渦扇發(fā)動機可調靜子葉片控制規(guī)律研究

黃愛華

(成都航空職業(yè)技術學院航空維修工程系，成都610100)

渦扇發(fā)動機可調靜子葉片控制規(guī)律研究

黃愛華

(成都航空職業(yè)技術學院航空維修工程系，成都610100)

航空發(fā)動機高壓壓氣機采用可調靜子葉片，可改善高壓壓氣機的工作特性，擴大喘振邊界，保證發(fā)動機穩(wěn)定工作；通過優(yōu)化可調葉片角度控制規(guī)律，還能提高發(fā)動機性能。基于雙轉子渦扇發(fā)動機的試車數據，介紹了可調葉片角度的控制方法，研究了可調葉片角度在低轉速和高轉速時的控制規(guī)律，分析了打開可調靜子葉片角度對發(fā)動機性能的影響。研究表明，高壓轉子轉速較高時，通過調節(jié)可調靜子葉片角度，可以降低高壓轉子的物理轉速，增加轉子轉速裕度，降低機械負荷，增加發(fā)動機在翼使用時間。

航空發(fā)動機；高壓壓氣機；可調靜子葉片；試驗數據；高壓物理轉速；控制規(guī)律

1 引言

目前，現代航空發(fā)動機大多采用了多級靜子葉片可調技術，通過調節(jié)靜子葉片角度，使得轉子葉片處于滿意的攻角下工作，從而避免了喘振，并使壓氣機在偏離設計工況下仍能保證轉子葉片在基本滿意的攻角下工作，改善了壓氣機的工作特性，擴大了穩(wěn)定工作范圍。如，EJ200發(fā)動機采用5級高壓壓氣機、2級靜子可調，CFM56發(fā)動機采用9級壓氣機、4級靜子可調，АЛ-31Ф發(fā)動機采用9級壓氣機、4級靜子可調，E3E核心機采用9級高壓壓氣機、4級靜子可調，GE90發(fā)動機采用10級高壓壓氣機、5級靜子可調[1-3]。國內外針對可調靜子葉片角度和間隙對壓氣機性能影響，開展了大量的計算分析和試驗研究。研究表明，通過調節(jié)壓氣機靜葉角度，可有效擴大壓氣機工作范圍，提高壓氣機低速工作區(qū)效率，改善壓氣機低速工作性能；可調靜子根尖徑向間隙的存在會使壓氣機性能發(fā)生一定衰減，但通過調整旋轉凸臺設計，可有效控制靜子間隙對壓氣機性能衰減的影響[4-12]。除從結構設計上優(yōu)化可調靜子葉片外，還通過可調靜子葉片的控制方法和控制規(guī)律，尋找合適的控制規(guī)律來保證發(fā)動機穩(wěn)定工作，提高發(fā)動機性能[13-15]。

本文基于某型雙轉子渦扇發(fā)動機的試驗數據，分析了可調靜子控制規(guī)律及其對發(fā)動機物理轉速的影響。

2 可調靜子葉片控制規(guī)律初步分析

該型雙轉子渦扇發(fā)動機根據高壓轉子換算轉速N2R25(高壓轉子轉速N2相對壓氣機進口溫度T25)對可調靜子葉片角度進行控制，相對于高壓壓氣機進口溫度(T1)的高壓轉子換算轉速N2R能更好地反映壓氣機的工作狀況，利用此信號控制高壓壓氣機可調靜子葉片會取得更好的效果[16-18]。

該發(fā)動機在試車臺運行時，控制的目標轉速是修正的低壓轉子轉速(N1K)。N1K是實際低壓轉子轉速根據運行的外界環(huán)境(包括大氣溫度和大氣壓力)修正到標準大氣條件下的一個修正轉速。

