某型發動機熱試車靈活性研究

■ 周罡 陳廣矚 黃彩云/國營長虹機械廠

0 引言

某型發動機是一款小型、單軸、不帶加力燃燒室的渦輪噴氣發動機，其壓氣機由一級軸流式壓氣機與一級離心式壓氣機組成；燃燒室為環形燃燒室；渦輪為單級軸流式渦輪；尾噴管為簡單收斂式不可調節的尾噴管。發動機在修理維護中進行地面試車，發現熱態靈活性（簡稱熱靈）超差故障現象出現較為頻繁。由于其故障樹復雜，短期之內難以進行精準故障定位，給發動機的修理維護工作帶來極大困擾。因此，有必要針對該型發動機地面熱試車過程，研究發動機熱靈與性能參數之間的內在聯系，分析熱靈故障的發動機性能變化規律，反推影響發動機熱靈故障機理，為制定發動機熱靈故障預防措施提供依據。

1 發動機熱靈評判依據

發動機熱靈是指熱試車停車過程中，發動機從某一指定轉速到轉子完全停止所用的時間，是評判發動機修理質量是否滿足要求的重要依據，表征發動機在熱狀態下轉子阻力的大小。當發動機出現熱靈超差故障時，說明發動機在熱狀態下轉子阻力過大，轉子部件轉動有阻滯，嚴重時將引發轉子掉塊、葉片斷裂而造成嚴重事故。例如，1962 年第2 架鷂式原型機P.1127（XP972）在試飛過程中壓氣機葉片碰磨機匣導致轉子靈活性超差故障，最終引發鈦火，飛機墜毀[1]。該型發動機的熱靈要求為發動機從1783rpm 到轉子完成停止的時間應不小于23s，當發動機熱靈小于23s 時，發動機存在熱靈故障。

2 發動機地面試車流程及性能分析

發動機是個復雜的系統，為了研究發動機主要性能指標與熱靈的關系，對發動機試車過程進行分析。地面熱試車流程如圖1 所示。發動機熱試車過程中各轉速狀態下渦輪后溫度如圖2 所示，圖中橫坐標N1 ～N9 轉速狀態分別表示發動機熱試車過程從起動至停車前的80%轉速狀態，縱坐標是對巡航狀態下標準點性能數據進行歸一化而得。從圖2 中可以看出，發動機各轉速狀態下渦輪后溫度均在極限溫度之下，滿足試車要求；起動狀態下發動機渦輪后溫度較高，是由于起動過程中燃油閥門一直處于開啟狀態，造成發動機燃油堆積，在燃油點燃的瞬間會產生劇烈燃燒現象，導致起動狀態渦輪后溫度急劇升高。從起動狀態加速至80%轉速狀態過程中，發動機渦輪后溫度隨轉速增加而下降；從80%轉速狀態加速至98.5%轉速狀態過程中，發動機渦輪后溫度隨轉速增加而上升；從98.5%轉速狀態降速至80%狀態過程中，發動機渦輪后溫度隨轉速減小而降低；與加速過程中同轉速狀態相比，渦輪后溫度基本相同。

圖1 發動機熱試車流程

圖2 發動機地面熱試車渦輪后溫度與轉速關系

地面試車要求從80%狀態停車，是該型發動機熱靈故障出現較為頻繁的原因之一。一般在停車過程中，需要發動機在慢車轉速下冷機一段時間后再停車，使發動機在慢車狀態下各部件溫度同步下降，產生同步冷縮，防止機匣冷卻速度比轉子部件快，造成外縮內脹現象，引發碰磨危險。該型發動機要求從80%轉速狀態停車，是為了避免發動機產生共振現象，其共振轉速在慢車轉速狀態和80%轉速狀態之間，約為12500rpm。為避免發動機共振，該型發動機在設計定型時要求從80%轉速狀態停車，在停車過程中測試熱靈。由于發動機沒有得到很好的冷機，因此在地面試車過程中出現發動機冷靈良好而熱靈不滿足工藝要求的現象就較為頻繁。

