基于試車試驗的渦軸發(fā)動機(jī)整機(jī)喘振裕度研究

余 雙，李本威，林學(xué)森，伍 恒

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001）

隨著海軍航空兵遂行任務(wù)的多樣化，直升機(jī)因其特殊的沿海部署環(huán)境對渦軸發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作提出了更高的要求。由于復(fù)雜的海陸流場和高濕、高鹽霧等嚴(yán)苛惡劣的氣候環(huán)境，發(fā)動機(jī)的工作線靠近喘振邊界，在特定情況下極易引發(fā)失速喘振。因此，對渦軸發(fā)動機(jī)整機(jī)喘振裕度的研究就顯得十分必要。

國際上，美國從20世紀(jì)80年代起開展“IHPTET”計劃[1-2]，之后又開展了“VAATE”計劃以提高飛行器系統(tǒng)的整體綜合性能，其中就包括對提高發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性的技術(shù)研究。一方面，國外學(xué)者努力研究發(fā)動機(jī)防喘規(guī)律、消喘機(jī)制和控制系統(tǒng)設(shè)計，另一方面，工程師們嘗試對壓氣機(jī)等進(jìn)行改型設(shè)計，從結(jié)構(gòu)上試圖提高發(fā)動機(jī)的喘振裕度。Wennerstrom[3-4]曾嘗試大小葉片轉(zhuǎn)子技術(shù)，但限于當(dāng)時技術(shù)水平，試驗結(jié)果并不理想。近年來，隨著制造工藝和設(shè)計水平的提升，該技術(shù)也在“IHPTET”計劃中有所體現(xiàn)[5]，國內(nèi)研究人員應(yīng)用低速模擬等手段進(jìn)行仿真設(shè)計研究，取得了不錯的成果[6-7]。另外，Denton、Benni、Jin等[8-10]從壓氣機(jī)葉型變化的角度研究其對發(fā)動機(jī)喘振裕度的影響。

國內(nèi)關(guān)于發(fā)動機(jī)喘振裕度取得的研究成果也十分豐碩。在數(shù)值仿真方面，呂從鵬等[11]通過三維數(shù)值模擬指出彎掠葉片技術(shù)能提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。劉前智[12]對壓氣機(jī)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)估并驗證其喘振裕度。嚴(yán)明等[13]采用三維粘性數(shù)值模擬分析了大小葉片轉(zhuǎn)子對壓氣機(jī)性能的提升。林學(xué)森等[14]通過定義性能退化因子討論了其對壓氣機(jī)喘振裕度的影響。在試驗方面，苗潤田、唐智明等[15]在葉片上刻花紋，有效地提高了壓氣機(jī)效率和喘振裕度。李傳鵬等[16]實驗研究了旋轉(zhuǎn)進(jìn)氣畸變對壓氣機(jī)喘振裕度的影響。李應(yīng)紅等[17]通過試驗驗證調(diào)整靜葉安裝角能有效擴(kuò)大發(fā)動機(jī)的喘振裕度。

某渦軸發(fā)動機(jī)在外場使用過程中，喘振裕度偏低，多次出現(xiàn)偶發(fā)喘振或前喘征兆等現(xiàn)象。為提高發(fā)動機(jī)的抗畸變能力，嘗試對壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了先進(jìn)性設(shè)計改造，并設(shè)置放氣活門。在該系列發(fā)動機(jī)型號研制過程中，尚未進(jìn)行該改型的整機(jī)喘振裕度試驗研究。本文針對改型機(jī)在壓氣機(jī)抗畸變能力上的評定，為確定改型機(jī)的整機(jī)喘振裕度，進(jìn)行試車試驗，主要考察其整個工作范圍和設(shè)計工況點(diǎn)的喘振裕度。

1 試驗設(shè)備及試驗過程簡介

1.1 臺架設(shè)備及測試系統(tǒng)

改型機(jī)的整機(jī)喘振裕度試驗依托國內(nèi)某型渦軸發(fā)動機(jī)工廠提供試車臺進(jìn)行。根據(jù)發(fā)動機(jī)試車及驗收技術(shù)規(guī)范，使用驗收合格、技術(shù)狀態(tài)良好的改型發(fā)動機(jī)。試車前臺架系統(tǒng)，試車過程中使用的儀器、儀表均經(jīng)過標(biāo)定和校驗，主要?dú)鈩訁?shù)測量精度見表1。

表1 試車臺參數(shù)測量精度表Tab.1 Test accuracy of aerodynamic parameters

試驗以工廠試車臺為基礎(chǔ)，并聯(lián)合喘振裕度測試系統(tǒng)進(jìn)行。發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)等相關(guān)參數(shù)的采集通過試車臺和喘振裕度測試系統(tǒng)加裝的截面測量耙獲得。采集的發(fā)動機(jī)參數(shù)主要有：燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速、自由渦輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)口空氣流量（流量管靜壓）、離心壓氣機(jī)出口總壓、離心壓氣機(jī)出口總溫、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度等。發(fā)動機(jī)和整機(jī)喘振裕度測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)整機(jī)喘振裕度測試系統(tǒng)Fig.1 Test system of engine surge margin

