渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件特性擴(kuò)展在起動(dòng)模擬中的應(yīng)用研究

宋興超 齊曉雪

摘要：分析指出了傳統(tǒng)的壓氣機(jī)和渦輪特性描述方法在部件特性擴(kuò)展方面存在的問(wèn)題并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，補(bǔ)充和擴(kuò)展了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速部件特性并將其應(yīng)用到渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程數(shù)學(xué)模型中，計(jì)算結(jié)果較好得模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：壓氣機(jī)；渦輪；部件特性擴(kuò)展

1 引言

1.1 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的氣動(dòng)熱力學(xué)過(guò)程，它涉及到轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、氣動(dòng)熱力學(xué)、傳熱學(xué)等多門(mén)學(xué)科。起動(dòng)過(guò)程中各轉(zhuǎn)動(dòng)部件（風(fēng)扇或壓氣機(jī)、低壓壓氣機(jī)、高壓渦輪、低壓渦輪）主要集中在小轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，數(shù)值模擬發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的方法，都必須依賴(lài)低轉(zhuǎn)速的部件特性，而渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，其流場(chǎng)的氣流速度和攻角變化范圍都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)狀態(tài)，且其工作特性受外界隨機(jī)因素的影響較大，數(shù)值計(jì)算和部件試驗(yàn)都很難獲得準(zhǔn)確的低轉(zhuǎn)速部件特性。因此必須采用可靠有效的計(jì)算方法去補(bǔ)充和擴(kuò)展轉(zhuǎn)動(dòng)部件慢車(chē)轉(zhuǎn)速以下的部件特性。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)部件特性擴(kuò)展

2.1 經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研和嘗試，選擇了采用等β線外推的方法，對(duì)其加以改進(jìn)，事先定義好0轉(zhuǎn)速線對(duì)應(yīng)的特性線，并將原始的效率特性轉(zhuǎn)換為溫比特性。本文以風(fēng)扇外涵特性和高壓渦輪特性外推為例，具體介紹所采用的等β線外推法。

2.2 流量-壓比特性外推

2.2.1 壓氣機(jī)流量-壓比特性外推

2.3 外推的方法是將壓比和流量沿著等β線的延長(zhǎng)線上外推出慢車(chē)以下缺失的數(shù)據(jù)，并確保β值為1的特性線上的終點(diǎn)與（0，1）重合，即0轉(zhuǎn)速線起始于點(diǎn)（0，1）。外推出的等轉(zhuǎn)速線不宜過(guò)多，否則不利于后期調(diào)整修正。外推前后的特性如圖1所示，可以看出，外推出的等轉(zhuǎn)速線是比較平滑的。

2.3.1 渦輪壓比-流量特性外推

為了便于外推以及模型的特性插值計(jì)算，需重新繪制等β線，并按與轉(zhuǎn)速的n次方成線性的關(guān)系給出壓比為1時(shí)對(duì)應(yīng)的換算流量，它的作用是將外推變?yōu)榱藘?nèi)插，提高了外推的準(zhǔn)確性。

再按照等β線外推的方法，將每條等β線上的壓比以與轉(zhuǎn)速的n次方成線性的關(guān)系外插至0轉(zhuǎn)速處的流量，且確保0轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的壓比-流量線起始于圖中的（1，0）點(diǎn)。外推出的結(jié)果如圖2所示，圖中綠色部分為原始特性經(jīng)過(guò)重新繪制β線后的特性，紅色部分為根據(jù)綠色線部分外推出的特性，然后將β值重新定義為從左往右由0到1均勻間隔的向量，即圖中的藍(lán)色線。

3.發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程模擬

通過(guò)傳統(tǒng)的部件級(jí)建模方法結(jié)合等β線特性外推法實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)模型的建立。模型以盡可能提高其保真度的原則，考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)各部件之間的容腔效應(yīng)，能夠模擬地面起動(dòng)過(guò)程，模擬結(jié)果如圖6所示。

4.結(jié)論

本文補(bǔ)充和擴(kuò)展了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速部件特性，建立了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)起動(dòng)模型，可模擬地面狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)從轉(zhuǎn)速為0的初始狀態(tài)加速至慢車(chē)的整個(gè)起動(dòng)過(guò)程，全程采用部件特性計(jì)算，可計(jì)算起動(dòng)全程發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)截面的熱力學(xué)參數(shù)。仿真結(jié)果表明，該模型具有良好的精度。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭緒生. 某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)建模技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2005

[2]周文祥，黃金泉，竇建平. 渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)起動(dòng)模型[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2006，02：248-253.

[3]王占學(xué)，喬渭陽(yáng)，李文蘭，基于部件匹配技術(shù)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬，航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2000，04

[4]劉建勛，李應(yīng)紅，張東方. 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程部件特性的一種改進(jìn)描述[J]. 燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2007，01：13-16.

（作者單位：中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所）