部件性能變化對(duì)大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能的影響

張生，李長(zhǎng)暉，任文成，李泳凡

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

1 引言

國(guó)際上絕大部分軍、民用大型運(yùn)輸機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)都采用直接傳動(dòng)的大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。與軍用小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)相比，大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)需要具有更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。1臺(tái)使用壽命較長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于葉片和機(jī)匣的磨損、侵蝕、間隙變化等諸多因素，最終必然導(dǎo)致其性能惡化。而部件效率降低、流路總壓損失增大會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎所有部件的共同工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程參數(shù)和主要性能數(shù)據(jù)改變，主要表現(xiàn)在在同樣推力條件下耗油率和排氣溫度升高。

本文通過(guò)計(jì)算分析，確定了部件性能變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能的影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)和改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)的匹配方案提供參考，同時(shí)也可以對(duì)未來(lái)產(chǎn)品的返修作指導(dǎo)。

2 計(jì)算說(shuō)明

在大多數(shù)情況下，渦輪進(jìn)口溫度與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的平方近似成正比。因此，控制高壓轉(zhuǎn)速n2能保持發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷不變。因此，對(duì)于大多數(shù)涵道比不是很大的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，都選擇n2作為被控參數(shù)；而對(duì)于涵道比為4以上大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，大部分推力由外涵產(chǎn)生，主要取決于流過(guò)外涵的空氣流量和壓比，而二者由風(fēng)扇轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，因此，對(duì)于大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，控制低壓轉(zhuǎn)速n1比控制高壓轉(zhuǎn)速n2對(duì)推力的影響更有效。本文計(jì)算按照發(fā)動(dòng)機(jī)低壓換算轉(zhuǎn)速=const進(jìn)行控制，參數(shù)變化是在同一低壓換算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行對(duì)比，高壓壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度是在同一高壓換算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行對(duì)比。

計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)在海平面靜止?fàn)顟B(tài)、標(biāo)準(zhǔn)大氣下、臺(tái)架狀態(tài)的節(jié)流特性。節(jié)流范圍為低壓換算轉(zhuǎn)速50%到起飛點(diǎn)。

各部件效率、流路總壓恢復(fù)系數(shù)均按照降低1%進(jìn)行分析。

3 影響分析

3.1 風(fēng)扇外涵效率變化對(duì)性能的影響

風(fēng)扇外涵效率降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)扇外涵效率ηF降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響

高壓壓氣機(jī)工作線的位置只與核心機(jī)工作效率和表征它的作功系數(shù)有關(guān)。當(dāng)風(fēng)扇效率改變時(shí)，高壓共同工作線位置不變；但是當(dāng)高壓轉(zhuǎn)速升高，工作點(diǎn)沿工作線上移，使得渦輪進(jìn)口溫度升高，排氣溫度也升高，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)推力稍有增大，耗油率升高。

3.2 風(fēng)扇內(nèi)涵+增壓級(jí)效率變化對(duì)性能的影響

風(fēng)扇內(nèi)涵+增壓級(jí)效率降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)扇內(nèi)涵+增壓級(jí)效率ηBO降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響

效率降低使內(nèi)涵工作點(diǎn)靠近穩(wěn)定邊界，但由于高壓流通能力增強(qiáng)，綜合因素使部件穩(wěn)定裕度變化很小。

3.3 高壓壓氣機(jī)效率變化對(duì)性能的影響

高壓壓氣機(jī)效率降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響見(jiàn)表3。

表3 高壓壓氣機(jī)效率ηHC降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響

由表3可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速=const時(shí)，高壓壓氣機(jī)效率降低，導(dǎo)致高壓壓氣機(jī)功率增加，大于高壓渦輪可用功率，則高壓轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差減小。

高壓流通能力下降，使得風(fēng)扇內(nèi)涵和增壓級(jí)的壓比增大，穩(wěn)定裕度下降較為明顯。

高壓壓氣機(jī)效率降低，使得渦輪進(jìn)口溫度和排氣溫度上升，耗油率升高。渦輪進(jìn)口溫度升高，導(dǎo)致燃?xì)饧訜岜仍龃?，燃燒室和渦輪流通能力降低，高壓壓氣機(jī)工作線上移，高壓壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度下降。

3.4 高壓渦輪效率變化對(duì)性能的影響

高壓渦輪效率ηHT降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響見(jiàn)表4。

表4 高壓渦輪效率ηHT降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響

3.5 低壓渦輪效率變化對(duì)性能的影響

由表4可知，高壓渦輪效率對(duì)部件共同工作和發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)的影響與高壓壓氣機(jī)效率的影響類似，影響機(jī)理沒(méi)有差別，對(duì)排氣溫度的影響比高壓壓氣機(jī)效率的影響更嚴(yán)重。

