大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律分析

李瑞軍，李泳凡，劉建軍，王 強(qiáng)

（沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，沈陽 110015）

1 引言

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)主要用于運輸機(jī)或者民用客機(jī)，對發(fā)動機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求較高。在發(fā)動機(jī)設(shè)計中，除了考慮性能要求外，還應(yīng)考慮為發(fā)動機(jī)的氣動、機(jī)械和熱負(fù)荷留有足夠的裕度，以及較低的耗油率。當(dāng)發(fā)動機(jī)循環(huán)參數(shù)選定后，發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)規(guī)律決定了發(fā)動機(jī)在各種工況下各主要性能參數(shù)的變化規(guī)律。

本文歸納總結(jié)了大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律的設(shè)計特點，計算分析了采用不同調(diào)節(jié)規(guī)律對分開排氣的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)性能的影響。

2 大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律設(shè)計特點

2.1 調(diào)節(jié)規(guī)律的設(shè)計原則

（1）在各種工作狀態(tài)及飛行條件下，充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的潛能，使之性能達(dá)到最佳，從而滿足飛機(jī)的使用要求。

（2）發(fā)動機(jī)的調(diào)節(jié)規(guī)律應(yīng)在任何時候都保持發(fā)動機(jī)工作處在喘振邊界、熄火邊界、機(jī)械應(yīng)力極限和壽命極限條件所要求的限制范圍之內(nèi)，以保證發(fā)動機(jī)的安全性和可靠性。

（3）保證發(fā)動機(jī)具有較強(qiáng)的抗畸變能力，足夠的喘振裕度，以保證發(fā)動機(jī)的可靠性。

（4）在滿足飛機(jī)推力要求的前提下，發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性最佳。

（5）控制方法上簡單，工程上易于實現(xiàn)。

2.2 等推力調(diào)節(jié)要求

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的功率調(diào)節(jié)與軍用小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的有較大區(qū)別，在起飛、爬升和空中巡航狀態(tài)下，要求發(fā)動機(jī)在一定環(huán)境溫度下保持等推力，在起飛狀態(tài)下要求最低達(dá)到在ISA（國際標(biāo)準(zhǔn)大氣）＋15 K溫度范圍內(nèi)等推力調(diào)節(jié)，在爬升和空中巡航狀態(tài)下要求最低達(dá)到在ISA＋10 K溫度范圍內(nèi)等推力調(diào)節(jié)。

2.3 發(fā)動機(jī)基本工作狀態(tài)變化的調(diào)節(jié)要求

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)基本工作狀態(tài)包括地面起飛狀態(tài)、爬升狀態(tài)、最大連續(xù)狀態(tài)、最大巡航狀態(tài)、地面慢車狀態(tài)和空中慢車狀態(tài)。在不同高度和工作狀態(tài)下，對發(fā)動機(jī)的推力要求不同。主要通過改變供油量調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、壓比或渦輪進(jìn)口溫度等來實現(xiàn)對推力的控制。至于在不同高度和不同工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)速、壓比或渦輪進(jìn)口溫度的高低,主要根據(jù)飛機(jī)對發(fā)動機(jī)在對應(yīng)狀態(tài)下的推力要求來確定，同時需兼顧考慮發(fā)動機(jī)的氣動、機(jī)械和熱負(fù)荷的承受能力以及留有足夠的裕度等。

2.4 等噴口面積下的調(diào)節(jié)要求

發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇與發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系。例如是單軸的還是雙軸的，是渦扇還是渦噴，渦扇的涵道比大還是小，噴口是否可調(diào)等，決定著調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇。大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)具有以下結(jié)構(gòu)特點：風(fēng)扇直徑大，外涵空氣流量大，推力大部分由外涵產(chǎn)生，且噴口基本不可調(diào)。因此大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律大都采用調(diào)節(jié)低壓轉(zhuǎn)速或壓比的方式來控制發(fā)動機(jī)推力，但是隨著發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度的升高，發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度也隨之升高，為了保證發(fā)動機(jī)安全和具有足夠的裕度，當(dāng)該溫度上升到一定值時，需限制其升高，從而使發(fā)動機(jī)的調(diào)節(jié)規(guī)律從調(diào)節(jié)低壓轉(zhuǎn)速或壓比轉(zhuǎn)換到調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口溫度，由于渦輪進(jìn)口溫度過高，不易測量，因此目前限制渦輪進(jìn)口溫度主要通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)排氣溫度（低壓渦輪2導(dǎo)處或低壓渦輪出口溫度）來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)狀態(tài)。

