渦扇發動機放氣起動分析與試驗研究

韓文俊，王 軍，隋巖峰，邊家亮

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

航空發動機穩定、快速地起動至關重要[1-4]。發動機起動是個加速的過渡過程，由于熱力節流的作用而造成渦輪前總溫T4升高，從而引起壓氣機后壓力P3升高，引起壓氣機穩定裕度減小[5]。如果發動機起動供油規律的給定油量過高，會導致起動過程壓氣機共同工作線提高，可能引起發動機在起動過程中失速或喘振。同時對于渦扇發動機來說，其起動性能還受到大氣條件的影響，比如：在炎熱的天氣下起動時，若仍然保持與標準大氣狀態下相同的供油量，則會引起發動機“冷懸掛”；相反，在寒冷的天氣下起動時，則必須減少其供油量，以避免發生“起動失速”。發動機起動過程的穩定性主要是由壓氣機工作穩定性決定的。研究表明，對壓氣機中間級或壓氣機后進行放氣能夠提高壓氣機的穩定工作裕度[6～10]。發動機起動模型為研究發動機的起動過程提供了方便的平臺。20世紀90年代，Chappell等建立了雙轉子起動模型ATEST-V3[12]，2007年Morini等針對大型單軸燃氣輪機建立了起動模型[13]；國內學者建立了發動機單轉子起動模型[14]，以及基于部件級的雙軸渦扇發動機起動模型[3，11]等。

本文首先建立了帶放氣的發動機起動模型，定性分析放氣對發動機整機起動過程的影響；然后對某型渦扇發動機進行放氣起動試驗研究，最終得到放氣起動對發動機起動過程的影響規律。

1 放氣起動的建模與仿真分析

1.1 放氣起動過程的建模

本文基于文獻[3]介紹的發動機起動模型建立簡單的發動機放氣起動模型，如圖1所示。

該放氣起動模型基于積分法，根據發動機起動初始條件和各部件特性，采用氣動熱力學關系式計算風扇、壓氣機及高、低壓渦輪的進、出口截面參數，其中壓氣機出口可認為分成了2股氣流，1股進入主燃燒室，另1股放入大氣。

1.1.1 模型初始化

計算前，需要對發動機模型各截面參數和高、低壓轉子相對轉速進行初始化。其中各截面的總壓和總溫初始量與大氣條件相同，發動機高、低壓相對轉速可給定1個較小的量（1%～5%）。

1.1.2 4大部件計算

4大部件指風扇、壓氣機和高、低壓渦輪。根據部件的進、出口參數和轉速，在事先給定的部件特性上插值得到壓比、流量、效率、出口總溫和功。

1.1.3 容腔計算

外涵、主燃燒室、加力燃燒室和噴管為容腔，可根據能量方程、連續方程和理想氣體狀態方程計算[4]得到各容腔出口總壓、總溫對時間的導數。能量方程為

連續方程為

狀態方程為

1.1.4 新一周期的計算

通過容腔計算得到各容腔出口總壓、總溫對時間的導數，然后再根據積分步長，也就是微小的時間步長Δt，計算得到各容腔出口新一周期的總壓和總溫[4]，即

式中；ρ、Cv、Tt、C、ht、Pt分別為氣體的密度、定容比熱容、總溫、速度、總焓和總壓。

根據計算得到的風扇、壓氣機及高、低壓渦輪的功，可以得到4大部件的扭矩。通過轉子運動方程便可得到高、低壓轉子對時間的倒數，見式（6）、（7）。然后根據積分步長得到新一周期的高、低壓轉速。

式中：n1、n2分別為高、低壓轉子轉速；MCL、MCH、MTH、MTL分別為風扇、壓氣機和高、低壓渦輪的扭矩；J1、J2分別為高、低壓轉子的轉動慣量；Mst為給定的起動機扭矩，當起動機脫開帶轉后，該扭矩為0。

根據上述步驟，不斷更新發動機在每個計算周期下的截面氣動參數和轉速，便可逐步計算到慢車，計算流程如圖2所示。

圖2 起動計算流程

1.2 仿真結果分析

發動機起動過程分為3個階段，如圖3所示，用高壓壓氣機共同工作線體現。從圖中可見，在發動機起動的第1階段，發動機只靠起動機帶轉，放氣與否對壓氣機共同工作線影響不大；發動機點火后，放氣起動共同工作線要低于不放氣起動，在起動過程中，放氣量為3%時，壓氣機穩定裕度比不放氣起動時的高2%～4%。

圖3 發動機起動過程

在不同放氣量下，發動機排氣溫度T6隨發動機高壓換算轉速n2r的變化和壓氣機增壓比πc隨發動機高壓換算轉速n2r的變化如圖4、5所示。從圖4、5中可見，在發動機起動過程中，隨著放氣量的增加，發動機最大排氣溫度升高，增壓比減小。因此，對于起動性能差的發動機可適量提高起動放氣量，但為保證發動機起動不超溫，不能一味的增加放氣量。

