進(jìn)氣畸變對發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性與性能影響試驗(yàn)研究

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1、進(jìn)氣畸變對發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性與性能影響試驗(yàn)研究　　摘要基于平行壓氣機(jī)理論，通過飛行試驗(yàn)，對進(jìn)氣畸變時(shí)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和性能影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明周向穩(wěn)態(tài)畸變使得發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定裕度降低、推力降低、耗油率增大。關(guān)鍵詞總壓畸變；平行壓氣機(jī)原理；穩(wěn)定裕度；推力中圖分類號：V231文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671-7597（2014）03-0044-02620世紀(jì)60年代中期以來，世界航空界對影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性因素給與了極大的關(guān)注和研究，并取得了很大的進(jìn)展。發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)的氣動(dòng)不穩(wěn)定可造成發(fā)動(dòng)機(jī)的失控、推力損耗、進(jìn)氣道和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械的損壞、發(fā)動(dòng)機(jī)的超溫停車，嚴(yán)重的限制著飛機(jī)的飛行。提供足夠的壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性裕

2、度以保證在飛行包線范圍內(nèi)安全飛行是一個(gè)重要問題。這需要在發(fā)動(dòng)機(jī)的高推力、低油耗、長壽命與滿意的穩(wěn)定裕度之間權(quán)衡、折中。以往在發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)階段原則上不可能獲得進(jìn)氣畸變對發(fā)動(dòng)機(jī)影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且進(jìn)氣畸變對發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性及性能影響的試驗(yàn)大部分是地面試驗(yàn)或高空臺試驗(yàn)。而對于實(shí)際空中進(jìn)氣畸變對發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性及性能影響較少。通過飛行試驗(yàn)和地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相互補(bǔ)充，可對推進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)做出評價(jià)，可在不對畸變產(chǎn)生的不利影響的前提下改善性能，為將來推進(jìn)系統(tǒng)的修改和新機(jī)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)庫。1飛行試驗(yàn)方法及測量設(shè)備試驗(yàn)中進(jìn)行不同飛行姿態(tài)的組合來研究，這些飛行動(dòng)作包括穩(wěn)態(tài)攻角和側(cè)滑角飛行、攻角正負(fù)變化。所有的試

3、驗(yàn)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)處于中間狀態(tài)和最大加力狀態(tài)之間變化，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的換算空氣流量保持不變。當(dāng)達(dá)到要求的試驗(yàn)條件，在發(fā)動(dòng)機(jī)油門桿保持穩(wěn)定的同時(shí)，通過安裝在進(jìn)氣道出口和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口轉(zhuǎn)接段位置上的測量耙來對進(jìn)口流場進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)態(tài)壓力測量，記錄所需要的數(shù)據(jù)。圖1測量耙測點(diǎn)示意圖安裝在進(jìn)氣道出口總壓測量耙是由周向均勻分布的6支測量耙組成的“水”字型耙，每支耙臂都裝有1個(gè)動(dòng)態(tài)壓力、5個(gè)穩(wěn)態(tài)壓力測量點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)點(diǎn)按等環(huán)面分布，動(dòng)態(tài)點(diǎn)位于0.9R處。由于耙體結(jié)構(gòu)引起的最大面積堵塞比不大于4.6%，不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能對空氣流量的要求，國外同類產(chǎn)品阻塞比有8%的數(shù)據(jù)，因此是允許的。2計(jì)算方法2.1畸變計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場的畸變程度

4、用綜合畸變指數(shù)來評定：6式中：為總壓的周向不均勻度；為進(jìn)口的面平均總壓脈動(dòng)紊流度。2.2平行壓氣機(jī)模型的建立進(jìn)氣周向穩(wěn)態(tài)總壓畸變對發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性的影響可以由簡單平行壓氣機(jī)模型解釋。假設(shè)：1）工作于低壓區(qū)和高壓區(qū)的壓氣機(jī)視為各自獨(dú)立工作互不相干涉的子壓氣機(jī)，并且具有相同的特性曲線。2）在壓氣機(jī)的進(jìn)口總壓不均勻，但靜壓均勻，壓氣機(jī)出口靜壓均勻。3）當(dāng)一個(gè)子壓氣機(jī)喘振時(shí)機(jī)認(rèn)為整個(gè)壓氣機(jī)喘振。根據(jù)壓力測量耙所測得壓力分布，將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓力分為高壓區(qū)和低壓區(qū)。假設(shè)每一子扇區(qū)為平行的流管，從進(jìn)口通過壓氣機(jī)順著流路到出口。該被試發(fā)動(dòng)機(jī)為雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，低壓壓氣機(jī)級數(shù)少，在低壓壓氣機(jī)后產(chǎn)生的溫度、壓力畸變