3 大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)的選擇

3.1 慢車狀態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)的選擇

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)慢車狀態(tài)包括地面慢車和空中慢車狀態(tài)，主要用于地面檢查、停機(jī)線等飛、著陸及空中降低高度下滑等飛行狀態(tài)。

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)慢車狀態(tài)選取的調(diào)節(jié)參數(shù)與軍用小涵道比發(fā)動機(jī)的相同，一般均選取高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2為調(diào)節(jié)參數(shù)。主要原因是在慢車狀態(tài)下的穩(wěn)定工作受到燃燒室穩(wěn)定燃燒邊界的約束，即最低燃油/空氣比，而該比值受到高壓壓氣機(jī)出口氣流的影響，因此慢車狀態(tài)一般選擇高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2為調(diào)節(jié)參數(shù)。

3.2 典型工作狀態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)的選擇

現(xiàn)役大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)噴口面積基本不可調(diào)，且要求在一定環(huán)境溫度范圍內(nèi)保持等推力。從國外現(xiàn)役大涵道比發(fā)動機(jī)所選取的調(diào)節(jié)參數(shù)來看，能夠?qū)崿F(xiàn)這種調(diào)節(jié)要求的可供選擇的調(diào)節(jié)參數(shù)主要有3個，即低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n1C、發(fā)動機(jī)壓比EPR(Pt5/Pt2)和風(fēng)扇外涵壓比 FPR（Pt13/Pt2），而調(diào)節(jié)因子是惟一的，即燃燒室燃油流量。從原理上來說，這幾個調(diào)節(jié)參數(shù)適合任何結(jié)構(gòu)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)，至于選擇哪個調(diào)節(jié)參數(shù)作為發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的主調(diào)節(jié)參數(shù)，不同的發(fā)動機(jī)公司都有自己的傳統(tǒng)，如GE公司一般采用n1C作為穩(wěn)態(tài)主調(diào)參數(shù)，如CFM56、GE90等發(fā)動機(jī)；PW公司一般采用EPR作為主調(diào)節(jié)參數(shù)，如JT9D －7R4E、PW4000、V2500 等發(fā)動機(jī)；RR公司的3轉(zhuǎn)子大涵道比發(fā)動機(jī)RB211－524H也采用EPR作為主調(diào)節(jié)參數(shù)。而采用FPR作為主調(diào)節(jié)參數(shù)的發(fā)動機(jī)較少，目前了解到的只有RB211－535E4發(fā)動機(jī)采用。因此，大涵道比發(fā)動機(jī)可選取3個調(diào)節(jié)參數(shù)中任何1個作為主調(diào)節(jié)參數(shù)。

4 大涵道比發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律的制定

4.1 慢車狀態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律的制定

考慮到發(fā)動機(jī)在慢車狀態(tài)下工作的特點，慢車轉(zhuǎn)速的確定和在慢車狀態(tài)下調(diào)節(jié)規(guī)律的制定應(yīng)滿足以下基本要求：

（1）提供必需的推力（地面慢車推力一般約為最大推力的3%～5%）；

（2）發(fā)動機(jī)在慢車狀態(tài)工作時應(yīng)具有良好的加速性；

（3）燃燒室有合適的油氣比，防止熄火；

（4）壓氣機(jī)有足夠的穩(wěn)定裕度；

（5）發(fā)動機(jī)的排氣溫度不得超過規(guī)定值。

在滿足上述要求的情況下，在慢車狀態(tài)下調(diào)節(jié)規(guī)律一般有以下4種：

（1）Wf～n2＝常數(shù)；

（2）Wf～n2＝f（T2）＝常數(shù)；

（3）Wf～n2＝f（T0，P0）；

（4）Wf＝常數(shù)。

目前較為常用的是第2種。其中在地面慢車狀態(tài)和空中慢車狀態(tài)下的調(diào)節(jié)規(guī)律基本一致，而在空中慢車狀態(tài)下，因復(fù)飛時要求迅速提供推力，故空中慢車轉(zhuǎn)速高于地面慢車轉(zhuǎn)速。

