基于壓氣機進口導葉可調的渦軸發動機性能參數換算方法研究

李定乃，蔡建兵，夏商周

(中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412000)

1 引言

在航空發動機研制階段，為優化發動機性能和獲得發動機壽命周期性能衰減數據，為發動機匹配優化和部件改進優化提供依據，需要進行大量的臺架試驗。因發動機普通臺架試驗性能受大氣環境影響，為此需要一種能對不同大氣環境條件下發動機性能進行等效評價的方法，以消除環境溫度、壓力及濕度對燃氣渦輪發動機性能參數的影響。

傳統的方法是采用相似原理，將轉速、溫度、功率等性能參數折合至標準大氣工況，但在發動機工程應用中效果并不理想。針對此問題，國內外已經開展了很多研究，且主要是通過修正傳統方法的換算指數來提高精度。Volponi[1]通過基于敏感系數矩陣的模型分析法和基于實際數據的經驗法來確定修正指數，并以渦扇發動機為例進行了詳細介紹。Bird[2]等對比研究了Samuels等提出的線性濕度修正方法和Fishbeyn等提出的近似二次方曲線濕度修正方法的差異，并采用RB211、PW100、CFM56 等發動機數據進行了對比驗證。劉大響[3]利用相似原理，推導出發動機各主要性能參數的大氣濕度修正系數，并在WP-6等發動機上成功應用。房友龍等[4]在傳統的燃氣輪機性能參數標準化折合的標準化模型的基礎上，提出一種基于經驗的參數折合方法，利用對環境溫度(或環境壓力)回歸直線的斜率、環境溫度(或環境壓力)均值和被折合參數均值確定折合指數，對燃氣輪機性能參數進行折合，以消除環境溫度和壓力的影響。黃開明等[5]采用等效相似轉換方法研究帶恒轉速控制自由渦輪的渦軸發動機性能參數換算方法，提高了試驗參數的換算精度。馬前容等[6]提出采用相似換算和小偏差分析相結合的方法來進行渦軸發動機高空模擬試驗性能修正。

對于壓氣機進口導葉可調的渦軸發動機，其導葉控制規律為燃氣渦輪發生器轉子轉速和大氣溫度的函數。由于該轉速并未考慮濕度修正，這必然導致在不同環境溫度和濕度環境下，經過濕度修正的同一燃氣發生器轉子換算轉速下存在壓氣機進口導葉角度不一致的情況，即發動機技術狀態不一致，從而影響發動機性能評價的準確性和有效性。本文以傳統的相似換算方法為基礎，綜合分析濕度修正和壓氣機進口導葉控制規律對渦軸發動機整機性能的影響，增加壓氣機導葉角度不一致對發動機性能影響的修正項，提出一種工程實用的基于壓氣機進口導葉可調的渦軸發動機試驗性能參數換算方法。

2 渦軸發動機試驗性能評價方法

以某單轉子燃氣發生器帶自由渦輪式渦軸發動機為研究對象。該發動機由粒子分離器、軸流+離心式組合壓氣機、環形回流燃燒室、單級冷卻式渦輪以及雙級非冷卻式動力渦輪等主要部件組成。

2.1 組合式壓氣機導葉調節規律

為保證發動機工作轉速內發動機具有足夠的喘振裕度，組合壓氣機采用了中間級放氣和軸流級可調導葉的措施。在軸流級與離心級中間設置放氣裝置，當組合壓氣機出口壓力達到設置壓力時，放氣活門自動關閉。由于其關閉壓力較小，在所有使用狀態以下，對發動機工作狀態性能評價無影響。

壓氣機軸流級進口導葉和第1級導葉為可調導葉，二者通過機械連接，由數控系統控制。可調導葉的角度為燃氣發生器轉子相對轉速和環境溫度的函數：

式中：α為壓氣機進口導葉角度，ngr為燃氣發生器轉子相對轉速，T0為環境溫度(K)。

2.2 試驗性能評價方法

該發動機試驗性能評價方法為換算到海平面靜止標準大氣條件下進行比較。該評價方法需進行兩次修正：首先采用濕度修正系數對試驗測量參數進行修正，獲得干空氣時相對應試驗條件(環境溫度、壓力)下對應的性能參數；然后將經濕度修正后的性能參數換算到海平面標準大氣條件。

