渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

劉世官，張紹基，薛秀生，郭貴喜

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

符號(hào)表

α2高壓進(jìn)口葉片導(dǎo)向角，°

HPB飛行高度

n2cor高壓換算轉(zhuǎn)速，%

K1（GSSUR）消喘指令信號(hào)，V

m3控制燃油電磁閥信號(hào),V

s插板插入相對(duì)深度，%

n2高壓物理轉(zhuǎn)速，rap/min

GP13M風(fēng)扇后外涵脈動(dòng)總壓電壓信號(hào)，V

GP23M風(fēng)扇后內(nèi)涵脈動(dòng)總壓電壓信號(hào)，V

P31M高壓出口脈動(dòng)總壓電壓信號(hào)，V

DPCK消喘差壓信號(hào)電壓信號(hào),V

DPCKDCDPCK的直流分量

DPCKACDPCK的交流分量

Aq1、Aq2消喘控制觸發(fā)信號(hào)1、2

Gn1發(fā)動(dòng)機(jī)低壓物理轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)，V

Gn2發(fā)動(dòng)機(jī)高壓物理轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)，V

GPFSE燃油總管壓力，MPa

Vi飛行表速，km/h

GNLB風(fēng)扇物理換算轉(zhuǎn)速，%

GNHB高壓物理換算轉(zhuǎn)速，%

GSSIG點(diǎn)火電壓信號(hào)，V

GOVL風(fēng)扇進(jìn)口葉片導(dǎo)向角，°

GOVH高壓進(jìn)口葉片導(dǎo)向角，°

1 引言

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)技術(shù)研究的開展在中國尚屬首次。本研究從理論和工程應(yīng)用2個(gè)方面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)的機(jī)理、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證方法進(jìn)行了分析，總結(jié)并建立了1套基于理論和經(jīng)驗(yàn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法。在此基礎(chǔ)上，完成了某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過了地面和空中的考核試驗(yàn)，成功應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，為提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能和保障其安全提供了重要技術(shù)保障。

本文對(duì)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)在工程應(yīng)用中出現(xiàn)失效現(xiàn)象,研究出渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的方法。

2 總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

該項(xiàng)研究的總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施分為5個(gè)階段。（1）選擇合理的逼喘方法，獲取發(fā)動(dòng)機(jī)典型的喘振數(shù)據(jù)，并結(jié)合失穩(wěn)歷史數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)失速/喘振特征，建立發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)特征工程數(shù)學(xué)模型；（2）結(jié)合氣動(dòng)失穩(wěn)特征工程數(shù)學(xué)模型，分析原消喘系統(tǒng)工作失效的原因；（3）研制渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)數(shù)字仿真平臺(tái)，進(jìn)行消喘系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定初步的設(shè)計(jì)方案；（4）進(jìn)行地面和空中試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)方案；（5）完成技術(shù)總結(jié)，對(duì)消喘系統(tǒng)的性能進(jìn)行綜合評(píng)估。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)失速/喘振特征工程數(shù)學(xué)模型

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)特征分析

利用插板和α2逼喘，獲取了大量的發(fā)動(dòng)機(jī)典型的失穩(wěn)特征數(shù)據(jù)，結(jié)合以往地面試驗(yàn)和空中試飛積累的失穩(wěn)歷史數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)喘振具有多樣性、離散性、間斷性等3個(gè)特征。

典型的發(fā)動(dòng)機(jī)喘振測(cè)試波形如圖1所示。

2.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)特征工程數(shù)學(xué)模型

分析壓氣機(jī)不穩(wěn)定工作參數(shù)結(jié)果表明，壓氣機(jī)出口不穩(wěn)定流動(dòng)的共同特點(diǎn)是壓力脈動(dòng)，并具有相對(duì)固定的頻率范圍。不同結(jié)構(gòu)和尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)見表1[1]。

表1 不同結(jié)構(gòu)和尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)

在分析大量發(fā)動(dòng)機(jī)失速喘振數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了基于發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)能量累積特征的數(shù)學(xué)模型。