1.2 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子改進(jìn)措施

由于原型機(jī)在外場使用過程中，其喘振裕度表現(xiàn)不夠理想。參考壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的制造工藝及結(jié)構(gòu)，嘗試對其應(yīng)用了大小葉片技術(shù)。具體改進(jìn)措施：在來流方向第一級轉(zhuǎn)子的輪轂后緣，依次間設(shè)小型葉片，如圖2所示。

圖2 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子改進(jìn)措施Fig.2 Improvement measure in compressor rotor

1.3 試驗測試工況

考慮發(fā)動機(jī)外場的常用工作狀態(tài)，試驗選取發(fā)動機(jī)的不同穩(wěn)定工況點(diǎn)，如表2所示。對發(fā)動機(jī)試車按表2各試驗狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行2min后，記錄發(fā)動機(jī)性能參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)。試車過程中對發(fā)動機(jī)振動進(jìn)行超限監(jiān)控。

表2 發(fā)動機(jī)試驗工作狀態(tài)相對轉(zhuǎn)速表Tab.2 Condition points relative tachometer of engine test

表2中：ng,c為燃?xì)鉁u輪換算轉(zhuǎn)速；nsd,c為自由渦輪換算轉(zhuǎn)速。表2中數(shù)據(jù)均參考發(fā)動機(jī)設(shè)計點(diǎn)進(jìn)行了歸一化處理。為避免轉(zhuǎn)速混淆，若如特殊說明，文中出現(xiàn)轉(zhuǎn)速即為燃?xì)鉁u輪換算轉(zhuǎn)速。

發(fā)動機(jī)試車過程中曾遇到諧振點(diǎn)，通過微調(diào)轉(zhuǎn)速避開諧振點(diǎn)。試驗過程中由于溫度限制，發(fā)動機(jī)未能達(dá)到設(shè)計點(diǎn)換算轉(zhuǎn)速狀態(tài)，因此設(shè)計點(diǎn)喘振裕度采用該發(fā)動機(jī)驗收試車時實際試車值計算確定。

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理方法

喘振裕度計算式為：

式（1）中：πc,s、qc,s分別為與工作點(diǎn)所在換算轉(zhuǎn)速對應(yīng)的喘振邊界點(diǎn)的壓比、換算空氣流量；πc,o、qc,o為各狀態(tài)工作點(diǎn)的壓比、換算空氣流量[18]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 整機(jī)喘振裕度的測算

根據(jù)試驗過程中錄取的發(fā)動機(jī)在各換算轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的空氣流量、壓比，求出改型機(jī)相對轉(zhuǎn)速0.85～1.005工作狀態(tài)點(diǎn)相應(yīng)的壓比和換算流量，并計算相應(yīng)狀態(tài)點(diǎn)的喘振裕度，如表3所示。

結(jié)合壓氣機(jī)部件特性試驗獲取的改型壓氣機(jī)通用特性圖上繪制出改型機(jī)的整機(jī)穩(wěn)態(tài)共同工作線，如圖3所示。

表3 改型機(jī)整機(jī)喘振裕度Tab.3 Surge margin of modified engine

圖3 改型機(jī)穩(wěn)態(tài)工作線Fig.3 Steady state working line of modified engine

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，改型機(jī)各轉(zhuǎn)速狀態(tài)下穩(wěn)定工況點(diǎn)與喘振邊界相比均存在較大裕度。在壓比4.0左右共同工作線的折疊可以清楚看到放氣活門的調(diào)節(jié)作用。在低轉(zhuǎn)速下由于放氣活門的打開，明顯使發(fā)動機(jī)共同工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振邊界向空氣流量增大的方向移動，擴(kuò)大了發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下的喘振裕度；在高轉(zhuǎn)速下喘振裕度較大，關(guān)閉放氣活門有利于提高壓氣機(jī)效率，從而提高了發(fā)動機(jī)的工作性能。

2.2 全工作范圍內(nèi)與原型機(jī)的對比分析

對比原型機(jī)的喘振裕度，其相對轉(zhuǎn)速0.85～1.005工作狀態(tài)點(diǎn)相應(yīng)的壓比、換算空氣流量及其喘振裕度計算由前期工廠相關(guān)試驗獲得，如表4所示。據(jù)此，繪制出發(fā)動機(jī)改進(jìn)設(shè)計前后在整個工作范圍內(nèi)的整機(jī)喘振裕度變化情況，如圖4所示。顯然易見，在各處工況點(diǎn)，改型機(jī)的換算壓比和流量，均高于同換算轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的原型機(jī)，說明壓氣機(jī)改進(jìn)后其整機(jī)的氣體流通能力增強(qiáng)，壓氣機(jī)工作性能有所提升。在整個工作范圍內(nèi)與原型機(jī)相比，改型機(jī)的整機(jī)喘振裕度平均提高了40.3%；在相對換算轉(zhuǎn)速0.85處，其整機(jī)喘振裕度最高提高了61.1%；在相對換算轉(zhuǎn)速0.95處，其整機(jī)喘振裕度最低提高了21.3%。

