不同插板下的航空發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓力畸變試驗(yàn)

劉作宏，蔡承陽，何志強(qiáng)，許光磊，高磊，楊龍龍

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽 110015）

0 引言

渦扇發(fā)動機(jī)在使用過程中常遇到壓縮系統(tǒng)的氣動不穩(wěn)定性問題。隨著現(xiàn)代高性能發(fā)動機(jī)研發(fā)進(jìn)程不斷推進(jìn)，對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣畸變導(dǎo)致的喘振、超溫等關(guān)鍵問題的解決提出了更高要求。國軍標(biāo)要求：在發(fā)動機(jī)工作包線內(nèi)發(fā)動機(jī)所允許的最嚴(yán)重畸變情況、進(jìn)氣畸變對發(fā)動機(jī)性能和喘振裕度的影響，在規(guī)定的穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣畸變或隨時(shí)間變化的進(jìn)氣畸變及S型進(jìn)氣道出口旋流條件下，發(fā)動機(jī)在整個(gè)工作包線內(nèi)工作應(yīng)無失速、喘振、熄火或任何機(jī)械損傷。

20世紀(jì)70年代，美國科研人員設(shè)計(jì)了多種類型畸變發(fā)生器，以獲得不同類型、不同程度的壓力畸變；孔迪對某型航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行了進(jìn)氣壓力畸變試驗(yàn)研究，獲得了進(jìn)氣畸變條件下選取試驗(yàn)點(diǎn)的發(fā)動機(jī)臨界畸變指數(shù)及相關(guān)氣動參數(shù)的極限值；芮長勝等通過插板進(jìn)氣總壓畸變試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了在進(jìn)氣段采用收斂型和直線型2種進(jìn)氣道對發(fā)動機(jī)進(jìn)口總壓畸變的影響；

趙勇構(gòu)建了進(jìn)氣畸變條件下多級軸流風(fēng)扇、壓氣機(jī)非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能和穩(wěn)定性預(yù)測系統(tǒng)，利用低速雙級軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)器得到了總壓畸變特性；周游天通過插板試驗(yàn)方法，表明軸向速度畸變和周向速度畸變是影響壓氣機(jī)性能的主要因素，轉(zhuǎn)子進(jìn)入畸變區(qū)時(shí)，其后的靜子葉片易產(chǎn)生流動分離，轉(zhuǎn)子離開畸變區(qū)時(shí)，其載荷最大，易產(chǎn)生較大的流動分離；張興發(fā)等通過插板試驗(yàn)進(jìn)行了低速、高亞聲速、跨聲速軸流壓氣機(jī)與畸變發(fā)生器耦合數(shù)值模擬仿真，表明插板角渦對轉(zhuǎn)子葉頂泄漏窩的擾動是影響高亞聲速壓氣機(jī)穩(wěn)定邊界的重要原因。世界各國和航空發(fā)動機(jī)公司均有各自的畸變評定方法，但其評定思想一致，均利用畸變指數(shù)衡量流場的畸變程度；程邦勤等采用可移動式插板對某型渦扇發(fā)動機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了穩(wěn)態(tài)總壓不均度及總壓紊流度隨發(fā)動機(jī)插板深度和轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，確定了該型發(fā)動機(jī)綜合畸變指數(shù)和總壓畸變敏感系數(shù)；馬燕榮等通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對吊艙進(jìn)口安裝擾流板進(jìn)行了某型渦扇發(fā)動機(jī)總壓畸變試驗(yàn)，表明隨擾流板深度增加及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，畸變范圍是擾流板深度的單值函數(shù)。

本文采用插板式壓力畸變發(fā)生器，以某型發(fā)動機(jī)作為被試品，研究不同發(fā)動機(jī)狀態(tài)下的不同形式插板造成的壓力損失及綜合畸變指數(shù)，并對綜合畸變指數(shù)趨勢進(jìn)行了預(yù)測。

1 試驗(yàn)裝置和測試方案

1.1 試驗(yàn)裝置

本文畸變發(fā)生裝置為插板式壓力畸變發(fā)生器，如圖1所示。裝置采用液壓控制，上位機(jī)主控，采用單獨(dú)大功率液壓站，插板有效行程滿足發(fā)動機(jī)進(jìn)口要求，可控制插板停留到任何中間位置或控制插板按指定速度移動，移動速度可以在最小速度和最大速度之間任意變化，其中≤2 mm/s，≥180 mm/s，插板插入深度的控制精度在±2 mm以內(nèi)，無明顯超調(diào)?；儼l(fā)生裝置可接收喘振監(jiān)測裝置信號，在喘振發(fā)生時(shí)，立即控制插板無條件地以最大移動速度（或指定速度）縮退到指定位置。平插板為與水平面垂直的平板，角插板為150°鈍角板，如圖2所示。插板插入時(shí)，從工藝進(jìn)氣道順航向右側(cè)插入，插板垂直于進(jìn)氣道平面，插入深度為插板的左邊和角與進(jìn)氣道順航向左側(cè)頂點(diǎn)的距離。