3 發動機性能對比分析

3.1 發動機熱靈故障案例選擇

為分析發動機熱靈故障，分別選取兩臺地面試車熱靈合格和不合格的發動機進行性能對比，發動機熱靈值和發動機狀態如表1 所示。

表1 發動機編號設置及狀態

3.2 推力對比分析

對4 臺發動機的推力進行對比，如圖3 所示，N1～N5 分別表示80%轉速狀態、85%轉速狀態、90%轉速狀態、95%轉速狀態、98.5%轉速狀態，TF 表示熱靈。從圖中可以看出，隨著發動機轉速增加，發動機推力增加；在相同轉速狀態下，4 臺發動機的推力基本一致，發動機推力不受熱靈影響。這是由于試車準備階段會檢查發動機，保證其轉動靈活、平穩、無噪聲，排除了轉動阻力大的發動機，以避免轉子卡滯等情況，因此熱靈并沒有偏離合格值太多。

從圖3 中還可以看出，在全工況下，發動機從80%轉速狀態加速至95%轉速狀態過程中，隨著轉速的增加，斜率增大；當發動機到達95%轉速后，隨著轉速的增加，斜率減小。可見95%轉速狀態是發動機的最佳工作狀態，在該狀態下發動機的經濟性能最好。這與該型發動機的設計巡航狀態相符。

3.3 耗油率對比分析

對4 臺熱靈不同的發動機的耗油率進行對比分析，如圖4 所示。從中可以看出，隨著發動機轉速的增加，耗油率降低。這是由于發動機轉速越大，壓氣機增壓比越大，燃油燃燒越充分，因此單位時間和單位推力消耗的燃油質量越少，即發動機耗油率隨推力增加而降低。巡航狀態即95%轉速狀態下，發動機的燃燒最充分，超過95%轉速狀態后，發動機燃燒效率已達到極致。從圖4 中還可以看出，在相同轉速下，要獲得相同的推力，熱靈越好的發動機耗油率越低，即熱靈越好，發動機在單位時間和單位推力條件下消耗的燃油越少。

圖4 發動機地面試車耗油率與轉速關系

圖5 為發動機單位時間燃油消耗量與轉速關系圖。從中可以看出，為使發動機轉速增加，提高發動機推力，發動機需要消耗更多的燃油。相同轉速下，發動機熱靈越好，單位時間消耗的燃油質量就越少。說明熱靈越好的發動機，發動機的經濟性能也越好。

圖5 發動機地面試車燃油消耗量與轉速關系

3.4 渦輪后溫度對比分析

圖6 為4 臺發動機渦輪后總溫與發動機轉速關系圖。從中可以看出，隨著發動機轉速增加，發動機渦輪后溫度增加，即發動機渦輪后溫度越高，氣體所攜帶的能量越多，高溫高壓的氣流推動發動機渦輪做功，提高發動機轉速，并以動能的形式噴射出去，使發動機獲得的推力越大；相同發動機轉速狀態下，渦輪后溫度越高的發動機，發動機轉子的靈活性越低。可見，相同推力情況下熱靈越好的發動機消耗量的燃油越少，渦輪后溫度越低。

圖6 發動機渦輪后溫度與轉速關系

發動機核心部件能量傳遞關系如圖7 所示。發動機工作時，空氣經過壓氣機后提高壓力和溫度，隨后氣體進入燃燒室，與從燃燒室內甩油盤噴出的霧化燃油進行混合，形成油氣混合物并在回流區內燃燒，氣流溫度迅速提升，燃燒室排出的燃氣在渦輪內膨脹做功，推動渦輪轉動，并帶動壓氣旋轉。經過渦輪的燃氣在噴管內加速，將氣體的壓力勢能轉化為動能并高速噴出，形成推力。從能量守恒的角度分析，燃油消耗量越少，說明發動機通過燃燒室給氣體注入的能量越少，發動機渦輪后溫度越低。熱試車過程中，來自燃燒室的高溫氣體給發動機加熱，發動機受熱膨脹，渦輪后溫度越高，說明氣體給發動機的受熱量越多，發動機溫度越高，發動機受熱膨脹越大，改變了發動機的間隙，進而改變了發動機熱狀態下的轉動靈活性。

圖7 發動機核心部件能量傳遞圖

4 結論

通過分析研究4 臺不同熱靈的發動機的性能變化規律發現，熱試車過程中，發動機耗油率越高、渦輪后溫度越高的發動機熱靈越小。當發動機燃油消耗率增加時，發動機渦輪后溫度會升高，發動機受熱膨脹量更大，更易引發發動機熱靈超差故障。