整機匹配對渦軸發動機高度溫度特性影響研究

唐曉毅 張鑫 劉淵 余雅琪

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

渦軸發動機中的旋轉部件包括壓氣機和渦輪，壓氣機和渦輪的共同工作很大程度上決定了發動機的性能優劣，在研制過程中需要通過調整部件的匹配實現發動機性能最優。對于渦軸發動機常采用的自由渦輪式單轉子核心機構型，整機性能匹配主要包括對以下3個匹配參數組合：壓氣機導葉規律、燃氣渦輪導向器喉部面積、動力渦輪導向器喉部面積。周勇[1]通過調整燃氣渦輪導向器和動力渦輪導向器喉部面積，解決了制造偏差導致的性能偏低問題，實現了某渦軸發動機最大連續狀態功率提高3.3%。王華青[2]針對雙軸式渦輪噴氣發動機的高低壓渦輪和噴口喉部面積進行了匹配研究，解決了發動機的參數匹配問題。蔡建兵[3]通過對燃氣渦輪導向器、動力渦輪一級導向器、壓氣機及壓氣機徑向擴壓器的調試，提出了一種可行的渦軸發動機性能調試方法。可見，整機匹配對調整發動機性能具有較大的工程意義。

在高原和高溫環境下，因空氣密度稀薄，渦軸發動機功率衰減較多，直升機需求功率也相對增大，往往也是發動機功率需求最嚴苛的環境，通常對發動機最大狀態功率需求最高。整機匹配技術僅需對部件做小幅調整即可實現發動機性能的匹配，具有代價小，簡便易行的優勢。本文針對渦軸發動機在高原高溫環境下功率需求更高的問題，通過仿真計算和試驗驗證相結合的方法，研究整機匹配對發動機最大狀態工作參數的影響，為渦軸發動機高原高溫環境功率提升提供技術途徑。

1.整機匹配參數影響研究

1.1 整機性能模型的建立

某典型渦軸發動機包括燃氣發生器和自由渦輪兩個轉子，組合式壓氣機軸流級導葉可調，以其研究對象，其本文采用部件法[4-6]建立該渦軸發動機的穩態性能模型，因發動機高度溫度特性評估需進行全包線性能計算，采用其高空模擬試驗數據修正模型提高計算精度。修正后的整機性能模型在最大狀態的計算值與試驗值對比如表1所示。

表1 整機模型計算精度驗證

采用修正后的整機計算模型對發動機在海拔4.5km高度下的最大狀態溫度特性進行了仿真，如圖1所示。圖中在低進氣溫度環境（T0<0℃）發動機功率受換算轉速限制，輸出功率隨大氣溫度降低而下降；在高進氣溫度環境，發動機功率受燃氣溫度Tt45限制，輸出功率隨大氣溫度上升而下降。

圖1 海拔4.5km發動機最大狀態功率溫度特性

1.2 壓氣機導葉規律影響研究

當代渦軸發動機導葉調節規律通常為發動機換算轉速與導葉角度的函數關系，導葉角度大小直接影響壓氣機工作轉速下的流量。某發動機試驗研究表明，壓氣機進口零級導葉角度變化±5°范圍內，導葉開度開大1°，等換算轉速下壓氣機進氣流量增大約0.85%，壓比和效率基本保持不變。

以某發動機為研究對象，采用本文建立的某渦軸發動機整機性能模型，開展壓氣機導葉規律對發動機匹配的影響研究，計算時給定動力渦輪前溫度Tt45為最大狀態額定值，其余參數不做限制。

圖2給出了海平面、標準大氣條件下僅壓氣機導葉規律變化對發動機最大狀態工作參數的影響。從圖中可知，在發動機最大狀態下，壓氣機零級導葉開度變化：

（1）與功率、流量、壓氣機壓比和效率的變化呈線性正相關；

（2）與工作轉速變化呈線性負相關；

（3）燃氣渦輪膨脹比基本保持不變。

從圖2中可以發現，壓氣機零級導葉開度Ang0增大使得某發動機工作轉速降低，使工作點往壓氣機高效率區移動；導葉開度減小，使發動機工作轉速大幅上升，偏離壓氣機設計轉速，故工作點發動機效率降低較多。壓氣機導葉開度增加對發動機功率提升略有好處，每增加1°將使得發動機功率約增大0.25%、工作轉速降低0.25%。

圖2 海拔4.5km發動機最大狀態功率溫度特性

1.3 動力渦輪導向器喉部面積影響研究

圖3給出了動力渦輪導向器流函數QPT變化對整機匹配的影響，流函數QPT變化在-5%～2.5%，發動機最大功率隨流函數增加而增大，在2.5%～5.0%則隨流函數增加而下降，這種趨勢是由于發動機最大狀態工作轉速通常接近100%發動機轉速，動力渦輪流函數增加將使發動機轉速線性增加，壓氣機進入堵塞工況，發動機轉速上升而空氣流量和壓比增加較少，且壓氣機效率也逐漸下降，燃氣做功能力降低。從圖3可見，動力渦輪導向器流函數增加1%，工作轉速升高0.8%。