圖1 插板式壓力畸變發(fā)生器（逆航向）

圖2 插板方式

1.2 測試方案

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣測量截面包括：0-0截面、1-1截面和氣動測量截面（AIP截面），如圖3所示。

圖3 插板進(jìn)氣畸變試驗(yàn)測量截面

各截面位置和測點(diǎn)分布情況如下：

（1）0-0截面距插板前2處（為發(fā)動機(jī)進(jìn)口直徑，為測點(diǎn)的實(shí)際位置），通過測量總、靜壓計(jì)算進(jìn)氣道流量。0-0截面有4支周向均布的總壓受感部和4個(gè)周向均布的壁面靜壓測孔，用于測量來流總、靜壓。

（2）1-1截面在距AIP測量截面前85 mm處，在0.9（為進(jìn)氣道半徑）的環(huán)面周向均布6支總壓脈動測量耙。

（3）AIP截面位于板后3以及發(fā)動機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣前安裝邊前150 mm處，以“水”字形式（6支×5點(diǎn)）布置穩(wěn)態(tài)總壓測量座，同時(shí)均布6個(gè)壁面靜壓測點(diǎn)。

本文所測溫度、壓力均采用掃描閥采集，上位機(jī)可以直接獲取其溫度值和壓力值。進(jìn)氣畸變測量參數(shù)見表1。

表1 進(jìn)氣畸變測量參數(shù)

AIP截面上單個(gè)測點(diǎn)總壓恢復(fù)系數(shù)

綜合壓力畸變指數(shù)

2 試驗(yàn)方案

進(jìn)行試驗(yàn)前，首先進(jìn)行發(fā)動機(jī)和插板畸變發(fā)生器、臺架判喘系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)試。在不開車狀態(tài)下，檢查插板的插入和退出功能，并使插板插入深度的控制精度滿足±2 mm；檢查插板裝置的應(yīng)急退板功能；檢查臺架判喘系統(tǒng)，保障系統(tǒng)可以接收發(fā)動機(jī)脈動信號；檢查臺架判喘系統(tǒng)發(fā)出喘振信號后插板應(yīng)急退板功能。

靜態(tài)調(diào)試后，在發(fā)動機(jī)慢車狀態(tài)下檢查臺架判喘系統(tǒng)工作有效性，保障喘振信號發(fā)出時(shí)插板退板，且發(fā)動機(jī)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行消喘邏輯，以保障試驗(yàn)安全。

在發(fā)動機(jī)試車過程中，在2種不同插板條件下保證發(fā)動機(jī)控制規(guī)律一致，在2次開車相同狀態(tài)下保證其轉(zhuǎn)速一致性，以保證發(fā)動機(jī)狀態(tài)的一致性。

開車方案如下：

（2）進(jìn)行發(fā)動機(jī)主機(jī)狀態(tài)0.60、0.70、0.75、0.83、0.85、0.90、0.93、1.00的插板試驗(yàn)，在=0時(shí)發(fā)動機(jī)調(diào)至相應(yīng)轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定2 min后，逐步向內(nèi)移動插板。按1%步長遞進(jìn)，獲得每個(gè)插板深度下的畸變指數(shù)，每隔30 s記錄1次。

3 試驗(yàn)結(jié)果解析

3.1 不同插板總壓恢復(fù)系數(shù)對比

在0.9狀態(tài)下的平插板和角插板AIP總壓耙總壓恢復(fù)系數(shù)如圖4～7所示。其中耙測點(diǎn)位置從AIP-1-1～AIP-1-5（AIP-1-6）方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)內(nèi)涵至外涵方向，即沿徑向由中心向外。平插板AIP截面總壓恢復(fù)系數(shù)小的區(qū)域?yàn)椴灏逭趽鯀^(qū)域，造成該空間位置內(nèi)的AIP-5、AIP-6扇區(qū)附近小，氣流擾動大，畸變程度高，且在周向形成了1個(gè)小的廣闊區(qū)域。在其余未被遮擋區(qū)域，沿徑向先增大再減小；沿周向形成凹坑，該區(qū)域小。

圖4 在0.9狀態(tài)下平插板AIP截面總壓恢復(fù)系數(shù)（徑向）

圖5 在0.9狀態(tài)下平插板AIP截面總壓恢復(fù)系數(shù)（H=0.3，W=13.4%）

從圖4中可見，在平插板被遮擋區(qū)域最小的測量耙為AIP-5，測得的均值為0.798，在未被遮擋的區(qū)域AIP-1、AIP-3、AIP-2這3支耙測得的均值分別為0.933、0.946、0.923，經(jīng)計(jì)算，AIP截面測得的均值為0.900。