試驗臺濕度計測量的為大氣相對濕度RH。根據大氣壓力、大氣溫度和相對濕度，計算比濕度Rs：

式中：p0為環境壓力，psat為水的飽和蒸汽壓。

為消除大氣濕度對發動機性能參數的影響，采用濕度修正系數CHn(公式(4))對發動機主要測試參數進行修正。其中，ngr、動力渦輪進口總溫Tt4B、輸出軸功率PSh、燃油流量Wf的修正系數分別為CH1，CH2，CH3，CH4，各參數濕度修正系數與比濕度的關系如圖1所示。耗油率sfc的濕度修正系數CH5=CH4/CH3。

圖1 參數濕度修正系數與比濕度的關系Fig.1 Humidity correction factor against specific humidity

主要測試參數濕度修正值與實際測量或計算值的關系為：

式中：下標k表示濕度修正。

采用傳統的相似換算方法，對濕度修正后的參數進行環境溫度和壓力換算，換算至干空氣、海平面、靜止條件下。

式中：下標c表示換算至標準大氣條件，θ=T0288.15，δ=p0/101.325。

3 濕度修正和壓氣機導葉角度對發動機性能的影響

3.1 不同大氣條件下濕度修正的影響

為更直觀評價大氣條件(環境溫度和相對濕度)對ngr、Tt4B、PSh、Wf以及sfc的影響程度，圖2 給出了各參數修正系數與環境溫度和相對濕度的關系曲線，表1給出了不同環境條件下濕度的影響。可見：

圖2 濕度修正系數與大氣溫度和濕度的關系Fig.2 Humidity correction factors vs.ambient temperature and humidity

(1) 低溫環境(環境溫度≤293.15 K)時，濕度修正基本可以忽略不計，并且低溫環境下空氣相對濕度也較低。如環境溫度293.15 K、相對濕度100%時，對ngr、Tt4B、PSh、Wf和sfc的修正影響分別為-0.43%，0.06%，-0.34%，-0.75%，-0.35%。

(2) 高溫潮濕環境時，各參數濕度修正影響較大，不能忽視。如環境溫度313.15 K、相對濕度80%時，對ngr、Tt4B、PSh、Wf和sfc的修正影響分別為-0.90%，0.21%，-1.10%，-1.20%，-1.00%。

3.2 壓氣機導葉角度的影響

采用壓氣機進口導葉和第1級靜子葉片可調的方式，來增加發動機非設計點狀態下的工作穩定裕度，是渦軸發動機上常見、有效的方法。調整進口導葉及靜子葉片來防止喘振，其實質是在非設計工況時改變壓氣機進口預旋速度，從而減小第1 級動葉的進氣攻角，改善氣流流場。反映在性能圖上，原來在A點工作的壓氣機，通過調節葉片轉角變成在A′點工作，工作點遠離不穩定邊界，如圖3所示。

圖3 可調進口導葉防喘機理示意圖[9]Fig.3 The principle of anti-surge of compressor variable inlet guide vanes

由公式(1)可知，通過壓氣機流程數值計算的方式獲取不同進口導葉角度下壓氣機特性圖工作量大且計算精度也難以保證。為此，本文通過控制壓氣機進口導葉角度單一變量的方法，通過整機試驗獲得壓氣機進口導葉角度對發動機性能參數的影響。

采用影響系數Kαn來量化在給定發動機燃氣發生器相對換算轉速ngcr時，壓氣機進口導葉角度每增加1°對發動機各參數影響的大小，其定義式為：

式中：Param為發動機參數，ΔParamngcr為ngcr時Param的變化量，Δα為ngcr時壓氣機進口導葉角度的相對變化量(°)，ParamD為Param設計點值。

圖4 給出了ngcr在0.900～0.975 之間，壓氣機進口導葉每增加1°對發動機Tt4B、PSh、Wf的影響。由圖可知，隨著轉速增加，壓氣機進口導葉每增加1°，Tt4B、PSh、Wf相對增加量基本成線性增加。ngcr在0.900～0.975 之間，Tt4B、PSh、Wf相對增加量分別增加(5.4%～6.2%)、(1.9%～3.4%)、(1.5%～2.6%)。由此可知，壓氣機進口導葉角度改變對渦軸發動機整機性能影響較大，不容忽視。

