渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)靜子葉片控制規(guī)律研究

黃愛(ài)華

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空維修工程系，成都610100)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)靜子葉片控制規(guī)律研究

黃愛(ài)華

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空維修工程系，成都610100)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)采用可調(diào)靜子葉片，可改善高壓壓氣機(jī)的工作特性，擴(kuò)大喘振邊界，保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作；通過(guò)優(yōu)化可調(diào)葉片角度控制規(guī)律，還能提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能?；陔p轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的試車(chē)數(shù)據(jù)，介紹了可調(diào)葉片角度的控制方法，研究了可調(diào)葉片角度在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)的控制規(guī)律，分析了打開(kāi)可調(diào)靜子葉片角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。研究表明，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)靜子葉片角度，可以降低高壓轉(zhuǎn)子的物理轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速裕度，降低機(jī)械負(fù)荷，增加發(fā)動(dòng)機(jī)在翼使用時(shí)間。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；高壓壓氣機(jī)；可調(diào)靜子葉片；試驗(yàn)數(shù)據(jù)；高壓物理轉(zhuǎn)速；控制規(guī)律

1 引言

目前，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用了多級(jí)靜子葉片可調(diào)技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)靜子葉片角度，使得轉(zhuǎn)子葉片處于滿意的攻角下工作，從而避免了喘振，并使壓氣機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況下仍能保證轉(zhuǎn)子葉片在基本滿意的攻角下工作，改善了壓氣機(jī)的工作特性，擴(kuò)大了穩(wěn)定工作范圍。如，EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)采用5級(jí)高壓壓氣機(jī)、2級(jí)靜子可調(diào)，CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)采用9級(jí)壓氣機(jī)、4級(jí)靜子可調(diào)，АЛ-31Ф發(fā)動(dòng)機(jī)采用9級(jí)壓氣機(jī)、4級(jí)靜子可調(diào)，E3E核心機(jī)采用9級(jí)高壓壓氣機(jī)、4級(jí)靜子可調(diào)，GE90發(fā)動(dòng)機(jī)采用10級(jí)高壓壓氣機(jī)、5級(jí)靜子可調(diào)[1-3]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)可調(diào)靜子葉片角度和間隙對(duì)壓氣機(jī)性能影響，開(kāi)展了大量的計(jì)算分析和試驗(yàn)研究。研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)壓氣機(jī)靜葉角度，可有效擴(kuò)大壓氣機(jī)工作范圍，提高壓氣機(jī)低速工作區(qū)效率，改善壓氣機(jī)低速工作性能；可調(diào)靜子根尖徑向間隙的存在會(huì)使壓氣機(jī)性能發(fā)生一定衰減，但通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)設(shè)計(jì)，可有效控制靜子間隙對(duì)壓氣機(jī)性能衰減的影響[4-12]。除從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上優(yōu)化可調(diào)靜子葉片外，還通過(guò)可調(diào)靜子葉片的控制方法和控制規(guī)律，尋找合適的控制規(guī)律來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能[13-15]。

本文基于某型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了可調(diào)靜子控制規(guī)律及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)物理轉(zhuǎn)速的影響。

2 可調(diào)靜子葉片控制規(guī)律初步分析

該型雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速N2R25(高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N2相對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)口溫度T25)對(duì)可調(diào)靜子葉片角度進(jìn)行控制，相對(duì)于高壓壓氣機(jī)進(jìn)口溫度(T1)的高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速N2R能更好地反映壓氣機(jī)的工作狀況，利用此信號(hào)控制高壓壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片會(huì)取得更好的效果[16-18]。

該發(fā)動(dòng)機(jī)在試車(chē)臺(tái)運(yùn)行時(shí)，控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)速是修正的低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(N1K)。N1K是實(shí)際低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速根據(jù)運(yùn)行的外界環(huán)境(包括大氣溫度和大氣壓力)修正到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的一個(gè)修正轉(zhuǎn)速。

圖1給出了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，低慢車(chē)轉(zhuǎn)速(發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后進(jìn)入的第一個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài))、高慢車(chē)轉(zhuǎn)速(飛機(jī)降落時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)飛轉(zhuǎn)速)、N1K=3 300 r/min、N1K=4 200 r/min、N1K=4 600 r/min、最大連續(xù)和起飛狀態(tài)，VSV角度(VSVDEG)與N2R25的關(guān)系。從圖中可看出，各個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)下，VSV角度與N2R25有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系(VSVDEG=f(N2R25))，且VSV角度隨著N2R25的增加逐漸減小，即VSV角度逐漸打開(kāi)。

3 高轉(zhuǎn)速VSV控制規(guī)律詳細(xì)分析

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域細(xì)化分析后發(fā)現(xiàn)，N2R25較高時(shí)，即不同推力級(jí)別下的最大連續(xù)和起飛狀態(tài)，VSV角度與N2R25不再是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，同一個(gè)N2R25對(duì)應(yīng)多個(gè)VSV角度，而上邊界呈線性變化，見(jiàn)圖2。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速N2高于14 300 r/min的VSV的控制規(guī)律，與14 300 r/min以下的控制規(guī)律有所不同。