4.2 典型工作狀態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律的制定

目前大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)典型狀態(tài)工作點采用的穩(wěn)態(tài)主調(diào)節(jié)規(guī)律如圖1所示。

如圖1所示的調(diào)節(jié)規(guī)律適用于大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)幾個典型狀態(tài)，即最大起飛狀態(tài)、最大爬升狀態(tài)、最大連續(xù)狀態(tài)和最大巡航狀態(tài)，且在拐點(CORNER POINT)后均采用限定排氣溫度的調(diào)節(jié)規(guī)律，因此本文主要分析在拐點前采用不同調(diào)節(jié)參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響。而對于不同的典型狀態(tài)，不同的調(diào)節(jié)參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響基本類似，本文選擇最大起飛狀態(tài)為主要研究對象。

另外，飛機(jī)在不同高度和速度下對發(fā)動機(jī)的性能要求往往并不完全與發(fā)動機(jī)自身固有的高度、速度特性完全一致。因此，為了滿足飛機(jī)的性能要求，發(fā)動機(jī)在制定調(diào)節(jié)規(guī)律時需對發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)參數(shù)從高度和速度2個方面進(jìn)行修正。一般的修正曲線如圖2、3所示（對于采用不同調(diào)節(jié)參數(shù)或不同發(fā)動機(jī)，其修正系數(shù)不完全一致）。

5 不同調(diào)節(jié)參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能影響的計算與分析

5.1 不同調(diào)節(jié)參數(shù)對發(fā)動機(jī)溫度特性的影響

分別采用 n1C＝const、EPR＝const、FPR＝const調(diào)節(jié)規(guī)律的分開排氣大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)性能隨環(huán)境溫度變化曲線如圖4所示。

根據(jù)發(fā)動機(jī)的特點，在規(guī)定環(huán)境溫度范圍內(nèi)，要求發(fā)動機(jī)實現(xiàn)等推力。從圖4中可見，無論采用哪種調(diào)節(jié)規(guī)律，等推力均是近似的。采用n1C＝const和FPR＝const調(diào)節(jié)規(guī)律，隨著環(huán)境溫度的升高發(fā)動機(jī)推力略有增加，原因是隨著大氣溫度的升高，氣體絕熱指數(shù)略有增大，因此發(fā)動機(jī)推力小幅增大；而采用EPR＝const調(diào)節(jié)規(guī)律，隨著大氣溫度的升高，發(fā)動機(jī)進(jìn)口換算流量略有減小，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)推力小幅減小；采用3種調(diào)節(jié)規(guī)律，隨著大氣溫度的升高，發(fā)動機(jī)耗油率均增加，且增加幅度基本相當(dāng)。

5.2 不同調(diào)節(jié)參數(shù)對發(fā)動機(jī)速度特性的影響

分別采用 n1C＝const、EPR＝const、FPR＝const調(diào)節(jié)規(guī)律的分開排氣大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)性能隨飛行馬赫數(shù)變化曲線如圖5所示。

從圖5中可見，采用n1C＝const和 FPR＝const調(diào)節(jié)規(guī)律，隨著飛機(jī)飛行速度的增大，發(fā)動機(jī)推力大幅減小，耗油率大幅增加；而采用EPR＝const調(diào)節(jié)規(guī)律，隨著飛行速度的增大，發(fā)動機(jī)推力先大幅減小，然后變化比較平緩，最后略有增大。耗油率變化與其它2種調(diào)節(jié)規(guī)律的相同。

5.3 不同調(diào)節(jié)參數(shù)對發(fā)動機(jī)高度特性的影響

分別采用 n1C＝const、EPR＝const、FPR＝const調(diào)節(jié)規(guī)律的分開排氣大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)性能隨飛行高度變化曲線如圖6所示。