3.3 濕度修正對相同換算轉速下壓氣機進口導葉角度的影響

由前文可知，發動機性能評價是在經濕度和大氣溫度修正后同一相對換算轉速(ngkcr)條件下進行對比，而壓氣機進口導葉調節規律只是T0和ngr的函數。由圖2可知，CH1隨著T0和RH的增加而減小。當ngcr一定時，T0和RH越高，ngkcr就越小。這就會導致ngkcr相同時，干空氣試驗條件下的壓氣機進口導葉角度比高溫高濕大氣試驗條件下的小，必然會影響發動機的性能，使發動機性能評價的準確性和有效性受到影響。

為消除壓氣機進口導葉角度不一致對性能參數的影響，需要在原渦軸發動機性能評價方法中增加壓氣機進口導葉角度修正項，為此需要量化壓氣機進口導葉角度修正量。圖5給出了在某渦軸發動機壓氣機導葉調節規律條件下，不同ngcr時壓氣機進口導葉角度修正量與大氣溫度和大氣相對濕度的關系。

圖5 不同ngcr時壓氣機進口導葉角度的相對修正值Fig.5 Correction factor of the angle of compressor variable guide vanes at different ngcr

3.4 考慮濕度修正和壓氣機進口導葉角度修正的整機性能評價方法

前文研究表明，為準確評價渦軸發動機整機試驗性能，必須綜合考慮大氣濕度修正和濕度修正后壓氣機進口導葉角度不一致對整機性能的影響。本文在原渦軸發動機性能評價方法的基礎上，根據壓氣機進口導葉角度修正量和影響系數Kαn，增加壓氣機進口導葉角度對整機性能修正項；對于大氣濕度修正，采用經過應用檢驗的原濕度修正方法。壓氣機進口導葉角度對Tt4B、PSh及Wf的影響系數分別為Kα1，Kα2，Kα3，改進的渦軸發動機整機性能參數換算修正公式為：

式中：下標α表示經壓氣機進口導葉角度修正，下標D表示設計點參數。

為驗證原來的與改進的渦軸發動機整機性能參數換算修正方法的準確性，對同狀態渦軸發動機在不同環境條件下的兩次試驗的性能參數進行對比分析。兩次試驗在同一試驗臺上進行。其中，試驗1：T0=280.15 K，RH=20%，p0=99.50 kPa；試驗2：T0=303.15 K，RH=80%，p0=100.80 kPa。對比結果如圖6所示。可見，采用原方法對渦軸發動機參數進行換算修正后存在較大的誤差，其中Tt4B相差8～12℃，PSh相差20～35 kW，sfc相差1.0%～1.5%。采用改進方法對渦軸發動機參數進行換算修正后吻合很好，PSh最大相差約5 kW，Tt4B和sfc基本一致。

圖6 同轉速不同環境條件下兩種性能評價方法的發動機主要性能參數對比Fig.6 Comparison of main engine performance parameters between two performance evaluation methods under different environmental conditions at the same rotating speed

4 結論

通過研究某型渦軸發動機整機試驗性能評價方法，發現因濕度修正會導致不同環境條件下相同燃氣發生器相對換算轉速時壓氣機進口導葉角度不一致，而壓氣機進口導葉角度變化對發動機性能影響較明顯，從而影響發動機性能評價的準確性和有效性。通過引入因濕度修正后壓氣機進口導葉角度不一致對整機性能影響的修正項，提出了改進的渦軸發動機整機試驗性能評價方法。研究可得出：

(1) 低溫環境時，濕度修正基本可以忽略不計，并且低溫環境下空氣相對濕度也較低；但高溫潮濕環境時，各參數濕度修正影響較大，不能忽視。

(2) 壓氣機進口導葉角度變化對發動機性能影響較明顯，因濕度修正后相同燃氣發生器相對換算轉速時壓氣機進口導葉角度不一致對整機性能影響明顯，影響性能評價的準確性和有效性。

(3) 改進后的渦軸發動機整機試驗性能評價方法效果明顯，精度得到較大提升。

(4) 本文方法可用于其他壓氣機進口導葉可調的渦軸/渦槳發動機整機試驗性能評價，對帶壓氣機進口可調導葉的其他類型發動機(如渦噴/渦扇發動機)性能評價方法也有參考價值。