圖6 在0.9狀態(tài)下角插板AIP截面總壓恢復(fù)系數(shù)（徑向）

圖7 在0.9狀態(tài)下角插板AIP截面總壓恢復(fù)系數(shù)（H=0.4，W=13.1%）

從圖6中可見，主機(jī)狀態(tài)0.9角插板被遮擋區(qū)域最小支AIP-1、AIP-2測得的均值分別為0.774、0.784，在未被遮擋的區(qū)域AIP-3、AIP-4、AIP-5、AIP-6這4支耙測得的均值分別為0.880、0.925、0.925、0.904，經(jīng)計(jì)算，AIP截面均值為0.865。角插板面平均總壓恢復(fù)系數(shù)比平插板的低0.035，但其畸變指數(shù)W比平插板的低0.3%。

為達(dá)到在0.9狀態(tài)下的=13%的畸變強(qiáng)度，平插板需插入0.3，角插板需插入0.4深度。二者進(jìn)氣流量比為/=0.96，平插板進(jìn)氣流量稍小，其中和分別為平插板和角插板的進(jìn)氣流量值。

3.2 不同插板綜合畸變指數(shù)對比

圖8 在0.9狀態(tài)下綜合畸變指數(shù)隨插平插板深度的變化

圖9 在0.9狀態(tài)下綜合畸變指數(shù)隨插角插板深度的變化

隨著增大，AIP截面面平均總壓恢復(fù)系數(shù)和進(jìn)口空氣流量減小。在平插板=0.3時(shí)，=0.89、=0.89；在角插板=0.3時(shí)，=0.93、σ=0.93。平插板流量更小，也更小。此處為在0.9狀態(tài)下插板的流量與未插板時(shí)的比值，即平插板的節(jié)流作用更明顯。

不同發(fā)動機(jī)狀態(tài)下，不同形狀插板造成的綜合畸變指數(shù)隨插板插入深度的變化如圖10、11所示。在各狀態(tài)下，均隨的增加而增大。在相同下，隨轉(zhuǎn)速提高而增大。在相同發(fā)動機(jī)狀態(tài)和下，平插板造成的畸變強(qiáng)度更高，發(fā)動機(jī)處于0.9狀態(tài)、=0.3時(shí)，平插板=13.1%，角插板=8%。平插板和角插板畸變強(qiáng)度隨插入深度提高為前慢后快，在=0.2前提高緩慢。

圖10 在不同轉(zhuǎn)速下綜合畸變指數(shù)隨平插板深度變化

圖11 在不同轉(zhuǎn)速下綜合畸變指數(shù)隨角插板深度變化

畸變指數(shù)隨插入深度變化趨勢可由3次曲線表示，其擬合曲線趨勢見表2。

表2 畸變指數(shù)隨插板深度變化趨勢

掌握了平插板和角插板的畸變指數(shù)隨發(fā)動機(jī)狀態(tài)變化趨勢，為后續(xù)對綜合畸變指數(shù)進(jìn)行預(yù)測提供依據(jù)，獲得了普遍規(guī)律。

4 結(jié)論

（1）在某型航空發(fā)動機(jī)進(jìn)氣畸變試驗(yàn)中，采用平插板和角插板2種插板試驗(yàn)裝置并實(shí)現(xiàn)了較高控制精度，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，完成了發(fā)動機(jī)在各狀態(tài)下的畸變試驗(yàn)，通過一整套插板系統(tǒng)和判喘系統(tǒng)獲得了某型發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓力畸變數(shù)據(jù)。

（2）平插板和角插板均會在插板后方形成總壓恢復(fù)系數(shù)小的廣闊區(qū)域，沿徑向先增大后減小，沿周向形成凹坑。為達(dá)到在0.9狀態(tài)下=13%的畸變強(qiáng)度，需平插板插入0.3、角插板插入0.4的深度，平插板AIP截面的總壓恢復(fù)系數(shù)小于角插板的，平插板進(jìn)氣流量更低。

（3）在發(fā)動機(jī)0.9狀態(tài)下，周向畸變指數(shù)Δˉ、面平均穩(wěn)流度均隨插板深度的增加而增大。在相同插板深度下，平插板造成畸變強(qiáng)度強(qiáng)于角插板的。小深度對畸變貢獻(xiàn)大，大深度Δˉ對畸變貢獻(xiàn)大。隨著增大，AIP截面面平均總壓恢復(fù)系數(shù)和進(jìn)口空氣流量減小，但平插板節(jié)流效果更明顯。

獲得平插板和角插板畸變指數(shù)隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和插入深度變化關(guān)系，可為后續(xù)插板試驗(yàn)畸變強(qiáng)度的預(yù)測提供依據(jù)。