側風對某發動機工作參數穩定性影響的監控及分析

朱彥偉，曹高峰，劉旭東

（中航工業飛行試驗研究院，西安710089）

0 引言

進氣入口氣體流場的不均勻變化將影響發動機的穩定工作裕度[1]，進氣道與發動機的相容性是國內外一直在研究的重要課題，文獻[2]根據平行壓氣機理論計算分析了進氣條件對單軸發動機工作穩定性的影響，結果表明進氣條件對發動機的工作穩定性影響很顯著。對于雙軸發動機來說，目前還沒有完善而實用的穩定性分析理論方法，因此,對進氣道與發動機相容性評定的主要手段還是只能依靠試驗[3-4]。在國內一般是采用可移動插板式畸變發生器逼喘的方法來模擬進氣畸變，通過對發動機進口流場和工作參數的變化進行分析的方法來評估進氣畸變對發動機工作穩定性的影響[5]。進氣畸變直接影響發動機安全工作，為了有效地預測發動機在畸變進氣時對發動機性能產生的影響，文獻[6-8]研究了進氣畸變對渦扇發動機工作穩定的影響。而發動機側風地面試驗是進氣畸變項目中非常重要的適航驗證科目。主要驗證在規定的自然風條件下，發動機的工作穩定性是否受到影響，發動機的排氣溫度、高低壓轉速、振動值等工作參數是否超限。通過地面側風試驗可以確定發動機在地面側風條件下的使用包線，為編寫飛行使用手冊提供支持。

在國外已經進行了大量的工作研究地面風速、風向對發動機工作穩定性的影響，俄羅斯相關研究表明，從風對發動機工作穩定性影響的觀點來看，起作用的不是某個期限內的風速的平均值，而是風速的現有值，即在接近地表層時空氣質量紊流運動的速度[9]。美國GE公司在許多年前就進行航空民用發動機的固定風源側風試驗，并建立了1套比較完善的方法體系。但是,到目前為止，在自然風條件下由FAA和中國適航當局目擊的大涵道比民用發動機地面側風試驗,在世界發動機試驗史上是第1次，此次試驗可以積累很多寶貴的經驗，為今后其他型號發動機側風試驗提供技術支持。本文根據側風試驗過程中的實時監控情況對試驗數據進行了分析，通過發動機工作參數標準差對比方法和計算發動機低壓壓氣機出口特征流量系數的方法，確定不同側風風向條件對發動機工作穩定性的影響程度；結合對比分析結果提出合理增加試驗點的建議，為今后側風試驗的高效進行提供方法支持。

1 試驗方法和條件

發動機側風地面試驗是進氣畸變項目中非常重要的適航驗證科目。主要驗證在規定的自然風條件下，發動機的工作穩定性是否受到影響，發動機的排氣溫度、高低壓轉速等工作參數是否超限。

本次側風試驗發動機為美國GE公司生產的某型大涵道比發動機，發動機的結構外形如圖1所示，發動機工作時，空氣經進氣道進入風扇增壓的氣流分為2路，其中大部分的氣流進入外涵道，其余部分空氣經壓氣機進口導流葉片進入壓氣機、燃燒室和內涵噴管。發動機采用尾吊式安裝方式在飛機上進行安裝，該發動機在飛機上的安裝位置和側風風向的規定方法如圖2所示。

圖1 發動機外形結構

試驗開始前利用經過標定后的氣象車測量距地面高10m處的風速風向，如果自然風風速滿足試驗條件以后，將配裝試驗發動機的飛機拖至地面試驗區并調整飛機的擺放方向。測試工程師檢查測試系統工作正常后，完成試驗發動機開車并暖機后，將油門桿推至最大起飛位置使發動機在最大功率狀態工作3min，采用專用的設備對發動機的高低壓轉速、高壓壓氣機出口靜壓、發動機排氣溫度等參數進行記錄，同時實時測量自然風風速和風向的變化。第1個試驗點完成以后，調整飛機的擺放位置進行下一個試驗點試驗。

圖2 側風風向規定

2 數據分析方法

2.1 發動機工作參數計算

發動機工作參數的波動是其不能穩定工作的典型特征，發動機工作參數的變化能夠直接反映其是否工作正常，通常監控的發動機工作參數有：低壓轉子轉速N1，高壓轉子轉速N2，高壓壓氣機出口靜壓PS3和發動機排氣溫度TI[10]。通過計算對比不同風向條件下工作參數的標準差,來反映發動機工作參數的波動情況。

在給定風速風向條件下，當發動機達到給定功率狀態后，錄取一定時間（選取20s）的發動機工作參數，假定試驗點樣本數為N，其統計方法如下：

（1）將N個數據樣本點排列成數據序列；

（2）求出數據序列的平均值和標準方差。

其中，參數標準差S 的大小直接反映了數據參數離散程度，在給定發動機狀態下（發動機油門桿角度不變），工作參數的標準差S 越大，表明該參數的波動量越大，則說明發動機的工作穩定性越差。

