整機(jī)匹配對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高度溫度特性影響研究

唐曉毅 張?chǎng)?劉淵 余雅琪

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)中的旋轉(zhuǎn)部件包括壓氣機(jī)和渦輪，壓氣機(jī)和渦輪的共同工作很大程度上決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)劣，在研制過(guò)程中需要通過(guò)調(diào)整部件的匹配實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能最優(yōu)。對(duì)于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)常采用的自由渦輪式單轉(zhuǎn)子核心機(jī)構(gòu)型，整機(jī)性能匹配主要包括對(duì)以下3個(gè)匹配參數(shù)組合：壓氣機(jī)導(dǎo)葉規(guī)律、燃?xì)鉁u輪導(dǎo)向器喉部面積、動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器喉部面積。周勇[1]通過(guò)調(diào)整燃?xì)鉁u輪導(dǎo)向器和動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器喉部面積，解決了制造偏差導(dǎo)致的性能偏低問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)最大連續(xù)狀態(tài)功率提高3.3%。王華青[2]針對(duì)雙軸式渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高低壓渦輪和噴口喉部面積進(jìn)行了匹配研究，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)匹配問(wèn)題。蔡建兵[3]通過(guò)對(duì)燃?xì)鉁u輪導(dǎo)向器、動(dòng)力渦輪一級(jí)導(dǎo)向器、壓氣機(jī)及壓氣機(jī)徑向擴(kuò)壓器的調(diào)試，提出了一種可行的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能調(diào)試方法。可見(jiàn)，整機(jī)匹配對(duì)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有較大的工程意義。

在高原和高溫環(huán)境下，因空氣密度稀薄，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)功率衰減較多，直升機(jī)需求功率也相對(duì)增大，往往也是發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求最嚴(yán)苛的環(huán)境，通常對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)功率需求最高。整機(jī)匹配技術(shù)僅需對(duì)部件做小幅調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的匹配，具有代價(jià)小，簡(jiǎn)便易行的優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在高原高溫環(huán)境下功率需求更高的問(wèn)題，通過(guò)仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究整機(jī)匹配對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)工作參數(shù)的影響，為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)高原高溫環(huán)境功率提升提供技術(shù)途徑。

1.整機(jī)匹配參數(shù)影響研究

1.1 整機(jī)性能模型的建立

某典型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)包括燃?xì)獍l(fā)生器和自由渦輪兩個(gè)轉(zhuǎn)子，組合式壓氣機(jī)軸流級(jí)導(dǎo)葉可調(diào)，以其研究對(duì)象，其本文采用部件法[4-6]建立該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能模型，因發(fā)動(dòng)機(jī)高度溫度特性評(píng)估需進(jìn)行全包線性能計(jì)算，采用其高空模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正模型提高計(jì)算精度。修正后的整機(jī)性能模型在最大狀態(tài)的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比如表1所示。

表1 整機(jī)模型計(jì)算精度驗(yàn)證

采用修正后的整機(jī)計(jì)算模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔4.5km高度下的最大狀態(tài)溫度特性進(jìn)行了仿真，如圖1所示。圖中在低進(jìn)氣溫度環(huán)境（T0<0℃）發(fā)動(dòng)機(jī)功率受換算轉(zhuǎn)速限制，輸出功率隨大氣溫度降低而下降；在高進(jìn)氣溫度環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)功率受燃?xì)鉁囟萒t45限制，輸出功率隨大氣溫度上升而下降。

圖1 海拔4.5km發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)功率溫度特性

1.2 壓氣機(jī)導(dǎo)葉規(guī)律影響研究

當(dāng)代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)規(guī)律通常為發(fā)動(dòng)機(jī)換算轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉角度的函數(shù)關(guān)系，導(dǎo)葉角度大小直接影響壓氣機(jī)工作轉(zhuǎn)速下的流量。某發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究表明，壓氣機(jī)進(jìn)口零級(jí)導(dǎo)葉角度變化±5°范圍內(nèi)，導(dǎo)葉開(kāi)度開(kāi)大1°，等換算轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)進(jìn)氣流量增大約0.85%，壓比和效率基本保持不變。