(1)N2低于14 300 r/min的VSV角度控制規(guī)律見(jiàn)圖3，VSV角度變化與N2R25成一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可得到該狀態(tài)下的控制規(guī)律曲線，即VSV角度隨N2R25單值變化：VSVDEG=f(N2R25)。

(2)N2高于14 300 r/min的VSV角度控制規(guī)律如圖4所示，VSV角度在圖3的控制規(guī)律上偏開(kāi)了一定角度。圖4中的黑線就是圖3的控制規(guī)律曲線。

為摸索可調(diào)靜子葉片調(diào)節(jié)規(guī)律，將可調(diào)靜子葉片的數(shù)據(jù)做如下處理：

式中：VSVDEG為實(shí)際VSV角度，VSVCAL為根據(jù)圖3計(jì)算的VSV角度，DIFFVSV為兩者差值。

把高壓壓氣機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與14 300 r/min轉(zhuǎn)速做差值DIFFN2：

DIFFN2=N2-14 300

將兩個(gè)差值數(shù)據(jù)作圖，可看到它們有明顯的線性關(guān)系，如圖5所示。N2高于14 300 r/min時(shí)，按照?qǐng)D3的規(guī)律，VSV會(huì)偏開(kāi)一定角度。

圖6為N2在高轉(zhuǎn)速(14 300±500 r/min)下DIFFN2與DIFFVSV的關(guān)系曲線，其拐點(diǎn)是N2=14 300 r/min。N2高于14 300 r/min的VSV調(diào)節(jié)規(guī)律可表示為VSVDEG=f(N2R25,N2)。

4 高轉(zhuǎn)速VSV角度調(diào)節(jié)規(guī)律對(duì)整機(jī)的影響

根據(jù)起飛穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的試車(chē)數(shù)據(jù)，在N1K恒定的控制規(guī)律下，分析高轉(zhuǎn)速VSV偏開(kāi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

該發(fā)動(dòng)機(jī)在不改變?nèi)魏谓Y(jié)構(gòu)的情況下，通過(guò)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，可以輸出不同的推力級(jí)別以滿足不同推力的裝機(jī)要求。收集試車(chē)所有起飛穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，對(duì)其中的壓氣機(jī)工作點(diǎn)增壓比進(jìn)行分析。該發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓比為高壓壓氣機(jī)出口靜壓pS3與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總壓pT2的比值。圖7給出了高轉(zhuǎn)速時(shí)高壓壓氣機(jī)出口增壓比(PS3Q2)與高壓壓氣機(jī)出口修正溫度(T3R2)的關(guān)系?？梢?jiàn)，N1K恒定的情況下，πc也恒定，即N1K=const?πc=const±0.5。

在N1K恒定、πc也恒定的情況下，可調(diào)放氣活門(mén)與瞬時(shí)放氣活門(mén)已全部關(guān)閉，進(jìn)入低壓壓氣機(jī)的氣流會(huì)全部進(jìn)入到高壓壓氣機(jī)內(nèi)，高壓壓氣機(jī)內(nèi)質(zhì)量流量不變。在高轉(zhuǎn)速VSV角度開(kāi)大后，高壓壓氣機(jī)的增壓比和流量不變的情況下，高壓壓氣機(jī)的換算轉(zhuǎn)速下降，高壓轉(zhuǎn)速的物理轉(zhuǎn)速也隨之下降，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷。

5 結(jié)論

本文基于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)數(shù)據(jù)，研究了VSV在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)的控制規(guī)律，分析了高轉(zhuǎn)速打開(kāi)VSV角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)速的影響。這種VSV角度控制規(guī)律可以降低高壓轉(zhuǎn)子的物理轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速裕度，降低機(jī)械負(fù)荷，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的在翼使用時(shí)間。該發(fā)動(dòng)機(jī)VSV角度控制規(guī)律的設(shè)計(jì)思想，可為同類發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

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Control law of variable stator vane for turbofan engine

HUANG Ai-hua
(Chengdu Aeronautic Polytechnic，Department of Aviation Maintenance Engineering，Chengdu 610100，China)

Variable stator vanes(VSV)are used in aero-engine to improve the characteristics and expand the surge margin of high pressure compressor to ensure stable working of aero-engine.The engine perfor?mance would be advanced by optimizing the angle control law of variable stator vane.Based on the test data of dual-rotor turbofan engine,the angle control method of variable stator vane was introduced,the angle control law of variable stator vane at low and high rotation speed was investigated,and the effect of opening the angle of variable stator vane on the engine performance was analyzed.The results show that through the improvement of the angle of the variable stator vanes at higher high pressure rotor speed,high pressure rotor physical speed and mechanical load could be reduced,rotor rotation speed margin and time on wing of en?gine could be increased.

aero-engine；high pressure compressor；variable stator vane；test data；high pressure rotor physical speed；control law

V233.7

：A

：1672-2620(2017)01-0048-04

2016-04-25；

：2016-10-23

黃愛(ài)華(1968-)，女，四川江安人，副教授，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配與調(diào)試工作。