式中：ΣA為失穩(wěn)能量幅度相對(duì)累加變量；t為失穩(wěn)積分時(shí)間；A0為失穩(wěn)門檻限制值；Pac為脈動(dòng)壓力信號(hào)交流分量；Pdc為脈動(dòng)壓力信號(hào)直流分量。

它涉及5個(gè)特征參數(shù)，當(dāng)式Pac-A0Pdc＜0時(shí),其值自動(dòng)賦零；否則在接下來的t時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行積分，當(dāng)ΣA值高于某一設(shè)定的常量時(shí)，就可確定發(fā)動(dòng)機(jī)流路內(nèi)出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象。

對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，只需改變A0和t，就可滿足對(duì)其氣動(dòng)失穩(wěn)測(cè)控的要求；對(duì)同一發(fā)動(dòng)機(jī)有多個(gè)（A0，t）組合，需在均衡實(shí)時(shí)性和可靠性這2個(gè)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

氣動(dòng)失穩(wěn)特征工程數(shù)學(xué)模型的說明如下。

（1）設(shè)置不同的A0值，可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)警功能。

（2）通過計(jì)算（ΣA，HPB）特征組合參數(shù)，并結(jié)合消喘指令,可以控制或產(chǎn)生較為靈活的消喘切油時(shí)序，并進(jìn)行分級(jí)控制，確保消喘過程中發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失最小。

（3）通過內(nèi)嵌多分支檢測(cè)程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)失速／喘振的檢測(cè)、預(yù)報(bào)和控制，建立通用型的發(fā)動(dòng)機(jī)防／消喘系統(tǒng)。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)原消喘系統(tǒng)失效原因分析

原消喘系統(tǒng)工作原理如圖2所示，其系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表2。消喘指令響應(yīng)時(shí)間為125 ms或50 ms，要確保在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)ΣA大于某一設(shè)定的常數(shù),就必須在該時(shí)間段內(nèi)不斷有連續(xù)的或間斷性較小的失穩(wěn)周期波作用在消喘控制器輸入端。由此可以看出，原消喘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理建立在漸近型失穩(wěn)或時(shí)間間隔較短的多周期失穩(wěn)信號(hào)之上。

表2 原消喘系統(tǒng)特征參數(shù)

如上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)喘振形態(tài)具有多樣性的特征，除在中低轉(zhuǎn)速工況下，失穩(wěn)表現(xiàn)為漸近型失穩(wěn)外，發(fā)動(dòng)機(jī)更多地表現(xiàn)為突變型失穩(wěn)。其失穩(wěn)波形具有較強(qiáng)的間斷性和離散性特征，ΣA根本不能滿足原消喘指令發(fā)出的條件。因此，與發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)特性不相適應(yīng)是原消喘系統(tǒng)不能正常工作的主要原因。

2.2.1 消喘系統(tǒng)數(shù)字仿真平臺(tái)研制與設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

消喘系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程如圖3所示。氣動(dòng)失穩(wěn)建模和仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)是其中最重要的2個(gè)環(huán)節(jié)，以下簡(jiǎn)要介紹數(shù)字仿真平臺(tái)研制與設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的情況。

2.2.1.1 消喘系統(tǒng)數(shù)字仿真平臺(tái)的研制

要得到1個(gè)性能優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)，就必須通過整機(jī)逼喘試驗(yàn)來深入研究和確定消喘控制器的控制參數(shù)。俄羅斯研制1套發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)通常要進(jìn)行500余次的整機(jī)逼喘試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證,這不僅需要巨額的科研經(jīng)費(fèi)，而且項(xiàng)目周期也很長(zhǎng)。為減少整機(jī)逼喘次數(shù)和逼喘對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的損傷，借助先進(jìn)的電子技術(shù)，研制了1套發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)數(shù)字仿真平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該平臺(tái)主要由仿真數(shù)據(jù)庫、數(shù)模轉(zhuǎn)換、消喘控制器仿真電路或算法和高速數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)4部分組成，各模塊的功能如下。