以某發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，采用本文建立的某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能模型，開(kāi)展壓氣機(jī)導(dǎo)葉規(guī)律對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的影響研究，計(jì)算時(shí)給定動(dòng)力渦輪前溫度Tt45為最大狀態(tài)額定值，其余參數(shù)不做限制。

圖2給出了海平面、標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下僅壓氣機(jī)導(dǎo)葉規(guī)律變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)工作參數(shù)的影響。從圖中可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)下，壓氣機(jī)零級(jí)導(dǎo)葉開(kāi)度變化：

（1）與功率、流量、壓氣機(jī)壓比和效率的變化呈線性正相關(guān)；

（2）與工作轉(zhuǎn)速變化呈線性負(fù)相關(guān)；

（3）燃?xì)鉁u輪膨脹比基本保持不變。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)零級(jí)導(dǎo)葉開(kāi)度Ang0增大使得某發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速降低，使工作點(diǎn)往壓氣機(jī)高效率區(qū)移動(dòng)；導(dǎo)葉開(kāi)度減小，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速大幅上升，偏離壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，故工作點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低較多。壓氣機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度增加對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升略有好處，每增加1°將使得發(fā)動(dòng)機(jī)功率約增大0.25%、工作轉(zhuǎn)速降低0.25%。

圖2 海拔4.5km發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)功率溫度特性

1.3 動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器喉部面積影響研究

圖3給出了動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)QPT變化對(duì)整機(jī)匹配的影響，流函數(shù)QPT變化在-5%～2.5%，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率隨流函數(shù)增加而增大，在2.5%～5.0%則隨流函數(shù)增加而下降，這種趨勢(shì)是由于發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)工作轉(zhuǎn)速通常接近100%發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，動(dòng)力渦輪流函數(shù)增加將使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速線性增加，壓氣機(jī)進(jìn)入堵塞工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升而空氣流量和壓比增加較少，且壓氣機(jī)效率也逐漸下降，燃?xì)庾龉δ芰档?。從圖3可見(jiàn)，動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)增加1%，工作轉(zhuǎn)速升高0.8%。

圖3 動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器流通能力變化對(duì)整機(jī)匹配影響

2.整機(jī)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)匹配方法

從壓氣機(jī)導(dǎo)葉規(guī)律和動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)對(duì)最大狀態(tài)的工作參數(shù)影響趨勢(shì)和大小均不一致，難以通過(guò)簡(jiǎn)單分析得到最優(yōu)匹配方案，需通過(guò)多參數(shù)綜合分析確定最優(yōu)方案。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)通常以海平面、標(biāo)準(zhǔn)天大氣條件最大狀態(tài)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，因此整機(jī)匹配優(yōu)化選擇某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)功率為分析目標(biāo)，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)法開(kāi)展動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)和壓氣機(jī)流通能力綜合匹配。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示，得到評(píng)估結(jié)果如圖4所示。

表2 整機(jī)匹配分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

圖4 整機(jī)匹配參數(shù)對(duì)最大狀態(tài)功率（云圖）、工作轉(zhuǎn)速（等值線）影響

從圖5中可見(jiàn)，在原設(shè)計(jì)方案，僅通過(guò)增加壓氣機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度使發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升幅度最大僅1%。若同步增大動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)，功率提升幅度可到4%，如圖4右上角區(qū)域所示。僅增加壓氣機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度和僅縮小動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)均能使最大狀態(tài)工作轉(zhuǎn)速降低，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在合適的轉(zhuǎn)速。

實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升均具有多種組合方案，結(jié)合圖1中發(fā)動(dòng)機(jī)在高原環(huán)境的溫度特性可知，最大工作狀態(tài)在低溫環(huán)境容易進(jìn)入換算轉(zhuǎn)速限制，在熱天環(huán)境容易進(jìn)入渦輪前溫度Tt45限制。為對(duì)比不同匹配方案對(duì)最大狀態(tài)高度/溫度特性的影響，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中選擇的3種方案如圖中所示方案A/B/C，各方案的匹配方案及結(jié)果如表3所示。

