部件性能變化對大涵道比發動機臺架性能的影響

張生，李長暉，任文成，李泳凡

（沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

1 引言

國際上絕大部分軍、民用大型運輸機的推進系統都采用直接傳動的大涵道比渦輪風扇發動機。與軍用小涵道比發動機相比，大涵道比發動機需要具有更高的可靠性和更長的使用壽命。1臺使用壽命較長的發動機，由于葉片和機匣的磨損、侵蝕、間隙變化等諸多因素，最終必然導致其性能惡化。而部件效率降低、流路總壓損失增大會影響發動機幾乎所有部件的共同工作，使發動機工作過程參數和主要性能數據改變，主要表現在在同樣推力條件下耗油率和排氣溫度升高。

本文通過計算分析，確定了部件性能變化對發動機臺架性能的影響，為發動機試車數據分析提供依據和改進設計時的匹配方案提供參考，同時也可以對未來產品的返修作指導。

2 計算說明

在大多數情況下，渦輪進口溫度與高壓壓氣機轉速的平方近似成正比。因此，控制高壓轉速n2能保持發動機的機械負荷和熱負荷不變。因此，對于大多數涵道比不是很大的渦輪風扇發動機，都選擇n2作為被控參數；而對于涵道比為4以上大涵道比發動機，大部分推力由外涵產生，主要取決于流過外涵的空氣流量和壓比，而二者由風扇轉速決定，因此，對于大涵道比發動機來說，控制低壓轉速n1比控制高壓轉速n2對推力的影響更有效。本文計算按照發動機低壓換算轉速=const進行控制，參數變化是在同一低壓換算轉速下進行對比，高壓壓氣機穩定裕度是在同一高壓換算轉速下進行對比。

計算了發動機在海平面靜止狀態、標準大氣下、臺架狀態的節流特性。節流范圍為低壓換算轉速50%到起飛點。

各部件效率、流路總壓恢復系數均按照降低1%進行分析。

3 影響分析

3.1 風扇外涵效率變化對性能的影響

風扇外涵效率降低1%對臺架性能的影響見表1。

表1 風扇外涵效率ηF降低1%對臺架性能的影響

高壓壓氣機工作線的位置只與核心機工作效率和表征它的作功系數有關。當風扇效率改變時，高壓共同工作線位置不變；但是當高壓轉速升高，工作點沿工作線上移，使得渦輪進口溫度升高，排氣溫度也升高，從而使得發動機推力稍有增大，耗油率升高。

3.2 風扇內涵+增壓級效率變化對性能的影響

風扇內涵+增壓級效率降低1%對臺架性能的影響見表2。

表2 風扇內涵+增壓級效率ηBO降低1%對臺架性能的影響

效率降低使內涵工作點靠近穩定邊界，但由于高壓流通能力增強，綜合因素使部件穩定裕度變化很小。

3.3 高壓壓氣機效率變化對性能的影響

高壓壓氣機效率降低1%對臺架性能的影響見表3。

表3 高壓壓氣機效率ηHC降低1%對臺架性能的影響

由表3可知，當轉速=const時，高壓壓氣機效率降低，導致高壓壓氣機功率增加，大于高壓渦輪可用功率，則高壓轉速下降，轉差減小。

高壓流通能力下降，使得風扇內涵和增壓級的壓比增大，穩定裕度下降較為明顯。

高壓壓氣機效率降低，使得渦輪進口溫度和排氣溫度上升，耗油率升高。渦輪進口溫度升高，導致燃氣加熱比增大，燃燒室和渦輪流通能力降低，高壓壓氣機工作線上移，高壓壓氣機穩定裕度下降。

3.4 高壓渦輪效率變化對性能的影響

高壓渦輪效率ηHT降低1%對臺架性能的影響見表4。

表4 高壓渦輪效率ηHT降低1%對臺架性能的影響

3.5 低壓渦輪效率變化對性能的影響

由表4可知，高壓渦輪效率對部件共同工作和發動機主要參數的影響與高壓壓氣機效率的影響類似，影響機理沒有差別，對排氣溫度的影響比高壓壓氣機效率的影響更嚴重。

低壓渦輪效率降低1%對臺架性能的影響見表5。

表5 低壓渦輪效率ηLT降低1%對臺架性能的影響

由表5可知，低壓渦輪效率降低會導致低壓渦輪可用功率小于低壓壓縮系統所需要的功率。若要保持=const，則需高壓轉速提高，高壓壓氣機工作點沿工作線上移，排氣溫度升高，發動機推力增大，耗油率升高。

3.6 中介機匣內涵總壓恢復系數

而高壓轉速提高，則流通能力增強，風扇增壓級的穩定裕度略有提高。

中介機匣內涵總壓恢復系數降低1%對臺架性能的影響見表6。

由表6可知，中介機匣內涵損失增大，則高壓壓氣機進口總壓減小，當量高壓進口喉道面積減小，風扇增壓級工作線上移。

低壓渦輪膨脹比減小，轉差增大。在同一低壓轉速下，高壓轉速提高，使得內涵流通能力增強，綜合作用的結果是風扇內涵+增壓級的穩定裕度略有降低。

表6 中介機匣內涵總壓恢復系數σC降低1%對臺架性能的影響

3.7 渦輪后機匣總壓恢復系數

在中介機匣內涵損失增大和高壓轉速提高的綜合作用下，發動機推力基本不變。

渦輪后機匣總壓恢復系數降低1%對臺架性能的影響見表7。

表7 渦輪后機匣總壓恢復系數σT降低1%對臺架性能的影響

由表7可知，渦輪后機匣總壓損失增加，導致噴口進口前總壓減小，低壓渦輪渦輪膨脹比減小，轉差增大。當nˉ1R=const時，高壓轉速提高，排氣溫度和耗油率升高。

在渦輪后機匣損失增大和高壓轉速提高的綜合作用下，發動機推力基本不變。

3.8 外涵道總壓恢復系數

外涵道總壓恢復系數σF降低1%對臺架性能的影響見表8。

由表8可知，外涵道總壓損失增加，導致外涵流道的流通能力降低，風扇外涵工作線上移，穩定裕度減小。風扇外涵流量減小，內涵流量增大。

表8 外涵道總壓恢復系數σF降低1%對臺架性能的影響

3.9 發動機臺架性能影響

從以上各部件效率、流路損失對發動機推力、耗油率以及排氣溫度的影響分析可知，雖然各因素變化量都是1%，但是對發動機性能影響的程度存在很大差異。圖1～3分別為各因素對發動機推力、耗油率、排氣溫度的影響程度對比。

4 結論

對大涵道比渦輪風扇發動機：

（2）外涵道總壓損失對發動機推力影響較大，總壓恢復系數降低1%，對應的發動機推力在nˉ1R=const時減小1%～2%；

（3）在起飛點附近，風扇外涵總壓恢復系數、低壓渦輪效率對發動機耗油率影響較大，1%的變化使耗油率升高約1.2%；

（4）核心機部件的效率對發動機排氣溫度影響較大，其中高壓渦輪效率降低1%，將使發動機排氣溫度△T495升高約9～10 K；

（5）只有核心機部件的效率對高壓壓氣機的穩定裕度產生了影響，其中高壓壓氣機、高壓渦輪的效率降低1%使高壓穩定裕度損失約1%；核心機部件效率降低對風扇內涵+增壓級的穩定裕度影響較大。

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