圖1給出了發(fā)動機試驗時，低慢車轉速(發(fā)動機起動后進入的第一個穩(wěn)定工作狀態(tài))、高慢車轉速(飛機降落時發(fā)動機的復飛轉速)、N1K=3 300 r/min、N1K=4 200 r/min、N1K=4 600 r/min、最大連續(xù)和起飛狀態(tài)，VSV角度(VSVDEG)與N2R25的關系。從圖中可看出，各個穩(wěn)定狀態(tài)下，VSV角度與N2R25有一一對應關系(VSVDEG=f(N2R25))，且VSV角度隨著N2R25的增加逐漸減小，即VSV角度逐漸打開。

3 高轉速VSV控制規(guī)律詳細分析

對試驗數據進行區(qū)域細化分析后發(fā)現，N2R25較高時，即不同推力級別下的最大連續(xù)和起飛狀態(tài)，VSV角度與N2R25不再是一一對應關系，同一個N2R25對應多個VSV角度，而上邊界呈線性變化，見圖2。

進一步研究發(fā)現，發(fā)動機高壓轉子物理轉速N2高于14 300 r/min的VSV的控制規(guī)律，與14 300 r/min以下的控制規(guī)律有所不同。

(1)N2低于14 300 r/min的VSV角度控制規(guī)律見圖3，VSV角度變化與N2R25成一一對應的線性關系。通過數據擬合可得到該狀態(tài)下的控制規(guī)律曲線，即VSV角度隨N2R25單值變化：VSVDEG=f(N2R25)。

(2)N2高于14 300 r/min的VSV角度控制規(guī)律如圖4所示，VSV角度在圖3的控制規(guī)律上偏開了一定角度。圖4中的黑線就是圖3的控制規(guī)律曲線。

為摸索可調靜子葉片調節(jié)規(guī)律，將可調靜子葉片的數據做如下處理：

式中：VSVDEG為實際VSV角度，VSVCAL為根據圖3計算的VSV角度，DIFFVSV為兩者差值。

把高壓壓氣機實際轉速與14 300 r/min轉速做差值DIFFN2：

DIFFN2=N2-14 300

將兩個差值數據作圖，可看到它們有明顯的線性關系，如圖5所示。N2高于14 300 r/min時，按照圖3的規(guī)律，VSV會偏開一定角度。

圖6為N2在高轉速(14 300±500 r/min)下DIFFN2與DIFFVSV的關系曲線，其拐點是N2=14 300 r/min。N2高于14 300 r/min的VSV調節(jié)規(guī)律可表示為VSVDEG=f(N2R25,N2)。

4 高轉速VSV角度調節(jié)規(guī)律對整機的影響

根據起飛穩(wěn)定狀態(tài)時的試車數據，在N1K恒定的控制規(guī)律下，分析高轉速VSV偏開對發(fā)動機性能的影響。

該發(fā)動機在不改變任何結構的情況下，通過控制系統(tǒng)的調節(jié)，可以輸出不同的推力級別以滿足不同推力的裝機要求。收集試車所有起飛穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)動機參數，對其中的壓氣機工作點增壓比進行分析。該發(fā)動機的增壓比為高壓壓氣機出口靜壓pS3與發(fā)動機進口總壓pT2的比值。圖7給出了高轉速時高壓壓氣機出口增壓比(PS3Q2)與高壓壓氣機出口修正溫度(T3R2)的關系。可見，N1K恒定的情況下，πc也恒定，即N1K=const?πc=const±0.5。

在N1K恒定、πc也恒定的情況下，可調放氣活門與瞬時放氣活門已全部關閉，進入低壓壓氣機的氣流會全部進入到高壓壓氣機內，高壓壓氣機內質量流量不變。在高轉速VSV角度開大后，高壓壓氣機的增壓比和流量不變的情況下，高壓壓氣機的換算轉速下降，高壓轉速的物理轉速也隨之下降，從而降低了發(fā)動機的機械負荷。

5 結論

本文基于渦扇發(fā)動機試車數據，研究了VSV在低轉速和高轉速時的控制規(guī)律，分析了高轉速打開VSV角度對發(fā)動機高壓轉速的影響。這種VSV角度控制規(guī)律可以降低高壓轉子的物理轉速，提高轉子轉速裕度，降低機械負荷，增加發(fā)動機的在翼使用時間。該發(fā)動機VSV角度控制規(guī)律的設計思想，可為同類發(fā)動機設計提供參考。

[1]劉長福，鄧明.航空發(fā)動機結構分析[M].西安：西北工業(yè)大學出版，2006.