圖4 模擬計算所得T6與n2r的關系

圖5 模擬計算所得T6與n2r的關系

2 發動機放氣起動設備及方法

2.1 發動機放氣起動試驗裝置

發動機放氣起動地面試驗裝置和起動系統如圖6、7所示，從圖6、7中可見，發動機放氣口在壓氣機出口，且將氣體放入大氣中；壓氣機后氣體通過管路輸送至放氣控制附件進口，放氣控制附件出口通往大氣。采用高壓氮氣為控制氣，連接至放氣氣動電磁閥，當打開放氣開關時，氣動電磁閥打開，高壓氮氣流入，并沖開放氣控制附件的放氣活門，此時高壓壓氣機后氣體流入大氣，實現起動放氣功能。本次試驗放氣口為固定管徑（Ф=38mm）。

圖6 發動機放氣起動試驗裝置

圖7 發動機放氣起動系統

2.2 發動機放氣起動試驗方法

發動機放氣起動試驗方法主要分為驗證放氣對發動機起動的影響和摸索發動機放氣起動的穩定供油邊界2部分。

（1）放氣對發動機起動的影響主要從3方面來研究，即對發動機起動時間的影響，對起動過程中發動機最大排氣溫度的影響，以及對發動機起動穩定性的影響。當發動機在不放氣情況下起動時，記錄起動過程中各段時間（發動機點火時間、起動機脫開時間和發動機起動到慢車的時間）及發動機排氣溫度T6的最大值；然后不對發動機作任何調整，進行放氣起動，記錄起動各段時間及T6最大值，對比2次記錄的數據。

通過調整發動機起動供油規律，使發動機在不放氣條件下起動失速；不對發動機作任何調整，進行放氣起動，檢查發動機能否成功起動。

（2）摸索發動機放氣起動的穩定供油邊界試驗是通過調整起動供油規律，使發動機在不同高壓換算轉速下失速，記錄失速點的供油量，從而確定發動機起動供油的供油邊界。

3 發動機放氣起動試驗結果及分析

3.1 放氣起動對發動機起動的影響

發動機在同樣起動供油規律條件下不放氣起動和放氣起動的參數對比見表1。從表中可見，放氣起動時間比不放氣起動時間長2s，最大排氣溫度相對值提高1.7%。試驗結果與模擬計算結果數據對比見表2。試驗結果和模擬計算結果均表明，發動機在放氣起動時壓氣機增壓比減小，起動時間延長，其中放氣量為1.5%時的模擬計算結果與試驗結果接近。

表1 放氣對發動機起動的影響

表2 試驗結果與模擬計算結果比較

在2次試車過程中，發動機的起動供油規律是一致的，如圖8所示。在同一起動供油條件下，發動機在放氣起動過程中，排氣溫度時刻高于不放氣起動過程的，如圖9所示。

圖8 Wf與n2r的關系

由此可知，在相同起動供油條件下，發動機放氣起動比不放氣起動的時間長、排氣溫度高，從而定性地驗證了仿真計算的結果。

發動機2次起動的供油規律一致，如圖10、11所示，但發動機在不放氣起動時，當n2r加速到57%時，發動機主燃油量突然減少，壓氣機增壓比也突然減小，這是因為發動機在起動過程中發生失速、消喘系統投入工作、發動機切油所致；而發動機在放氣起動時，壓氣機共同工作線下移，發動機穩定工作裕度增加，發動機起動成功。因此，在發動機起動過程中放氣，可提高發動機的起動穩定性，這與仿真計算結果（圖3）一致。

圖9 T6與n2r的關系

3.2 確定發動機起動供油邊界的試驗研究

發動機起動供油規律如圖12所示。圖中橫坐標為高壓相對換算轉速，縱坐標為燃油相似參數。發動機控制器供油規律為Wf/P3＝f(n2r)，其中Wf/P3為油量相似參數。從圖中可見，發動機起動供油規律需設定在失速喘振邊界和冷懸掛邊界之間才能保證發動機成功起動。

圖12 發動機起動供油規律

本次試驗通過調整不同n2r對應的Wf/P3，實現發動機在不同轉速下失速。

將發動機在不同轉速下失速時的供油相似參數點通過最小二乘法擬合，便組成發動機的供油邊界，如圖13所示。從圖中可見，與不放氣起動供油邊界相比，發動機放氣起動供油邊界的油量相似參數平均提高9%。這是因為發動機在放氣條件下起動，壓氣機共同工作線下移，為了使壓氣機共同工作線達到不放氣起動時的水平，需提高起動供油量，如果發動機在起動過程中發生喘振，需進一步提高起動供油量，因此，發動機放氣起動供油邊界提高。從圖12中可見，失速喘振邊界越高，起動供油的調整范圍越大，發動機起動穩定裕度也隨之增大，這不僅降低了起動供油調整難度，也提高了發動機在不同大氣條件下起動的成功率。

圖13 發動機供油邊界

4 結論

（1）通過發動機放氣起動仿真計算，得到在放氣量為3%時，壓氣機穩定裕度比不放氣起動時的提高2%～4%

（2）發動機放氣起動模擬計算結果表明，放氣起動排氣溫度高于不放氣起動的。

（3）通過發動機起動放氣試驗初步得到，發動機放氣起動的時間比不放氣起動的長2s，發動機起動過程最大排氣溫度提高1.7%，但是放氣起動可以提高發動機起動的穩定性。

（4）發動機放氣起動邊界比不放氣起動邊界平均高9%。

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