5、較快，高壓級數(shù)較多，這樣高壓壓氣機(jī)就會對低壓壓氣機(jī)的參數(shù)產(chǎn)生影響，但采用平行壓氣機(jī)模型后，可以認(rèn)為互不干涉，即低壓壓氣機(jī)的出口條件為高壓壓氣機(jī)的進(jìn)口條件。2.3工作參數(shù)計(jì)算6依據(jù)平行壓氣機(jī)模型，利用均勻進(jìn)氣渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作方程的方法，對畸變時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)穩(wěn)定性和性能進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)氣時(shí)，各子壓氣機(jī)均勻進(jìn)氣，沒有周向摻混，各高壓子壓氣機(jī)以各低壓子壓氣機(jī)的出口條件為進(jìn)口條件。在各高壓壓氣機(jī)出口，假象存在一個(gè)混合室，各子壓氣機(jī)流出的壓強(qiáng)、速度在假想混合室內(nèi)均勻比混合。最后流過發(fā)動(dòng)機(jī)其它部件，完成熱力循環(huán)。高壓壓氣機(jī)的進(jìn)氣條件為風(fēng)扇的出口的核心發(fā)動(dòng)機(jī)，外涵道出口流場均勻。根據(jù)平行壓氣機(jī)原理，可知均勻進(jìn)

6、氣與畸變時(shí)的區(qū)別就在子壓氣機(jī)的計(jì)算，畸變時(shí)將原壓氣機(jī)分為多個(gè)平行的子壓氣機(jī)，分別計(jì)算。其余部件的計(jì)算與均勻進(jìn)氣時(shí)是相同的。發(fā)生畸變時(shí)，最先受到畸變氣流影響的就是風(fēng)扇，這里以低壓風(fēng)扇的計(jì)算為例。通過進(jìn)氣測量參數(shù)，可知各子壓氣機(jī)的進(jìn)氣條件。各子壓氣機(jī)的計(jì)算與均勻進(jìn)氣壓氣機(jī)是相同的。根據(jù)測量耙上的所測得各低壓子壓氣機(jī)的P1i*、T1i*，采用面積平均方法來計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口空氣流量，如下式：式中：為各子壓氣機(jī)的進(jìn)口總壓；為各子壓氣機(jī)截面積；為進(jìn)口總溫。3試驗(yàn)結(jié)果及分析將進(jìn)氣道出口的總壓分布作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口邊條件如果發(fā)動(dòng)機(jī)不失穩(wěn)則根據(jù)求解后的流場算出發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和耗油率并和均勻進(jìn)氣條件下的結(jié)果進(jìn)行比較就能

7、得到穩(wěn)態(tài)總壓畸變指數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響?，F(xiàn)以發(fā)動(dòng)機(jī)在最大狀態(tài)，高度116km，馬赫數(shù)1.1時(shí)，綜合畸變指數(shù)W=0.05為例，比較進(jìn)氣畸變對發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作線和性能的影響，并于均勻進(jìn)氣時(shí)的值進(jìn)行比較。圖1均勻進(jìn)氣與畸變進(jìn)氣時(shí)風(fēng)扇壓比和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流量關(guān)系圖圖1表示畸變進(jìn)氣和均勻進(jìn)氣時(shí)，渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)共同工作線在風(fēng)扇特性圖上的分布位置。從圖1可以看出，畸變進(jìn)氣與均勻進(jìn)氣時(shí)相比較，畸變進(jìn)氣時(shí)的風(fēng)扇的共同工