某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差分析研究

郝明 趙翌 胡嵐 林軍

摘要：對(duì)于某型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，控制高壓壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度的關(guān)鍵參數(shù)是轉(zhuǎn)差，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差可改變高壓轉(zhuǎn)子共同工作線在高壓壓氣機(jī)特性圖上的位置。除轉(zhuǎn)差影響之外，低壓壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度還取決于噴口面積。由于直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)在使用中的可靠性，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差成為該型發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)收的主要指標(biāo)之一。本文分析了影響轉(zhuǎn)差線的因素、轉(zhuǎn)差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響以及導(dǎo)向器面積對(duì)壓氣機(jī)工作線的影響。

關(guān)鍵詞：雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī);轉(zhuǎn)差;穩(wěn)定工作裕度

1轉(zhuǎn)差

1.1轉(zhuǎn)差定義

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差是指在大氣溫度為15℃、低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n_1hs=100.5%的條件下（最大狀態(tài)）渦輪前換算燃?xì)鉁囟萒_3hs與高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n_2hs之間的關(guān)系，即n_2hs=f（T_3hs）。該術(shù)語(yǔ)間接反映了高低壓轉(zhuǎn)子的匹配關(guān)系。

1.2轉(zhuǎn)差線及其確定方法

在低壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速nlhs=100.5%的條件下，當(dāng)渦輪前換算燃?xì)鉁囟萒_3hs不同時(shí)，所對(duì)應(yīng)的高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n_2hs也不同，即一個(gè)渦輪前換算燃?xì)鉁囟萒_3hs就有一個(gè)對(duì)應(yīng)的高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n_2hs。以T_3hs為橫坐標(biāo)、n_2hs為縱坐標(biāo)，可以畫(huà)出n_2hs隨T_3hs變化的曲線，即轉(zhuǎn)差線。因此，轉(zhuǎn)差線是在大氣溫度等于15℃、n_1hs=100.5%條件下高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n_2hs隨渦輪前換算燃?xì)鉁囟萒_3hs變化的曲線。理論推算表明，高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速n_2hs與渦輪前換算燃?xì)鉁囟萒_3hs及高低壓渦輪導(dǎo)向器面積存在如下關(guān)系：

n²_2hs=C₁×T_3hs[1-C₂（AII/AI）^{-2n（rg-1）/rg（n+1）}]

式中，n_2hs是高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速，T_3hs是渦輪前換算燃?xì)鉁囟龋珹I、AII分別是高低壓渦輪導(dǎo)向器出口面積，rg、n是燃?xì)獾谋葻岜群投嘧冎笖?shù)，C₁，C₂為常數(shù)。

當(dāng)AII/AI確定后，上式可以寫(xiě)成n²_2hs=C×T_3hs，由于實(shí)際使用中用到的區(qū)間較小，轉(zhuǎn)差線近似取直線。通常當(dāng)導(dǎo)向器面積確定后，試車過(guò)程中通過(guò)改變最大狀態(tài)噴口面積來(lái)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出n_2hs=f（T_3hs）的變化關(guān)系，確定轉(zhuǎn)差線。由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差客觀上存在一定的分散度，必須規(guī)定轉(zhuǎn)差的允許變動(dòng)范圍。轉(zhuǎn)差線的允許變化范圍是指均勻進(jìn)氣時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作線在高低壓壓氣機(jī)特性圖上允許變動(dòng)的范圍，通常規(guī)定轉(zhuǎn)差線的變化范圍為0～28格，即下邊界0格，上邊界28格。上下邊界的轉(zhuǎn)速差為160轉(zhuǎn)/分，每格合5.71轉(zhuǎn)/分。轉(zhuǎn)差△S就是實(shí)際轉(zhuǎn)差線與下邊界之間的格數(shù)，如圖1所示。

2影響轉(zhuǎn)差線的因素

由前述可知，對(duì)于同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)向器面積固定則轉(zhuǎn)差線位置也固定，如要改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差線，必須改變低壓渦輪導(dǎo)向器面積與高壓渦輪導(dǎo)向器面積之比，即當(dāng)AII/AI變化時(shí)轉(zhuǎn)差線位置也平行地改變。要增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差，應(yīng)使AII/AI變大，即調(diào)大低壓渦輪導(dǎo)向器面積AII或調(diào)小高壓渦輪導(dǎo)向器面積AI，使轉(zhuǎn)差線向上邊界方向平移。同理，要減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差，應(yīng)使AII/AI變小，即調(diào)小低壓渦輪導(dǎo)向器面積AII或調(diào)大高壓渦輪導(dǎo)向器面積AI，使轉(zhuǎn)差線向下邊界方向平移。

下面分別以調(diào)大高壓渦輪導(dǎo)向器面積AI和調(diào)小低壓渦輪導(dǎo)向器面積AII（減小發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差）為例加以說(shuō)明。

當(dāng)調(diào)大高壓渦輪導(dǎo)向器面積AI時(shí)，高壓渦輪落壓比減小，高壓渦輪功率減小，使高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n₂降低，轉(zhuǎn)差減小，轉(zhuǎn)差線下移。調(diào)小高壓渦輪導(dǎo)向器面積AI則反之。

