航空發(fā)動機整機超轉(zhuǎn)試驗方法研究

宋興超 彭振宇

摘要：以分排渦扇發(fā)動機為例，理論分析航空發(fā)動機整機超轉(zhuǎn)試驗高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整方法、試驗方法及試驗過程中發(fā)動機控制系統(tǒng)的適應(yīng)性調(diào)整策略。說明轉(zhuǎn)速調(diào)整方法和試驗方法對于發(fā)動機高低壓轉(zhuǎn)速的影響。強調(diào)為保證試驗結(jié)果的有效性，必須通過試驗驗證或者充分的分析論證說明發(fā)動機工作狀態(tài)和技術(shù)狀態(tài)的調(diào)整對試驗結(jié)果不會造成影響。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、整機試驗、控制系統(tǒng)調(diào)整

1 引言

航空發(fā)動機在設(shè)計過程中為保證結(jié)構(gòu)完整性需要進行包含超轉(zhuǎn)試驗等一系列試驗，許多試驗要求發(fā)動機轉(zhuǎn)子在超過穩(wěn)態(tài)最高允許轉(zhuǎn)速條件下進行，比如相關(guān)條款規(guī)定：為了提供轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完整性的必要儲備，轉(zhuǎn)子應(yīng)有足夠強度承受下列非正常狀態(tài)的載荷：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為穩(wěn)態(tài)最高允許轉(zhuǎn)速的115%，并在最高允許測量燃氣溫度下持續(xù)工作5min。

但是在實際情況下這些超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在常規(guī)設(shè)計條件下是無法達到的，比如在高溫天發(fā)動機由于排氣溫度的限制使發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無法達到所需極限轉(zhuǎn)速；由于低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的限制使高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無法達到所需轉(zhuǎn)速，或者由于高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的限制使低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無法達到所需極限轉(zhuǎn)速。因此，就需要采取一些調(diào)整方法、試驗方法來保證發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到試驗要求。

本文以分排渦扇發(fā)動機地面臺架試驗為例，討論整機超轉(zhuǎn)試驗過程中常用的發(fā)動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整方法、試驗方法及其他注意事項。

2 發(fā)動機高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整方法

2.1 改變噴口面積法

改變發(fā)動機噴口面積利用兩套機構(gòu)，其一是利用發(fā)動機上原有的工作狀態(tài)噴口面積，通過調(diào)整噴口的控制規(guī)律來改變?nèi)缂恿?、中間及額定狀態(tài)的噴口面積；其二是在用尾塞機構(gòu)（它可以在任何一種噴口位置上繼續(xù)減小噴口面積，該方法的優(yōu)點是噴口面積的可調(diào)范圍大，缺點是需要在試車臺架上加裝專門的尾塞體及其操縱控制裝置。

對于分排渦扇發(fā)動機可以通過調(diào)整內(nèi)涵噴口面積和外涵噴口面積來調(diào)整高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

減小內(nèi)涵噴口面積，低壓渦輪膨脹比降低，低壓渦輪功將減小，低壓轉(zhuǎn)速有下降的趨勢。若保證低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，則需增加燃燒室燃油流量，提高低壓渦輪前總溫，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高。

減小外涵噴口面積，風(fēng)扇外涵壓比升高，風(fēng)扇外涵流通能力減弱，風(fēng)扇外涵共同工作線上移。一方面外涵壓比的升高使風(fēng)扇所需的功增加；另一方面，外涵空氣流量減少使風(fēng)扇所需的功減少，兩方面中前一因素影響起主導(dǎo)作用。因此隨著外涵噴口面積的減小，風(fēng)扇所消耗的功將增加，在低壓渦輪功不變的條件下，發(fā)動機剩余功率減小，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有下降的趨勢。若保證低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，則必須升高低壓渦輪進口總溫，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高。

可見內(nèi)外涵噴管面積的變化方向?qū)Πl(fā)動機高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差的影響方向是一致的，在保證低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變的條件下若要通過調(diào)整噴口面積提高高壓壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速勢必會使燃油流量增加，渦輪前溫度提高。為了提高高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單純的提高渦輪前溫度即可，但是顯然通過減小內(nèi)涵或外涵噴管面積同時提高渦輪前溫度的方法比較效果更好，因為這不會同步的提高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速限制值不會對高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高造成限制。