從圖6中可見，采用不同調(diào)節(jié)規(guī)律，隨著高度的增加，發(fā)動機(jī)推力、耗油率變化幅度和趨勢基本相當(dāng)。

5.4 不同調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)缺點分析

（1）從3個調(diào)節(jié)參數(shù)對比來看，采用n1C＝const和FPR＝const調(diào)節(jié)規(guī)律，對分開排氣的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)保持等推力更為有利；

（2）分別采用 EPR＝const、FPR＝const、n1C＝const調(diào)節(jié)規(guī)律，速度特性由好變差；

（3）從參數(shù)測量和工程實現(xiàn)的角度來說，3個調(diào)節(jié)參數(shù)均需2個測量值計算獲得，其中n1C需測量低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度，EPR需測量發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓力Pt2和渦輪出口壓力Pt5，F(xiàn)PR需測量發(fā)動機(jī)進(jìn)口壓力Pt2和風(fēng)扇外涵出口壓力Pt5，因此3個調(diào)節(jié)參數(shù)出錯概率均等，即可靠性基本一致。但是從目前測量技術(shù)發(fā)展來看，轉(zhuǎn)速測量更準(zhǔn)確、更可靠，因此目前大涵道比發(fā)動機(jī)普遍選用n1C作為調(diào)節(jié)參數(shù)來控制和管理發(fā)動機(jī)推力。

6 穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)規(guī)律的實現(xiàn)

發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)規(guī)律確定后，就需相應(yīng)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)。目前國際上大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)普遍采用的控制系統(tǒng)分為監(jiān)控型控制和全功能數(shù)字電子控制2大類。監(jiān)控型控制是指發(fā)動機(jī)主要控制功能由液壓機(jī)械式控制器完成，如轉(zhuǎn)速控制及起動、加速、減速控制等。發(fā)動機(jī)電子控制器（EEC）的作用主要是監(jiān)控和限制，保證精確的推力控制，同時不要超出發(fā)動機(jī)的工作限制。而在全功能數(shù)字電子控制系統(tǒng)（FADEC）中，液壓機(jī)械裝置只保留執(zhí)行機(jī)構(gòu)（在有的機(jī)構(gòu)上它還作為電子控制失效后的備份控制），所有控制均由EEC完成。從目前的技術(shù)發(fā)展趨勢來看，航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)將普遍采用FADEC。

在全功能數(shù)字電子控制系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)主控制主要由EEC實現(xiàn)，具體的控制方案如圖7所示。幾個典型狀態(tài)點調(diào)節(jié)參數(shù)（n1c、EPR、FPR）基準(zhǔn)值由設(shè)定的推力桿角度TLA決定，并由進(jìn)口溫度T2、高度和馬赫數(shù)修正（此外可能還會考慮飛機(jī)引氣和功率提取的修正）。依據(jù)TLA計算的n1C/EPR/FPR同實際測量的n1C/EPR/FPR的差值調(diào)節(jié)燃油流量直到差值消除，即可實現(xiàn)對大涵道比發(fā)動機(jī)典型狀態(tài)點穩(wěn)態(tài)性能的閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)推力的管理。

7 結(jié)論

（1）選擇哪個參數(shù)作為主調(diào)節(jié)參數(shù)，與各公司的習(xí)慣和技術(shù)發(fā)展方向有關(guān)，需選擇適合本公司的調(diào)節(jié)參數(shù)作為主調(diào)節(jié)規(guī)律控制參數(shù)，從目前的技術(shù)發(fā)展趨勢來看，選取n1C將為主要發(fā)展方向。

（2）3種調(diào)節(jié)規(guī)律均能滿足大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)要求的等推力，但是每種調(diào)節(jié)規(guī)律均是近似的，且趨勢不盡相同。

（3）3種調(diào)節(jié)規(guī)律對發(fā)動機(jī)速度特性的影響趨勢大致相同，但是每種響應(yīng)的程度不盡相同。

（4）3種調(diào)節(jié)規(guī)律對發(fā)動機(jī)的高度特性影響趨勢基本一致。

[1]許春生，馬乾綽.航空發(fā)動機(jī)電子控制[M].北京:中國民航出版社，1998.

[2]史秀宇.民用航空發(fā)動機(jī)性能故障診斷途徑 [J]. 航空發(fā)動機(jī)，2008,（3）,49-51.