進(jìn)氣畸變對發(fā)動機穩(wěn)定性和性能影響試驗分析

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。

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