基于渦軸發(fā)動機性能分析的壓氣機清洗影響研究

譚 巍，楊天南，李 冬，于向財

（1.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺 125001；2.海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110043)

0 引言

大量的研究表明：壓氣機積垢會導(dǎo)致航空發(fā)動機長期運行的性能降低70% ～ 85%[1]，同時，侵蝕也是造成航空發(fā)動機的性能衰退的主要原因之一[2-3]。由此可見，積垢和侵蝕對航空發(fā)動機的壓氣機特別是軸流式壓氣機的性能影響很大[4-6]。而壓氣機清洗不僅可以有效地避免發(fā)動機因長時間運行導(dǎo)致的性能衰退的發(fā)生，而且降低了發(fā)動機發(fā)生故障的幾率，保障發(fā)動機能健康運行，以延長發(fā)動機的實際使用時間[7-11]，使得發(fā)動機產(chǎn)生的效益達到最高。

目前，國內(nèi)外普遍使用的渦軸發(fā)動機建模方法是通過解析法建立渦軸發(fā)動機的數(shù)學(xué)計算模型。解析法建模的方法是根據(jù)渦軸發(fā)動機在實時工作過程中必須遵循的氣動熱力學(xué)規(guī)律，再結(jié)合發(fā)動機各部件的特性方程建立起發(fā)動機模型。Ballin M G 等[12]在1988 年建立了T700 渦軸發(fā)動機的部件級性能仿真數(shù)學(xué)模型。1992 年，佛羅里達Atlantic 大學(xué)的Ahmet Duyar等[13]通過分段辨識的方法，建立了一套T700 渦軸發(fā)動機的簡化線性狀態(tài)空間模型。金洪江[14]基于某型渦軸發(fā)動機的壓氣機、燃燒室、渦輪等部件的部件特性，建立部件級性能計算模型，進行動、穩(wěn)態(tài)仿真，并且依據(jù)該模型初步地研究了該型發(fā)動機的性能特性。梁寧寧[15]首先對某型渦軸發(fā)動機部件級性能仿真數(shù)學(xué)模型進行了分析，在理解渦軸發(fā)動機控制原理的基礎(chǔ)上，進一步明確控制目標(biāo)，研究分析控制規(guī)律。尚東然[16]采用三維數(shù)值模擬軟件CFX，研究了粗糙度對多級壓氣機氣動特性的影響。

本研究壓氣機性能對渦軸發(fā)動機性能的影響，并以發(fā)動機設(shè)計點數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究各部件性能衰退對發(fā)動機性能的影響情況，為視情確定壓氣機的清洗時機提供技術(shù)支撐。

1 穩(wěn)態(tài)模型及其求解

某型渦軸發(fā)動機是雙轉(zhuǎn)子的渦軸發(fā)動機。它由燃氣發(fā)生器和自由渦輪動力輸出裝置兩部分組成。燃氣發(fā)生器由環(huán)形進氣道、混合式壓氣機、環(huán)形燃燒室、兩級反力式整體渦輪組成。其中，自由渦輪輸出裝置由兩級反力式渦輪、齒輪減速器和褲衩形固定尾噴管組成。

在建立渦軸發(fā)動機部件級性能計算模型時，可以根據(jù)渦軸發(fā)動機的氣動熱力過程，將發(fā)動機分解為幾大相對獨立的部件，例如進氣道、壓氣機（包括軸流壓氣機以及離心壓氣機）、燃燒室、燃氣發(fā)生器渦輪、自由渦輪、尾噴管等部件，一般可以通過部件相應(yīng)的特性曲線來描述每一個部件的特性，這些特性曲線一般通過部件試驗來獲取，每一個部件的氣動參數(shù)之間的關(guān)系通過相應(yīng)的特性曲線以及氣動熱力學(xué)方程來共同確定。由發(fā)動機結(jié)構(gòu)圖提取得到該發(fā)動機數(shù)學(xué)模型的原理框圖如圖1 所示。

圖1 渦軸發(fā)動機截面標(biāo)示圖

根據(jù)渦軸發(fā)動機數(shù)學(xué)模型原理框圖，按照發(fā)動機內(nèi)部氣體流動順序依次建立各部件氣動熱力學(xué)方程。渦軸發(fā)動機的正常工作的實現(xiàn)是以各部件的共同工作條件為基礎(chǔ)的，這些共同工作條件為：能量平衡方程，功率平衡方程，流量平衡方程。某型渦軸發(fā)動機的建模過程，則可得如下的共同工作方程：

（1）燃氣渦輪流量連續(xù)方程

2 模型驗證

為驗證本文所建立的渦軸發(fā)動機部件級性能計算模型是否精確，對發(fā)動機設(shè)計點的性能進行計算，并將其與發(fā)動機試車參數(shù)進行比較，試車參數(shù)與計算參數(shù)的比較見表1。