2.2 特征流量系數計算

根據氣體動力學公式可知，可以用某一點的總壓和靜壓的比值,來表征壓氣機空氣流量系數的變化趨勢，利用低壓壓氣機出口（25截面）測量耙上某點的總靜壓比（Pt25/Ps25）與該截面處發動機的流量系數q（λ）存在正比函數關系[11]

定義Q 為表征流量系數，其關系式為

Q值的變化大小可以反映低壓壓氣機出口（高壓壓氣機進口）截面處氣流軸向速度的變化大小，因此，可以利用Q值的變化情況來反映該截面處氣流速度變化，進而來反映發動機的工作穩定性。

3 試驗結果分析

根據發動機工作特性可知，隨著發動機功率狀態的增加，發動機各部件工作環境變得越惡劣，因此，以發動機在最大功率狀態情況下的工作參數錄取數據為依據，來分析側風對發動機工作穩定性的影響。

在不同風速風向情況下，利用式（1）和（2）對發動機在最大工作狀態的20s工作參數統計見表1。從表中統計數據的“均值”數據列可見，風向對發動機的壓氣機排放靜壓Ps3和發動機排氣溫度TI的影響非常明顯，在180°（尾風）風向對發動機排氣溫度的影響比較明顯，由于發動機在尾風條件下工作時將發動機排氣吸進進氣道導致的。在230°風向條件下發動機工作參數的標準差要明顯的高于其他風向條件下的工作參數的標準差，其中高壓壓氣機排放靜壓Ps3和發動機排氣溫度TI的標準差明顯高于其他風向條件，這2個參數的波動最能夠反映發動機工作情況，由此可知230°風向對發動機工作穩定性最大。

表1 發動機最大工作狀態的20s工作參數統計

側風風向對發動機不同工作參數標準差的影響如圖3所示。從圖中明顯可見，反映發動機工作參數穩定性隨側風風向的變化趨勢。當側風風向在0～90°之間變化時，對發動機工作穩定性幾乎沒有造成影響；當側風風向在90～230°之間變化時，隨著風向角度的增加，對發動機穩定工作影響越來越大，其中在風向為230°時其影響程度最大；當側風風向在230～270°之間變化時，隨著風向角度的增加，對發動機穩定工作影響迅速變小。

圖3 側風風向對發動機工作參數標準差的影響

從發動機工作參數的標準差可以很直觀地反映側風風向對發動機工作穩定性的影響，而通過發動機低壓壓氣機出口截面（25截面）的表征流量系數，更能直觀地體現側風風向對發動機工作穩定性的影響。不同風向條件下發動機25截面特征流量系數Q 的變化如圖4所示（圖中F、M、T分別代表不同測量耙的安裝位置）。從圖中可見，在90°風向情況下特征流量系數Q 非常穩定，趨于1條穩定的直線，說明此時發動機工作非常穩定；在135°風向情況下特征流量系數Q 就產生了輕微的波動，但整體趨勢還是1條直線，說明此時發動機工作還能穩定工作；在180°風向情況下特征流量系數Q 就產生了較大的波動，其中QT值波動開始變得比較不穩定氣流，T位置區域的流速波動要明顯高于F和M位置處的流速波動，說明此時發動機工作開始出現不穩定狀態；在230°風向情況下特征流量系數Q 就產生了嚴重的波動，在3個不同位置的表征流量系數（QF、QM和QT）都產生了非常嚴重的波動，說明此時發動機工作已經出現非常嚴重的不穩定狀態。由于在進行270°風向試驗過程中，測量耙數據沒有采集，沒有給出270°風向條件下發動機25截面特征流量系數Q 的變化。

圖4 不同風向條件下發動機25截面特征流量系數Q 的變化

從上面的分析可知，230°風向側風對發動機的工作穩定性影響最大，主要與發動機的安裝形式有關，對于尾吊式安裝的發動機（試驗發動機ARJ21-700飛機安裝位置如圖5所示）來說，機身和垂尾就像1堵墻擋在氣流前面，當風速風向時刻變化的側風繞過機身和垂尾以后進入發動機進氣道，將導致發動機入口的氣流變得雜亂無章，帶有不同尺度的氣流團進氣發動機壓氣機，將導致發動機不穩定工作。試驗過程中應當把180～270°風向變化區域作為重點試驗區域，在該區域的試驗數據最能體現發動機的抗側風能力。

圖5 發動機安裝位置

4 結論

本文利用的發動機工作參數標準差統計法和發動機25截面表征流量系數法可以作為評定發動機工作穩定性的參考法，具有較高的工程使用價值，通過對不同側風風向條件下發動機最大工作狀態工作參數的對比分析可以得到的結論如下：

（1）側風風向在0～90°范圍內變化時，側風對發動機的工作穩定性沒有影響。

（2）側風風向在90～230°范圍內變化時，隨著風向角度的增加，側風對發動機的工作穩定性的影響越來越大。

（3）側風風向在230～270°范圍內變化時，隨著風向角度的增加，側風對發動機的工作穩定性的影響急劇減小。

（4）230°側風風向對發動機工作穩定性影響最大，對于尾吊式安裝的發動機，可以將180～270°風向變化區域作為重點試驗區域，在該區域內應當適當增加試驗點，可以在節省試驗成本的基礎上更快確定發動機側風條件下的工作邊界。

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