(fā)動機機械的損壞、發(fā)動機的超溫停車,嚴(yán)重的限制著飛機的飛行。提供足夠的壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性裕度以保證在飛行包線范圍內(nèi)安全飛行是一個重要問題。這需要在發(fā)動機的高推力、低油耗、長壽命與滿意的穩(wěn)定裕度之間權(quán)衡、折中。以往在發(fā)動機方案設(shè)計和工程設(shè)計階段原則上不可能獲得進(jìn)氣畸變對發(fā)動機影響的試驗數(shù)據(jù),并且進(jìn)氣畸變對發(fā)動機穩(wěn)定性及性能影響的試驗大部分是地面試驗或高空臺試驗。而對于實際空中進(jìn)氣畸變對發(fā)動機的穩(wěn)定性及性能影響較少。通過飛行試驗和地面試驗數(shù)據(jù)的相互補充,可對推進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)做出評價,可在不對畸變產(chǎn)生的不利影響的前提下改善性能,為將來推進(jìn)系統(tǒng)的修改和新機的發(fā)展提供數(shù)據(jù)庫。

    1 飛行試驗方法及測量設(shè)備

    試驗中進(jìn)行不同飛行姿態(tài)的組合來研究,這些飛行動作包括穩(wěn)態(tài)攻角和側(cè)滑角飛行、攻角正負(fù)變化。所有的試驗狀態(tài)下發(fā)動機處于中間狀態(tài)和最大加力狀態(tài)之間變化,以保證發(fā)動機的換算空氣流量保持不變。當(dāng)達(dá)到要求的試驗條件,在發(fā)動機油門桿保持穩(wěn)定的同時,通過安裝在進(jìn)氣道出口和發(fā)動機進(jìn)口轉(zhuǎn)接段位置上的測量耙來對進(jìn)口流場進(jìn)行動穩(wěn)態(tài)壓力測量,記錄所需要的數(shù)據(jù)。

    圖1 測量耙測點示意圖

    安裝在進(jìn)氣道出口總壓測量耙是由周向均勻分布的6支測量耙組成的“水”字型耙,每支耙臂都裝有1個動態(tài)壓力、5個穩(wěn)態(tài)壓力測量點,穩(wěn)態(tài)點按等環(huán)面分布,動態(tài)點位于0.9R處。由于耙體結(jié)構(gòu)引起的最大面積堵塞比不大于4.6%,不影響發(fā)動機性能對空氣流量的要求,國外同類產(chǎn)品阻塞比有8%的數(shù)據(jù),因此是允許的。

    2 計算方法

    2.1 畸變計算

    發(fā)動機進(jìn)口流場的畸變程度用綜合畸變指數(shù)來評定:

    式中:為總壓的周向不均勻度;為進(jìn)口的面平均總壓脈動紊流度。

    2.2 平行壓氣機模型的建立

    進(jìn)氣周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變對發(fā)動機氣動穩(wěn)定性的影響可以由簡單平行壓氣機模型解釋。假設(shè):

    1)工作于低壓區(qū)和高壓區(qū)的壓氣機視為各自獨立工作互不相干涉的子壓氣機,并且具有相同的特性曲線。

    2)在壓氣機的進(jìn)口總壓不均勻,但靜壓均勻,壓氣機出口靜壓均勻。

    3)當(dāng)一個子壓氣機喘振時機認(rèn)為整個壓氣機喘振。

    根據(jù)壓力測量耙所測得壓力分布,將發(fā)動機進(jìn)口壓力分為高壓區(qū)和低壓區(qū)。假設(shè)每一子扇區(qū)為平行的流管,從進(jìn)口通過壓氣機順著流路到出口。該被試發(fā)動機為雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機,低壓壓氣機級數(shù)少,在低壓壓氣機后產(chǎn)生的溫度、壓力畸變較快,高壓級數(shù)較多,這樣高壓壓氣機就會對低壓壓氣機的參數(shù)產(chǎn)生影響,但采用平行壓氣機模型后,可以認(rèn)為互不干涉,即低壓壓氣機的出口條件為高壓壓氣機的進(jìn)口條件。

    2.3 工作參數(shù)計算

    依據(jù)平行壓氣機模型,利用均勻進(jìn)氣渦扇發(fā)動機共同工作方程的方法,對畸變時發(fā)動機的氣動穩(wěn)定性和性能進(jìn)行計算。在進(jìn)氣時,各子壓氣機均勻進(jìn)氣,沒有周向摻混,各高壓子壓氣機以各低壓子壓氣機的出口條件為進(jìn)口條件。在各高壓壓氣機出口,假象存在一個混合室,各子壓氣機流出的壓強、速度在假想混合室內(nèi)均勻比混合。最后流過發(fā)動機其它部件,完成熱力循環(huán)。