表4 原型機(jī)整機(jī)喘振裕度Tab.4 Surge margin of prototype engine

圖4 發(fā)動機(jī)整個工作范圍喘振裕度Fig.4 Surge margin of the entire working range

試驗證明，對改型機(jī)應(yīng)用大小葉片轉(zhuǎn)子技術(shù)，在發(fā)動機(jī)第一級轉(zhuǎn)子輪轂后緣增設(shè)小葉片，其改進(jìn)措施是有效的。在原型機(jī)葉片流道內(nèi)，由于慣性作用，氣體流動時最容易在葉片的后緣出現(xiàn)分離現(xiàn)象。因此，在此處增設(shè)小葉片，可以有效減小葉片后半部分的氣動負(fù)荷，抑制葉片后緣的氣體分離現(xiàn)象，并且可以避免因增加全弦長葉片引起流道堵塞、效率降低和重量增加。另一方面，小葉片的應(yīng)用，可以細(xì)化葉柵槽道中的氣流擴(kuò)散，重新建立和分配2個通道內(nèi)流量和負(fù)荷的平衡，控制大葉片表面的氣體流動和壓力分布，使其流場梯度過渡更加均勻，因而在維持較高的氣動穩(wěn)定性的同時提高了壓氣機(jī)的工作性能。

2.3 設(shè)計點(diǎn)整機(jī)喘振裕度的統(tǒng)計計算

針對發(fā)動機(jī)設(shè)計轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)喘振裕度的確定計算，獲取8臺改型機(jī)進(jìn)行設(shè)計點(diǎn)工況測量試驗。試驗過程中，出現(xiàn)發(fā)動機(jī)因為溫度限制未能達(dá)到設(shè)計點(diǎn)轉(zhuǎn)速狀態(tài)，相應(yīng)地，設(shè)計點(diǎn)喘振裕度的計算采用該臺發(fā)動機(jī)驗收試車時錄取的起飛狀態(tài)換算空氣流量、壓比進(jìn)行統(tǒng)計計算。同時，為了統(tǒng)一計算標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計點(diǎn)喘振邊界采用改型機(jī)的組合壓氣機(jī)試驗數(shù)據(jù)。

根據(jù)組合壓氣機(jī)試驗結(jié)果，取計算量πc,s=6.871、qc,s=6.314。

針對發(fā)動機(jī)在設(shè)計轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的整機(jī)喘振裕度，考察8臺改型機(jī)在設(shè)計轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的性能參數(shù)，統(tǒng)一喘振邊界線計算標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行整機(jī)喘振裕度計算。設(shè)計點(diǎn)喘振裕度統(tǒng)計計算如表5所示。顯而易見，8臺改型機(jī)的整機(jī)喘振裕度數(shù)值均處于較高水平。

統(tǒng)計分析，整機(jī)喘振裕度平均值為16.21%，最大值為18.44%，最小值為14.66%，均高于表4中原型機(jī)設(shè)計轉(zhuǎn)速點(diǎn)喘振裕度10.65%。由此可以看出，改型機(jī)在設(shè)計轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的抗畸變能力有較大改善。

表5 8臺改型機(jī)設(shè)計點(diǎn)整機(jī)喘振裕度Tab.5 Design point surge margin of 8 modified engines

3 結(jié)論

本文結(jié)果直接來源于該型發(fā)動機(jī)工廠試車的試驗數(shù)據(jù)，對于該型號后續(xù)的研制中，從改進(jìn)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，提高整機(jī)喘振裕度提供重要的數(shù)據(jù)參考和技術(shù)儲備。

1）對原國產(chǎn)發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，成功應(yīng)用了大小轉(zhuǎn)子葉片技術(shù)。與原型機(jī)相比，改型機(jī)在全工作范圍內(nèi)的整機(jī)喘振裕度平均提升了40.3%，最高達(dá)到61.1%。

2）考慮8臺改型機(jī)的設(shè)計點(diǎn)工況，其整機(jī)喘振裕度由原型機(jī)的10.65%提升至改型機(jī)的16.21%，平均增幅達(dá)到52.5%。

需要指出的是，鑒于發(fā)動機(jī)試車的準(zhǔn)備周期和試驗成本，試驗對某臺改型機(jī)進(jìn)行全工況點(diǎn)測試，對8臺改型機(jī)進(jìn)行設(shè)計工況點(diǎn)測試，獲得的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)極其有限。考慮整機(jī)進(jìn)行喘振邊界測量和溫度限制等存在較大風(fēng)險，因此沿用部件級喘振邊界。今后相關(guān)參數(shù)的研究仍需進(jìn)行更多試驗。