（1）仿真數(shù)據(jù)庫

提供工程應(yīng)用條件下的模擬數(shù)據(jù)，其由歷史失穩(wěn)數(shù)據(jù)庫、典型整機(jī)逼喘數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)模擬數(shù)字信號(hào)組成。前2類數(shù)據(jù)是通過動(dòng)態(tài)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集得到的數(shù)字信號(hào)，是消喘系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案仿真和優(yōu)化的主要數(shù)據(jù)源，計(jì)算機(jī)模擬數(shù)字信號(hào)則主要用來驗(yàn)證消喘系統(tǒng)的抗干擾能力。

（2）數(shù)模轉(zhuǎn)換

其功能是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。

（3）消喘控制器仿真電路或算法

通過調(diào)節(jié)仿真電路或算法的相應(yīng)參數(shù)，可以得到不同的消喘設(shè)計(jì)方案。

（4）高速數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

測(cè)量消喘控制器仿真電路狀態(tài)參數(shù)，分析和評(píng)價(jià)相應(yīng)消喘設(shè)計(jì)方案的性能。

2.2.1.2 消喘系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)特征數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合該型發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)特性，確定了多個(gè)消喘設(shè)計(jì)方案。為驗(yàn)證和優(yōu)化消喘系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在消喘系統(tǒng)數(shù)字仿真平臺(tái)上利用歷史失穩(wěn)數(shù)據(jù)和獲取的典型逼喘數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)方案的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，通過了多次模擬、仿真和優(yōu)化，確定了消喘系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的工作參數(shù)。

原系統(tǒng)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)逼喘測(cè)試數(shù)據(jù)的仿真測(cè)試波形如圖5、6所示。從圖中可見，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)喘至消喘指令K1發(fā)出所持續(xù)的時(shí)間僅為十幾毫秒，而原消喘方案則沒有響應(yīng)。與原方案相比，其設(shè)計(jì)機(jī)理發(fā)生了本質(zhì)的變化，優(yōu)化方案能對(duì)所有失穩(wěn)類型的特征進(jìn)行檢測(cè)，并作出快速響應(yīng)，其實(shí)時(shí)性和適用性有了質(zhì)的提高。

2.2.2 消喘系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.2.1 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

在地面驗(yàn)證試驗(yàn)前，對(duì)消喘系統(tǒng)測(cè)試受感部連接接頭進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性；在試車中對(duì)消喘執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，以達(dá)到既能擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度和實(shí)現(xiàn)短時(shí)消喘，又能不使發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)降低的太多（因而推力也不會(huì)降低的太多）的目的。采用上述措施，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的消喘系統(tǒng)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的有效性和可靠性。在50多次整機(jī)逼喘驗(yàn)證試驗(yàn)中，消喘系統(tǒng)工作正常率達(dá)到100%，在油門桿保持不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)恢復(fù)到喘前狀態(tài)。某工況下系統(tǒng)驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試時(shí)域波形如圖7、8所示。

2.2.2.2 空中試驗(yàn)驗(yàn)證

采用固定插板方式在空中2個(gè)不同高度處進(jìn)行了整機(jī)逼喘試驗(yàn)。空中高度1整機(jī)逼喘過程相關(guān)參數(shù)測(cè)試波形如圖9所示。從圖中可以看出，在油門桿保持不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)首次進(jìn)喘后在消喘系統(tǒng)的作用下自動(dòng)恢復(fù)到喘前狀態(tài)，由于進(jìn)口畸變流場(chǎng)的作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)第2次進(jìn)喘，在第3次進(jìn)喘后，將油門桿拉下，使發(fā)動(dòng)機(jī)退出喘振狀態(tài)。如果油門桿位置保持不變，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)進(jìn)入進(jìn)喘和退喘的無限循環(huán)中。空中高度2逼喘過程相關(guān)參數(shù)測(cè)試波形如圖10所示。

2.2.3 消喘設(shè)計(jì)性能評(píng)估

在工程應(yīng)用中，可靠性、實(shí)時(shí)性和適用性是衡量消喘系統(tǒng)的3個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。

2.2.3.1 可靠性分析

對(duì)消喘系統(tǒng)的抗干擾能力從3個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）在實(shí)驗(yàn)室，利用計(jì)算機(jī)仿真干擾信號(hào)對(duì)2種消喘系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，與原系統(tǒng)相比，消喘系統(tǒng)的抗干擾性能沒有下降。