當(dāng)調(diào)小低壓渦輪導(dǎo)向器面積AII時(shí)，一方面，使低壓渦輪落壓比增大，低壓渦輪功率增大，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n₁上升，n₁轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為保持n₁不變而減少主泵供油量，渦輪前燃?xì)鉁囟萒₃則下降，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n₂降低（圖2中沿轉(zhuǎn)差線由a點(diǎn)降低到c點(diǎn)）。另一方面，使高壓渦輪落壓比減小，高壓渦輪功率減小，也使高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n₂降低（圖2中將由a點(diǎn)降低到b點(diǎn)，即轉(zhuǎn)差線由曲線1向下移到曲線2）。這兩方面共同作用的結(jié)果是使高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n₂由a點(diǎn)降低到d點(diǎn)，降低較多。調(diào)大低壓渦輪導(dǎo)向器面積AII時(shí)則反之。

此外，當(dāng)噴口面積改變較多時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)差線的位置也有影響，但因影響較小通常不計(jì)入。

3轉(zhuǎn)差大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

由雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的特性可知，當(dāng)飛行馬赫數(shù)增加時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n₂和渦輪前燃?xì)鉁囟萒₃隨之升高。當(dāng)n₂上升到104%±0.5%時(shí)，高壓轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)速限制器工作，保持n₂不變。此后，馬赫數(shù)再增大，n₁和T₃均將下降，發(fā)動(dòng)機(jī)推力減小。可見(jiàn)，如果n₂和T₃選配不當(dāng)，飛行中可能造成小馬赫數(shù)時(shí)n₂限速或T₃超過(guò)規(guī)定才限速，將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和安全。因此，正確選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差就是為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的高度速度特性，在整個(gè)飛行包線內(nèi)工作。通過(guò)前面分析可知，高低壓渦輪面積比的不同組合可以得到n₂和T₃的不同組合，即不同轉(zhuǎn)差，它們的高低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和安全影響極大，以圖3為例說(shuō)明。

從圖3中可以看出△S_A<△S_B<△S_C，在同一條等轉(zhuǎn)速線上T_3A>T_3B。隨著飛行馬赫數(shù)的增加，如果T₃首先達(dá)到最大允許值而n₂沒(méi)有達(dá)到限制值，n₂轉(zhuǎn)速限制器不工作，容易引起T₃過(guò)高而燒壞渦輪部件;在同一條等轉(zhuǎn)速線上T_3C3B。隨著飛行馬赫數(shù)的增加，n₂首先達(dá)到限制值，使高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變，T₃下降，但這時(shí)T₃還未達(dá)到允許值，n₂限制后T₃更低，因此發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降，不能充分發(fā)揮潛在性能。因此，最佳選擇是使高壓轉(zhuǎn)子沿共同工作線B工作，這時(shí)既可保持高壓壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度，又可使T₃與n₂之間有良好的匹配關(guān)系。

4導(dǎo)向器面積對(duì)壓氣機(jī)工作線的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差的調(diào)整首先是為了保證高壓壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度，但在轉(zhuǎn)差調(diào)整的同時(shí)，由于渦輪導(dǎo)向器面積的變化和高壓壓氣機(jī)工作能力的變化，低壓轉(zhuǎn)子的共同工作線也相應(yīng)發(fā)生變化。

4.1調(diào)整高壓渦輪導(dǎo)向器面積

如圖4所示，當(dāng)AI增大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差變小。AI增大時(shí)高壓壓氣機(jī)共同工作線遠(yuǎn)離喘振邊界。AI增大對(duì)于高壓壓氣機(jī)來(lái)說(shuō)是開(kāi)大節(jié)氣門(mén)，高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，增壓比л_CH變小。同時(shí)，AI增大時(shí)低壓壓氣機(jī)共同工作線靠近喘振邊界。由于高壓渦輪落壓比變小，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n₂變小，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速降低對(duì)于低壓壓氣機(jī)來(lái)說(shuō)是關(guān)小節(jié)氣門(mén)，低壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，增壓比л_CL增大。同理，當(dāng)AI減小時(shí)則情況反之。

4.2調(diào)整低壓渦輪導(dǎo)向器面積

如圖5所示，當(dāng)AII增大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差變大。AII增大時(shí)高壓壓氣機(jī)共同工作線遠(yuǎn)離喘振邊界。AII增大高壓渦輪落壓比增大，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n₂增大。低壓渦輪落壓比減小，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n₁減小，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)保持n₁不變，增加供油量，提高T₃溫度。T₃升高對(duì)于高壓壓氣機(jī)來(lái)說(shuō)是關(guān)小節(jié)氣門(mén)，高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，增壓比JICH變大。同時(shí)，AII增大時(shí)低壓壓氣機(jī)共同工作線遠(yuǎn)離喘振邊界。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速增加對(duì)于低壓壓氣機(jī)來(lái)說(shuō)是開(kāi)大節(jié)氣門(mén)，低壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，增壓比л_CL變小。同理，當(dāng)AII減小時(shí)則情況反之。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧華舟.發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造[Z].空軍一航院，2002.