2.2調(diào)整可調(diào)靜子葉片角度法

在發(fā)動機其他部件不變的條件下，調(diào)整可調(diào)靜子葉片（VSV）角度實際上影響了發(fā)動機整機的共同工作特性，通過將VSV角度調(diào)整到一個偏關(guān)位置，一方面使高壓壓氣機流量減小，另一方面壓氣機前面幾級可調(diào)靜子葉片的出氣角使壓氣機動葉的氣流攻角減小，從而降低壓氣機的消耗功，在不提高燃油消耗量和渦輪前溫度的情況下提高高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。但是必須注意，將VSV角度偏關(guān)的位置必須在一定范圍內(nèi)，當(dāng)VSV偏關(guān)角度嚴(yán)重偏離設(shè)計角度時，進氣流量的下降會導(dǎo)致壓氣機進口軸向速度過小，壓氣機動葉氣流攻角過大有可能導(dǎo)致壓氣機失速甚至喘振。

2.3調(diào)整可變角度放氣活門角度法

可變角度放氣活門（VBV）是增壓級后的放氣裝置，它的目的主要是提高增壓級的裕度保證發(fā)動機的安全，其放氣量的大小會影響發(fā)動機的工作狀況，在超轉(zhuǎn)試驗中可以借此來調(diào)整發(fā)動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。VBV放氣量增大一方面會增加增壓級進口流量，提高增壓級的流通能力，另一方面它使增壓級的負載增加，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有下降趨勢，使高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差增大。在進行高壓轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)試驗時，可采用增大VBV放氣量的方法，降低低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以避免低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速限制值對提高高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的造成限制。

2.4調(diào)整高壓渦輪導(dǎo)向器喉道面積法

高壓渦輪進口喉道面積直接影響高壓渦輪的渦輪功和高壓壓氣機的流通情況，對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速影響較大。當(dāng)減小喉道面積，則高壓渦輪進口作為前面壓氣機的喉部對壓氣機起到一個節(jié)流作用，導(dǎo)致高壓壓氣機流通能力下降，內(nèi)涵空氣流量有減小的趨勢，在壓氣機特性圖上發(fā)動機共同工作線向上平移；同時喉道面積減小，使高壓渦輪膨脹比增大，最終高壓渦輪膨脹比增大與內(nèi)涵流量的減小相比起主導(dǎo)作用，高壓渦輪功增大，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高。

2.5調(diào)整高壓壓氣機引氣量

高壓壓氣機級間引氣或出口引氣，意味著高壓氣體的流失浪費、核心機流量的減小，會使核心機功率顯著減少，若保證低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，則必須提高渦輪前總溫，使高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高；同時高壓壓氣機級間引氣或出口引氣相當(dāng)于放大了壓氣機出口的流通面積，轉(zhuǎn)速不變的情況下壓氣機壓比降低，消耗功減小，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有提高的趨勢。因此增加高壓壓氣機級間或出口引氣可以提高高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

2.6調(diào)整高壓轉(zhuǎn)子功率分出

高壓轉(zhuǎn)子功率分出可以采用加載飛機交流電機和飛機液壓泵的方法來實現(xiàn)，該負載是通過附件齒輪箱傳遞到高壓轉(zhuǎn)子上的，因此這將會直接降低高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，在進行低壓轉(zhuǎn)子整機超轉(zhuǎn)試驗時，可以通過該方法降低高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以避免高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速限制值對提高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速造成限制。

2.4選擇適宜的環(huán)境溫度

在進行整機超轉(zhuǎn)試驗時，要考慮在適宜的環(huán)境溫度條件下進行，一方面為保證發(fā)動機有足夠的排氣溫度裕度，可以考慮在低溫環(huán)境下進行試驗；另一方面試驗不宜在過低的環(huán)境溫度條件下進行，因為達到相同物理轉(zhuǎn)速時，如果環(huán)境溫度過低則換算轉(zhuǎn)速將變大，甚至遠大于100%設(shè)計轉(zhuǎn)速，高低壓壓氣機可能工作在很不穩(wěn)定的非設(shè)計點。因此必須綜合兩方面的因素綜合確定整機超轉(zhuǎn)試驗適宜的環(huán)境溫度范圍。

3 結(jié)束語

本文論述的發(fā)動機整機超轉(zhuǎn)試驗的調(diào)整方法有可能對發(fā)動機的試驗結(jié)果造成影響，為保證試驗結(jié)果的有效性，必須通過試驗驗證或者充分的分析論證說明發(fā)動機的某些調(diào)整對試驗結(jié)果不會造成影響。試驗過程需增加發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測要求，如發(fā)動機整機振動監(jiān)測、發(fā)動機風(fēng)扇葉尖振幅監(jiān)測、風(fēng)扇/壓氣機脈動壓力監(jiān)測等，以提前檢測影響發(fā)動機安全的不穩(wěn)定因素。

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（作者單位：中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所）