渦槳發動機風車特性評估方法及試飛驗證

趙海剛, 王朝蓬, 任丁丁

(中國航空工業集團公司, 中國飛行試驗研究院, 西安 710089)

航空渦槳發動機由于其在低馬赫數下具有諸多優點,如耗油率低、推進效率高、單位功率大等,而廣泛地應用于民用支線客機、公務機和通用飛機等領域。在飛行中,渦槳發動機配套的螺旋槳除了在正常狀態下吸收發動機功率產生正拉力牽引飛機飛行外[1-3],在某些特殊情況下將產生負拉力。比如螺旋槳的風車狀態。螺旋槳發動機的風車狀態是指發動機出現故障停車,螺旋槳處于風車狀態。這時螺旋槳從飛機前進速度中獲得空氣的動能帶動螺旋槳和發動機旋轉并產生風車阻力,其阻力大小與飛行高度、速度、螺旋槳轉速和安裝角等因素相關。風車狀態產生的阻力在數值上可能超過最大正拉力[1],在空中出現風車阻力將影響飛機的操縱性和穩定性,風車阻力過大將危及飛行安全。從公開資料看,鑒于風車阻力變化趨勢以及大小,會對飛機操縱特性產生極為不利的影響,帶來嚴重的安全問題。因此,國內配裝渦槳發動機的飛機很少進行螺旋槳風車試驗。對渦槳發動機風車特性進行計算評估,建立計算方法,并進行飛行試驗驗證,可以定量地評估風車阻力的變化趨勢,對試驗規劃以及飛行員培訓有重要作用。

渦槳發動機的性能及控制系統的設計及試驗技術是近年來航空業者重要的研究方面之一。陳懷榮等[2]、張旭等[4]采用部件特性方法進行渦槳發動機的性能建模仿真,來研究各系統之間的復雜耦合關系。蔡建斌等[5]、黃開明等[6]針對發動機的起動風車特性進行了相關建模和試驗驗證研究,為型號的定型研制奠定了堅實的技術基礎。但以上研究的基礎主要采用葉素理論、渦流理論、渦格數值升力線分析方法[8],Kutta-Joukowski定理[9]、基于流體力學的數值方法以及前進比方法/槳葉角方法等方法,每種方法均有優缺點[10],但工程適用性和結果精度有待提高。

現針對渦槳發動機裝機飛行中的風車阻力準確計算評估的技術問題,采用基于標準槳特性圖修正原理,建立飛行狀態下風車阻力計算評估方案,并以某型渦槳發動機設計定型試飛為依托,進行不同工況下的試飛驗證研究,以期為后續渦槳發動機風車阻力的計算評估以及空中起動科目的飛行試驗提供技術支撐。

1 風車特性理論分析

風車阻力計算方法涉及效用因子、功率系數、拉力系數、前進比等特征參數。

效用因子AF是螺旋槳槳葉形狀的函數,是表征槳葉平面形狀對吸收發動機功率大小的參數，通常由制造廠家給出。表1給出5種典型槳葉的效用因子。

功率系數CP用來計算螺旋槳功率,定義為

CP=P/ρn3d5

(1)

拉力系數CT用來計算螺旋槳的拉力,定義為

CT=T/ρn2d4

(2)

式中：P為螺旋槳功率,kW；T為螺旋槳拉力,N；ρ為空氣密度,kg/m3；n為螺旋槳轉速,r/min；d為螺旋槳直徑,m。

前進比J為

表1 典型槳葉的效用因子

(3)

式(3)中：V為飛行速度,km/h。

螺旋槳功率和拉力通過各自系數進行計算，即

P=CPρn3d5

(4)

T=CTρn2d4

(5)

2 風車特性計算方法

計算理論方法以螺旋槳的特性圖[8]為基準。如圖1所示,該特性圖是標準螺旋槳(總效用因子AFT=350,0.7半徑處零升角為3.1°)試驗所得。

首先對需要估算風車阻力螺旋槳的零升角和效用因子分別進行修正。

螺旋槳0.7半徑處的零升角不是3.1°時，需要進行修正,關系為

θ0.7=(θ0.7)350+3.1-εx

(6)

螺旋槳的總效用因子AFT不是350時,需要對其進行修正,修正公式為

(7)

(8)

計算方法的核心是獲取給定風車狀態下的槳葉角,通過槳葉角修正,在圖1中插值計算可以獲得功率系數和拉力系數。

由式(7)、式(8)對拉力系數進行修正得到所需的螺旋槳的功率系數和拉力系數。根據系數的定義式進而獲得螺旋槳的功率和風車阻力。

3 風車阻力評估方案設計

某型渦槳發動機為高空渦輪螺旋槳發動機,采用全權限數字式控制系統,配裝某螺旋槳槳系統。該型發動機為單轉子發動機,采用定轉速調節方式,除地面慢車狀態外,其余狀態轉速一致。根據發動機冷態特性可以得知在平衡轉速時其冷態功率值。而發動機功率和轉速的三次方成正比,由此建立發動機的冷態特性公式。

該發動機的風車狀態可以分為高速風車和低速風車兩種。高速風車指氣流做功使螺旋槳及發動機系統達到平衡轉速,螺旋槳能夠自動變距；低速風車指氣流不能使系統達到平衡轉速。

高速風車狀態下,由于達到平衡轉速,根據冷態特性可以得到發動機的功率,具體計算流程如圖2所示,步驟如下:

圖2 高速風車計算流程Fig.2 Flow chart of high speed windmill

(1)由發動機的功率獲得對應條件下的功率系數。

(2)通過式(7)獲得CP350。

(3)通過減速比、發動機轉速、飛行真空速,獲得前進比。

(4)由步驟(2)和步驟(3)的結果,在圖1(a)中進行插值計算,獲得對應的槳葉角。

(5)由步驟(3)和步驟(4)的結果,在圖1(b)中進行插值計算,獲得對應的拉力系數。

(6)對拉力系數通過式(8)進行修正,求出風車阻力。

(7)根據式(6)對槳葉角進行修正,得到槳葉角。

低速風車狀態下,由于飛機飛行速度較低,螺旋槳從空氣中獲得的動能不能滿足發動機額定轉速所消耗的能量,這時槳葉安裝角已降低到中距限動角,故調速器已經不起作用,只能依靠降低發動機轉速來維持能量平衡或功率平衡,因而螺旋槳的轉速隨飛行速度而變化。其計算步驟稍微復雜一些,需要假設發動機轉速進行迭代計算。具體計算流程如圖3所示,步驟如下:

(1)由中距限動角根據式(6)獲得(θ0.7)350。

(2)假設發動機轉速為nx。

(3)通過減速比、發動機轉速、飛行真空速,獲得前進比。

(4)由步驟(2)和步驟(3)的結果,在圖1(a)中進行插值計算,獲得對應的功率系數。

(5)對功率系數進行修正后獲得發動機功率。

(6)由冷態特性公式計算發動機轉速nd。

(7)對比nx和nd,如果兩者不相等,則對步驟(2)～(6)進行迭代計算,直到兩個轉速相等。

圖3 低速風車計算流程Fig.3 Flow chart of low speed windmill

(8)由步驟(1)的結果和轉速相等時計算的前進比,通過對圖1(b)插值計算,獲得拉力系數。

(9)對拉力系數通過式(8)進行修正,求出風車阻力。

4 試飛驗證結果分析及應用

4.1 飛行試驗規劃

根據該型渦槳發動機的空中起動高度、速度包線,在空起包線范圍內選取不同飛行高度、速度進行渦槳發動機的風車特性計算試飛驗證和結果分析。

渦槳發動機空起試驗前需要順槳停車,通常順槳系統為多余度設計,確保空中可以順槳。而渦槳發動機的起動主要分為3個階段。

第1階段為回槳階段,即螺旋槳由順槳位置開始回槳,此過程中螺旋槳從迎面氣流中獲得能量,帶動發動機旋轉,使轉速逐漸上升,風車阻力開始增大,按照空起控制邏輯進行點火。

第2階段為起動階段,螺旋槳繼續向小距變化,而轉速此過程中由螺旋槳和渦輪共同帶動壓氣機轉子旋轉,因而轉速上升較快,直至轉速已接近額定轉速,此過程中風車阻力一直存在。

第3階段為起動成功階段,發動機已進入空中慢車狀態,此狀態無風車阻力,有較小的正拉力。

4.2 試驗計算結果及分析

在低速風車狀態下,分別對高度HP為0～8 km,速度為150～400 km/h進行計算。通過編程計算,實際計算過程中,發現當速度等于VTAS379.4 km/h 時,發動機轉速已經達到平衡轉速,因此實際計算過程中將最大飛行速度調整到 379.4 km/h,得到低速風車狀態下的計算結果，如圖4(a)所示。

高速風車狀態,分別對高度0～8 km,飛行速度379.4～600 km/h進行計算,計算結果如圖4(b)所示。

由圖4可以看出,低速風車狀態下,風車阻力隨著速度增加而增大,而高速風車狀態下,風車阻力隨著速度增加而減小,因此,最大風車阻力在低速風車發動機轉速等于平衡轉速時出現。隨著高度增加,低速風車和高速風車的阻力均減小。

根據計算結果,將槳葉角和螺旋槳轉速隨飛行速度的變化繪制在圖中,具體參數值進行歸一化處理,如圖5所示。

圖4 計算結果Fig.4 The calculation result

圖5 槳葉角、螺旋槳轉速和飛行速度的關系Fig.5 The Relationship between angle of blade, propeller speed and true airspeed

4.3 計算結果的應用

該型渦槳發動機的空起試驗點高度選取為2 000、4 000、6 000、8 000 m,通常試驗中采用表速,為了便于比較,給出空起包線表速對應的真空速值,如表2所示，并將結果繪制在圖6中。在空起過程中,隨著轉速接近平衡轉速,風車阻力也在增加,這個階段需要飛行員高度注意,小心操縱飛機。

從圖6可以看出,僅考慮風車阻力因素,在整個空起包線,試驗設計時可以遵循從高高度到低高度依次進行。但由于8 km高度是空起試驗上邊界,考慮到點火等因素,空起試驗應先安排在6 km試驗。空起試驗高度層可以按照6 km→4 km→8 km→2 km 進行。為了盡量減少起動過程中的風車阻力,在2 km高度空起時,靠近表速300 km/h時進行空起,其余高度靠近表速330 km/h進行空起。這樣會盡可能地減小對應高度空起包線內的風車阻力。

表2 空起包線真空速對應值

圖6 空起包線范圍中風車阻力Fig.6 The drag of windmill in air starting envelop

5 結論

根據以上計算分析可以得到以下結論。

(1)在相同高度,在低速風車狀態下,風車阻力隨著速度增加而增大,而高速風車狀態下,風車阻力隨著速度增加而減小；在低速風車發動機轉速等于平衡轉速時,風車阻力最大。

(2)隨著高度增加,低速風車和高速風車的阻力均減小。

(3)低速風車狀態下,槳葉角基本處于限動位,而轉速隨著速度增加而增加；高速風車狀態下,轉速達到平衡轉速,槳葉角隨著速度的增加而增大。

(4)建立的渦槳發動機風車阻力計算方法經過試飛驗證表明合理可行,能夠準確地進行風車阻力特性評估,為后續渦槳發動機空中起動科目的飛行試驗提供技術支撐。