    高壓壓氣機的進(jìn)氣條件為風(fēng)扇的出口的核心發(fā)動機,外涵道出口流場均勻。根據(jù)平行壓氣機原理,可知均勻進(jìn)氣與畸變時的區(qū)別就在子壓氣機的計算,畸變時將原壓氣機分為多個平行的子壓氣機,分別計算。其余部件的計算與均勻進(jìn)氣時是相同的。

    發(fā)生畸變時,最先受到畸變氣流影響的就是風(fēng)扇,這里以低壓風(fēng)扇的計算為例。通過進(jìn)氣測量參數(shù),可知各子壓氣機的進(jìn)氣條件。各子壓氣機的計算與均勻進(jìn)氣壓氣機是相同的。根據(jù)測量耙上的所測得各低壓子壓氣機的P1i*、T1i*,采用面積平均方法來計算發(fā)動機的進(jìn)口空氣流量,如下式:

    式中:為各子壓氣機的進(jìn)口總壓;為各子壓氣機截面積;為進(jìn)口總溫。

    3 試驗結(jié)果及分析

    將進(jìn)氣道出口的總壓分布作為發(fā)動機進(jìn)口邊條件如果發(fā)動機不失穩(wěn) 則根據(jù)求解后的流場算出發(fā)動機的推力和耗油率并和均勻進(jìn)氣條件下的結(jié)果進(jìn)行比較就能得到穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)對發(fā)動機性能的影響。

    現(xiàn)以發(fā)動機在最大狀態(tài),高度11 km,馬赫數(shù)1.1時,綜合畸變指數(shù)W=0.05為例,比較進(jìn)氣畸變對發(fā)動機共同工作線和性能的影響,并于均勻進(jìn)氣時的值進(jìn)行比較。

    圖1 均勻進(jìn)氣與畸變進(jìn)氣時風(fēng)扇壓比和發(fā)動機進(jìn)口流量關(guān)系圖

    圖1表示畸變進(jìn)氣和均勻進(jìn)氣時,渦扇發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)共同工作線在風(fēng)扇特性圖上的分布位置。從圖1可以看出,畸變進(jìn)氣與均勻進(jìn)氣時相比較,畸變進(jìn)氣時的風(fēng)扇的共同工作線上移,發(fā)動機的穩(wěn)定工作范圍變小,穩(wěn)定裕度變小。這點根據(jù)假設(shè)(2)可知兩個子壓氣機的出口靜壓是相同的,但此時的進(jìn)口總壓不同,其總靜壓升系數(shù)也就必然不同,進(jìn)口總壓低的子壓氣機的壓升系數(shù)高并且工作點靠近均勻進(jìn)氣時的穩(wěn)定邊界。再由基本假設(shè)(3)可知,當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)的子壓氣機的工作點進(jìn)入喘振邊界時,就認(rèn)為整臺壓氣機達(dá)到了失穩(wěn)點。因此說,總壓畸變使壓氣機的穩(wěn)定裕度降低。

    圖2給出了發(fā)動機在同一工況下,均勻進(jìn)氣與畸變進(jìn)氣時發(fā)動機推力和耗油率。從圖中可以看出,畸變進(jìn)氣時推力減小、耗油率增大。推力減小是因為畸變后發(fā)動機的流量和壓比與均勻進(jìn)氣時相比,都要小。而耗油率變大時因為畸變時發(fā)動機渦輪前進(jìn)氣溫度增大,導(dǎo)致燃油消耗量增大引起的。

    圖2 均勻進(jìn)氣與畸變進(jìn)氣時推力及油耗對比分析圖

    4 結(jié)論

    通過對畸變進(jìn)氣與均勻進(jìn)氣下某型渦扇發(fā)動機的性能和氣動穩(wěn)定性進(jìn)行分析比較,得出以下結(jié)論。

    1)進(jìn)氣畸變飛行試驗是分析進(jìn)氣畸變對壓氣機穩(wěn)定性和性能影響的重要技術(shù)手段。進(jìn)氣畸變試驗的主要目的是確定風(fēng)扇進(jìn)氣畸變特性,并深入認(rèn)識進(jìn)氣畸變影響的機制,促進(jìn)理論模型和計算方法的發(fā)展。

    2)進(jìn)氣總壓畸變對壓氣機穩(wěn)定性及性能會產(chǎn)生不利的影響,一般來說,對高轉(zhuǎn)速的影響大于低轉(zhuǎn)速。

    參考文獻(xiàn)

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