表3 整機(jī)匹配方案（0km、ISA）

2.2 高度/溫度特性對(duì)比分析

對(duì)表3中各整機(jī)匹配方案開(kāi)展最大狀態(tài)功率高度/溫度特性計(jì)算，評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)在不同大氣條件下的性能表現(xiàn)。圖5為ISA大氣條件下各方案的功率對(duì)比情況，在海平面，方案A較原方案功率提升了4%，隨著海拔升高，環(huán)境溫度逐漸降低，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入換算轉(zhuǎn)速限制，方案A工作轉(zhuǎn)速較原方案高，故方案A在海拔2km以上最大狀態(tài)功率僅原方案提升0.5%；方案B工作轉(zhuǎn)速與原方案一致，故方案B在海拔2km以上保持約3.9%的功率提升；方案C工作轉(zhuǎn)速較原方案降低0.9%，故方案C在高海拔環(huán)境功率提升7.2%。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速較低，不容易進(jìn)入換算轉(zhuǎn)速限制，更有利于在低大氣溫環(huán)境使用。

圖5 ISA大氣條件高度特性對(duì)比

圖6給出了各方案發(fā)動(dòng)機(jī)在海拔4.5km條件下的溫度特性對(duì)比，在低大氣溫度環(huán)境下，與圖5中高度特性一致，受換算轉(zhuǎn)速ngc限制，方案A輸出功率較原方案提升約0.5%，方案B輸出功率較原方案高約3.9%，方案C輸出功率較原方案高約7.2%。在高進(jìn)氣溫度環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)受燃?xì)鉁囟萒t45限制，各方案功率提升幅度與表3一致，發(fā)動(dòng)機(jī)匹配結(jié)果不影響高原功率衰減幅度。以上結(jié)果表明，通過(guò)匹配優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高原低溫環(huán)境溫度特性改善。

圖6 海拔4500米溫度特性

根據(jù)壓氣機(jī)特性可知，增加壓氣機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度將降低發(fā)動(dòng)機(jī)使用穩(wěn)定裕度，如圖7所示，壓氣機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度增大使喘振裕度線性降低，同時(shí)增加動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)可略微改善喘振裕度，匹配方案A、方案B、方案C喘振裕度分別降低了10.3%、-18.5%、25.4%。從圖7也可發(fā)現(xiàn)，若保持發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度基本不變，通過(guò)調(diào)整壓氣機(jī)導(dǎo)葉和動(dòng)力渦輪流函數(shù)匹配關(guān)系改善性能的可行域較小。

圖7 整機(jī)匹配參數(shù)對(duì)最大狀態(tài)功率（云圖）、喘振裕度（等值線）影響

3.結(jié)論

為研究發(fā)動(dòng)機(jī)匹配參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高度/溫度特性的影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)高原高溫性能提升提供技術(shù)途徑，本文以某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，采用小偏差分析，研究了整機(jī)匹配參數(shù)壓氣機(jī)導(dǎo)葉規(guī)律和動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)工作參數(shù)的影響，研究結(jié)果表明。

（1）壓氣機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度變化與發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量變化正相關(guān)、與工作轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)。

（2）動(dòng)力渦輪導(dǎo)向器流函數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)的工作轉(zhuǎn)速影響較大，為正相關(guān)關(guān)系。

采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)法完成了某發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)匹配優(yōu)化，選擇了三種匹配方案進(jìn)行分析，匹配優(yōu)化方案的高度/溫度特性對(duì)比分析表明。

（1）在低進(jìn)氣溫度環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)容易進(jìn)入換算轉(zhuǎn)速限制，工作轉(zhuǎn)速較高的匹配方案功率提升幅度較小，工作轉(zhuǎn)速低的發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升幅度可達(dá)到7.2%。

（2）在高進(jìn)氣溫度環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)受燃?xì)鉁囟萒t45限制，通過(guò)優(yōu)化匹配可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升3.9%，但發(fā)動(dòng)機(jī)匹配不影響高原功率衰減幅度。

綜合以上分析，為改善發(fā)動(dòng)機(jī)低進(jìn)氣溫度環(huán)境功率特性或高度特性，應(yīng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)匹配使其工作在較低轉(zhuǎn)速；通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)匹配可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率小幅度提升，但也需同步關(guān)注匹配結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度的影響。