[2]胡駿，吳鐵鷹，曹人靖.航空葉片機原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[3]Flack R D.Fundamentals of jet propulsion with applica?tions[M].Cambridge：Cambridge University Press，2005.

[4]馮牧紫.可調靜子間隙對壓氣機氣動性能的影響[J].中國科技博覽，2015，(4)：221—222.

[5]張健，任銘林.靜葉角度調節(jié)對壓氣機性能影響的試驗研究[J].航空動力學報，2000，15(1)：27—30.

[6]夏聯(lián)，崔健，顧揚.可調靜葉對壓氣機低速性能影響的試驗研究[J].燃氣渦輪試驗與研究，2005，18(1)：31—34.

[7]蔣志軍，蘭發(fā)祥.可調靜子葉片機匣間隙對軸流壓氣機性能的影響[J].燃氣渦輪試驗與研究，2012，25(2)：21—23.

[8]Lee C，Song J，Lee S，et al.Effect of a gap between inner casing and stator blade on axial compressor performance [R].ASME GT-2010-22439，2010.

[9]Ribi B，Meyer M P.Influence of a gap between casing and variable stator blade on axial compressor performance[R]. ASME GT-2008-5301，2008.

[10]Rice E C，Ress R A，Hansen J L.Variable vane with wing?let：US，6283705[P].2001-09-04.

[11]Miller R J，Moss R W，Ainsworth R W，et al.Time-re?solved vane-rotor interaction in a high-pressure turbine stage[J].Journal of Turbomachinery，2003，125(1)：1—13.

[12]Layachi M Y，Bolcs A.Effect of the axial spacing between rotor and stator with regard to the indexing in an axial com?pressor[R].ASME 2001-GT-0592，2001.

[13]丁凱鋒，樊思齊.變幾何渦扇發(fā)動機加速控制規(guī)律優(yōu)化[J].推進技術，1999，20(2)：17—20.

[14]隋巖峰，邴連喜，施磊，等.某發(fā)動機高壓壓氣機進口可調靜子葉片角度控制方法[J].航空動力學報，2010，25(11)：2589—2593.

[15]胡君.CFM56-3發(fā)動機啟動、加速慢車故障分析[J].航空工程與維修，2002，(4)：25—26.

[16]李杰，樊丁，紀倉囤，等.航空發(fā)動機溫度傳感器動態(tài)特性改善方法[J].航空動力學報，2012，27(3)；707—714.

[17]CFM International.CFM56-7B engine system training manual[M].2016.

[18]Saravanamuttoo H I H，Rogers G F C，Cohen H，et al.Gas turbine theory[M].3rd ed.US：Pearson Education Group，1993.

Control law of variable stator vane for turbofan engine

HUANG Ai-hua
(Chengdu Aeronautic Polytechnic，Department of Aviation Maintenance Engineering，Chengdu 610100，China)

Variable stator vanes(VSV)are used in aero-engine to improve the characteristics and expand the surge margin of high pressure compressor to ensure stable working of aero-engine.The engine perfor?mance would be advanced by optimizing the angle control law of variable stator vane.Based on the test data of dual-rotor turbofan engine,the angle control method of variable stator vane was introduced,the angle control law of variable stator vane at low and high rotation speed was investigated,and the effect of opening the angle of variable stator vane on the engine performance was analyzed.The results show that through the improvement of the angle of the variable stator vanes at higher high pressure rotor speed,high pressure rotor physical speed and mechanical load could be reduced,rotor rotation speed margin and time on wing of en?gine could be increased.

aero-engine；high pressure compressor；variable stator vane；test data；high pressure rotor physical speed；control law

V233.7

：A

：1672-2620(2017)01-0048-04

2016-04-25；

：2016-10-23

黃愛華(1968-)，女，四川江安人，副教授，主要從事航空發(fā)動機裝配與調試工作。