（2）在地面進(jìn)口畸變流場(chǎng)條件下，進(jìn)行了遭遇加減速、通斷加力、起動(dòng)等過渡態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明消喘系統(tǒng)工作正常。

（3）借助飛行臺(tái)，在進(jìn)口畸變流場(chǎng)條件下，在空中加減速、通斷加力、輔助起動(dòng)、空中逼喘等試驗(yàn)過程中，消喘系統(tǒng)未出現(xiàn)任何誤動(dòng)作。

在某型飛機(jī)完成的25個(gè)飛行架次和總共70余次的逼喘試驗(yàn)中，消喘系統(tǒng)正常工作率達(dá)到100%，沒有漏報(bào)。可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的消喘系統(tǒng)具有很高的可靠性。

2.2.3.2 消喘指令信號(hào)實(shí)時(shí)性分析

在空中某2個(gè)高度發(fā)動(dòng)機(jī)喘振過程時(shí)域測(cè)試波形如圖11、12所示。從圖中可見，在高度1和高度2處，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)喘后分別在15.625 ms和31.25 ms后發(fā)出了消喘指令，綜合地面逼喘數(shù)據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的消喘系統(tǒng)消喘指令的響應(yīng)時(shí)間在30 ms左右。

2.2.3.3 適用性分析

在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)共逼喘70余次，其喘振頻率分布較寬。從喘振首發(fā)部位來看，既有高壓壓氣機(jī)也有風(fēng)扇；從發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)類型來看，既有突變型也有漸進(jìn)型。從喘振時(shí)域特征來看，喘振波形具有明顯的間斷性特征，但優(yōu)化設(shè)計(jì)后的消喘系統(tǒng)均無一例外地快速檢測(cè)出失穩(wěn)特征，并發(fā)出消喘指令信號(hào)，使發(fā)動(dòng)機(jī)快速退出失穩(wěn)狀態(tài)。

從現(xiàn)有測(cè)得的波形和數(shù)據(jù)來看，在發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)喘振波形的下跳沿附近，消喘系統(tǒng)就已檢測(cè)出失穩(wěn)特征，并發(fā)出消喘指令，這表明優(yōu)化設(shè)計(jì)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。在信號(hào)分析上，具有連續(xù)或間斷的多個(gè)失穩(wěn)波形可以分解為具有不同相位失穩(wěn)波形的疊加。因此，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的消喘系統(tǒng)能夠同時(shí)滿足漸近和突變型氣動(dòng)失穩(wěn)要求，與原系統(tǒng)相比，消喘系統(tǒng)具有更寬廣的應(yīng)用范圍。

3 結(jié)論

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)后的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)消喘系統(tǒng)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，無論對(duì)漸近型和突變型氣動(dòng)失穩(wěn)，還是對(duì)高壓先進(jìn)喘或風(fēng)扇先進(jìn)喘，均具有良好的工作適應(yīng)性。

（2）該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)。在總共70多次的逼喘驗(yàn)證試驗(yàn)和某飛機(jī)完成的數(shù)十次飛行架次中，消喘系統(tǒng)正常工作率達(dá)到100%。

（3）該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有了質(zhì)的提高。對(duì)突變型喘振，從進(jìn)喘至給出消喘控制信號(hào)所持續(xù)的時(shí)間在30 ms左右，對(duì)漸近型失穩(wěn)，可以抑制喘振的發(fā)生。

（4）所建立的氣動(dòng)失穩(wěn)工程數(shù)學(xué)模型以及數(shù)字仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)和試驗(yàn)驗(yàn)證方法可廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、地面和艦載燃?xì)廨啓C(jī)、以及其他民用葉輪機(jī)械氣動(dòng)失穩(wěn)測(cè)控設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]劉大響，胡駿，等編著.航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與評(píng)定技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004.

[2]郭貴喜，劉世官，薛秀生.基于虛擬儀器的數(shù)字式氣動(dòng)失穩(wěn)仿真系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，36（6）：43－46.