表1 渦軸發(fā)動機性能參數(shù)對比

壓氣機增壓比、燃燒室出口總溫、燃氣渦輪出口總溫、軸功率、耗油率以及扭矩的計算數(shù)據(jù)均大于試車數(shù)據(jù)（表1），其中相對誤差最大的性能參數(shù)為扭矩，達到3.76%。由表1 可見，通過建立的渦軸發(fā)動機性能計算模型所計算得到的發(fā)動機設(shè)計點的各個性能參數(shù)結(jié)果良好，雖然存在一定的誤差，但與試車參數(shù)比較吻合，所建立的發(fā)動機部件級性能計算模型精度較好，能較好地反映發(fā)動機性能。

3 壓氣機性能對發(fā)動機性能影響分析

3.1 100%轉(zhuǎn)速時的影響分析

表2 為100%轉(zhuǎn)速時發(fā)動機性能變化情況。由表2 可知，壓氣機性能的變化對各個發(fā)動機性能參數(shù)均有不同程度的影響，其中影響程度相對較大的性能參數(shù)為壓氣機出口總壓P2與燃燒室出口總壓P3，相對變化率均達到4%以上。清洗后，各個截面溫度都有所下降，各個截面壓力有所上升，軸功率、扭矩等參數(shù)增加，燃油消耗量降低。

表2 渦軸發(fā)動機性能變化

3.2 90%轉(zhuǎn)速時的影響分析

表3 為90%轉(zhuǎn)速時發(fā)動機性能變化。由表可知，90%轉(zhuǎn)速時的發(fā)動機性能參數(shù)的變化參數(shù)趨勢與100%轉(zhuǎn)速時一致。其中，相對變化率較大的性能參數(shù)仍為壓氣機出口總壓與燃燒室出口總壓，相對變化率均達到3%以上，各部件的出口總溫以及耗油率的相對變化率比100%轉(zhuǎn)速時有所增大，各部件的出口總壓以及軸功率、扭矩的相對變化率比100%轉(zhuǎn)速時有所減小。清洗后，各個截面溫度都有所下降，各個截面壓力有所上升，軸功率、扭矩等參數(shù)增加，燃油消耗量降低。

表3 渦軸發(fā)動機性能變化

3.3 80%轉(zhuǎn)速時的影響分析

表4 為80%轉(zhuǎn)速時發(fā)動機性能變化。由表可知，80%轉(zhuǎn)速時的發(fā)動機性能參數(shù)的變化趨勢與其它轉(zhuǎn)速時一致。其中，相對變化率較大的性能參數(shù)仍為壓氣機出口總壓與燃燒室出口總壓，相對變化率均達到1%以上，各個發(fā)動機性能參數(shù)的相對變化率均小于其它轉(zhuǎn)速時的相對變化率。

表4 渦軸發(fā)動機性能變化

4 性能參數(shù)的相關(guān)性分析

隨著渦軸發(fā)動機的使用，發(fā)動機的各部件的性能均發(fā)生一定程度的衰退，并最終導(dǎo)致發(fā)動機性能的衰退。針對某個發(fā)動機性能參數(shù)，各個部件對其的影響程度不同。本文以某型渦軸發(fā)動機設(shè)計點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對部件性能參數(shù)與發(fā)動機性能參數(shù)進行相關(guān)性分析，得出與壓氣機性能參數(shù)相關(guān)度最高的發(fā)動機性能參數(shù)，進而為視情確定壓氣機的清洗時機提供重要的技術(shù)支撐。

表5 相關(guān)系數(shù)

表6 歸一化后的相關(guān)系數(shù)

5 結(jié)語

本文以壓氣機清洗前后的性能數(shù)據(jù)以及渦軸發(fā)動機部件級性能計算模型為基礎(chǔ)，計算得出渦軸發(fā)動機性能的變化情況，分析壓氣機性能的提高對發(fā)動機性能的影響。并以渦軸發(fā)動機設(shè)計點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對發(fā)動機性能參數(shù)與部件性能參數(shù)進行了相關(guān)性分析。研究結(jié)果表明：

（1）清洗后，壓氣機性能的提高將會使得發(fā)動機性能得到改善。發(fā)動機在100%、90%和80%轉(zhuǎn)速時，清洗后，各個截面溫度都有所下降，各個截面壓力有所上升，軸功率、扭矩等參數(shù)增加，燃油消耗量降低，變化量最大的為壓氣機出口總壓與燃燒室出口總壓，不同轉(zhuǎn)速下，相對變化率均在1%以上。

（2）經(jīng)過參數(shù)敏感性分析，相比其它發(fā)動機性能參數(shù)，發(fā)動機的壓氣機出口總壓、燃燒室出口總壓與性能相關(guān)度較高，可以作為監(jiān)測參數(shù)，當(dāng)參數(shù)變化1%時，確定壓氣機清洗時機。