圖3 動力渦輪導向器流通能力變化對整機匹配影響

2.整機匹配優化設計

2.1 參數匹配方法

從壓氣機導葉規律和動力渦輪導向器流函數對最大狀態的工作參數影響趨勢和大小均不一致，難以通過簡單分析得到最優匹配方案，需通過多參數綜合分析確定最優方案。渦軸發動機通常以海平面、標準天大氣條件最大狀態作為設計點，因此整機匹配優化選擇某渦軸發動機最大狀態功率為分析目標，采用試驗設計法開展動力渦輪導向器流函數和壓氣機流通能力綜合匹配。試驗設計方案如表2所示，得到評估結果如圖4所示。

表2 整機匹配分析試驗設計方案

圖4 整機匹配參數對最大狀態功率（云圖）、工作轉速（等值線）影響

從圖5中可見，在原設計方案，僅通過增加壓氣機導葉開度使發動機功率提升幅度最大僅1%。若同步增大動力渦輪導向器流函數，功率提升幅度可到4%，如圖4右上角區域所示。僅增加壓氣機導葉開度和僅縮小動力渦輪導向器流函數均能使最大狀態工作轉速降低，使發動機工作在合適的轉速。

實現發動機功率提升均具有多種組合方案，結合圖1中發動機在高原環境的溫度特性可知，最大工作狀態在低溫環境容易進入換算轉速限制，在熱天環境容易進入渦輪前溫度Tt45限制。為對比不同匹配方案對最大狀態高度/溫度特性的影響，在試驗設計方案中選擇的3種方案如圖中所示方案A/B/C，各方案的匹配方案及結果如表3所示。

表3 整機匹配方案（0km、ISA）

2.2 高度/溫度特性對比分析

對表3中各整機匹配方案開展最大狀態功率高度/溫度特性計算，評估發動機在不同大氣條件下的性能表現。圖5為ISA大氣條件下各方案的功率對比情況，在海平面，方案A較原方案功率提升了4%，隨著海拔升高，環境溫度逐漸降低，發動機進入換算轉速限制，方案A工作轉速較原方案高，故方案A在海拔2km以上最大狀態功率僅原方案提升0.5%；方案B工作轉速與原方案一致，故方案B在海拔2km以上保持約3.9%的功率提升；方案C工作轉速較原方案降低0.9%，故方案C在高海拔環境功率提升7.2%。因此，發動機工作轉速較低，不容易進入換算轉速限制，更有利于在低大氣溫環境使用。

圖5 ISA大氣條件高度特性對比

圖6給出了各方案發動機在海拔4.5km條件下的溫度特性對比，在低大氣溫度環境下，與圖5中高度特性一致，受換算轉速ngc限制，方案A輸出功率較原方案提升約0.5%，方案B輸出功率較原方案高約3.9%，方案C輸出功率較原方案高約7.2%。在高進氣溫度環境，發動機狀態受燃氣溫度Tt45限制，各方案功率提升幅度與表3一致，發動機匹配結果不影響高原功率衰減幅度。以上結果表明，通過匹配優化可以實現發動機高原低溫環境溫度特性改善。

圖6 海拔4500米溫度特性

根據壓氣機特性可知，增加壓氣機導葉開度將降低發動機使用穩定裕度，如圖7所示，壓氣機導葉開度增大使喘振裕度線性降低，同時增加動力渦輪導向器流函數可略微改善喘振裕度，匹配方案A、方案B、方案C喘振裕度分別降低了10.3%、-18.5%、25.4%。從圖7也可發現，若保持發動機喘振裕度基本不變，通過調整壓氣機導葉和動力渦輪流函數匹配關系改善性能的可行域較小。

圖7 整機匹配參數對最大狀態功率（云圖）、喘振裕度（等值線）影響

3.結論

為研究發動機匹配參數對發動機高度/溫度特性的影響，為發動機高原高溫性能提升提供技術途徑，本文以某渦軸發動機為對象，采用小偏差分析，研究了整機匹配參數壓氣機導葉規律和動力渦輪導向器流函數對發動機最大狀態工作參數的影響，研究結果表明。

（1）壓氣機導葉開度變化與發動機空氣流量變化正相關、與工作轉速負相關。

（2）動力渦輪導向器流函數與發動機最大狀態的工作轉速影響較大，為正相關關系。

采用試驗設計法完成了某發動機整機匹配優化，選擇了三種匹配方案進行分析，匹配優化方案的高度/溫度特性對比分析表明。

（1）在低進氣溫度環境，發動機容易進入換算轉速限制，工作轉速較高的匹配方案功率提升幅度較小，工作轉速低的發動機功率提升幅度可達到7.2%。

（2）在高進氣溫度環境，發動機狀態受燃氣溫度Tt45限制，通過優化匹配可實現發動機功率提升3.9%，但發動機匹配不影響高原功率衰減幅度。

綜合以上分析，為改善發動機低進氣溫度環境功率特性或高度特性，應調整發動機匹配使其工作在較低轉速；通過優化發動機匹配可以實現發動機功率小幅度提升，但也需同步關注匹配結果對發動機喘振裕度的影響。