低壓渦輪效率降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響見(jiàn)表5。

表5 低壓渦輪效率ηLT降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響

由表5可知，低壓渦輪效率降低會(huì)導(dǎo)致低壓渦輪可用功率小于低壓壓縮系統(tǒng)所需要的功率。若要保持=const，則需高壓轉(zhuǎn)速提高，高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)沿工作線上移，排氣溫度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)推力增大，耗油率升高。

3.6 中介機(jī)匣內(nèi)涵總壓恢復(fù)系數(shù)

而高壓轉(zhuǎn)速提高，則流通能力增強(qiáng)，風(fēng)扇增壓級(jí)的穩(wěn)定裕度略有提高。

中介機(jī)匣內(nèi)涵總壓恢復(fù)系數(shù)降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響見(jiàn)表6。

由表6可知，中介機(jī)匣內(nèi)涵損失增大，則高壓壓氣機(jī)進(jìn)口總壓減小，當(dāng)量高壓進(jìn)口喉道面積減小，風(fēng)扇增壓級(jí)工作線上移。

低壓渦輪膨脹比減小，轉(zhuǎn)差增大。在同一低壓轉(zhuǎn)速下，高壓轉(zhuǎn)速提高，使得內(nèi)涵流通能力增強(qiáng)，綜合作用的結(jié)果是風(fēng)扇內(nèi)涵+增壓級(jí)的穩(wěn)定裕度略有降低。

表6 中介機(jī)匣內(nèi)涵總壓恢復(fù)系數(shù)σC降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響

3.7 渦輪后機(jī)匣總壓恢復(fù)系數(shù)

在中介機(jī)匣內(nèi)涵損失增大和高壓轉(zhuǎn)速提高的綜合作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力基本不變。

渦輪后機(jī)匣總壓恢復(fù)系數(shù)降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響見(jiàn)表7。

表7 渦輪后機(jī)匣總壓恢復(fù)系數(shù)σT降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響

由表7可知，渦輪后機(jī)匣總壓損失增加，導(dǎo)致噴口進(jìn)口前總壓減小，低壓渦輪渦輪膨脹比減小，轉(zhuǎn)差增大。當(dāng)nˉ1R=const時(shí)，高壓轉(zhuǎn)速提高，排氣溫度和耗油率升高。

在渦輪后機(jī)匣損失增大和高壓轉(zhuǎn)速提高的綜合作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力基本不變。

3.8 外涵道總壓恢復(fù)系數(shù)

外涵道總壓恢復(fù)系數(shù)σF降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響見(jiàn)表8。

由表8可知，外涵道總壓損失增加，導(dǎo)致外涵流道的流通能力降低，風(fēng)扇外涵工作線上移，穩(wěn)定裕度減小。風(fēng)扇外涵流量減小，內(nèi)涵流量增大。

表8 外涵道總壓恢復(fù)系數(shù)σF降低1%對(duì)臺(tái)架性能的影響

3.9 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能影響

從以上各部件效率、流路損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力、耗油率以及排氣溫度的影響分析可知，雖然各因素變化量都是1%，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的程度存在很大差異。圖1～3分別為各因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力、耗油率、排氣溫度的影響程度對(duì)比。

4 結(jié)論

對(duì)大涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)：

（2）外涵道總壓損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力影響較大，總壓恢復(fù)系數(shù)降低1%，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力在nˉ1R=const時(shí)減小1%～2%；

（3）在起飛點(diǎn)附近，風(fēng)扇外涵總壓恢復(fù)系數(shù)、低壓渦輪效率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率影響較大，1%的變化使耗油率升高約1.2%；

（4）核心機(jī)部件的效率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度影響較大，其中高壓渦輪效率降低1%，將使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度△T495升高約9～10 K；

（5）只有核心機(jī)部件的效率對(duì)高壓壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度產(chǎn)生了影響，其中高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪的效率降低1%使高壓穩(wěn)定裕度損失約1%；核心機(jī)部件效率降低對(duì)風(fēng)扇內(nèi)涵+增壓級(jí)的穩(wěn)定裕度影響較大。

[1] 高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)文集編委會(huì)，高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)文集（第二分冊(cè)）[M].北京：航空工業(yè)出版社，1991.

[2] 廉小純，航空燃?xì)廨啓C(jī)原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[3] 航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5冊(cè)）[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

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