航空發動機整機超轉試驗方法研究

宋興超 彭振宇

摘要：以分排渦扇發動機為例，理論分析航空發動機整機超轉試驗高低壓轉子轉速調整方法、試驗方法及試驗過程中發動機控制系統的適應性調整策略。說明轉速調整方法和試驗方法對于發動機高低壓轉速的影響。強調為保證試驗結果的有效性，必須通過試驗驗證或者充分的分析論證說明發動機工作狀態和技術狀態的調整對試驗結果不會造成影響。

關鍵詞：轉子轉速、整機試驗、控制系統調整

1 引言

航空發動機在設計過程中為保證結構完整性需要進行包含超轉試驗等一系列試驗，許多試驗要求發動機轉子在超過穩態最高允許轉速條件下進行，比如相關條款規定：為了提供轉子結構完整性的必要儲備，轉子應有足夠強度承受下列非正常狀態的載荷：轉子轉速為穩態最高允許轉速的115%，并在最高允許測量燃氣溫度下持續工作5min。

但是在實際情況下這些超轉轉速在常規設計條件下是無法達到的，比如在高溫天發動機由于排氣溫度的限制使發動機轉子轉速無法達到所需極限轉速；由于低壓轉子轉速的限制使高壓轉子轉速無法達到所需轉速，或者由于高壓轉子轉速的限制使低壓轉子轉速無法達到所需極限轉速。因此，就需要采取一些調整方法、試驗方法來保證發動機轉子轉速達到試驗要求。

本文以分排渦扇發動機地面臺架試驗為例，討論整機超轉試驗過程中常用的發動機轉子轉速調整方法、試驗方法及其他注意事項。

2 發動機高低壓轉子轉速調整方法

2.1 改變噴口面積法

改變發動機噴口面積利用兩套機構，其一是利用發動機上原有的工作狀態噴口面積，通過調整噴口的控制規律來改變如加力、中間及額定狀態的噴口面積；其二是在用尾塞機構（它可以在任何一種噴口位置上繼續減小噴口面積，該方法的優點是噴口面積的可調范圍大，缺點是需要在試車臺架上加裝專門的尾塞體及其操縱控制裝置。

對于分排渦扇發動機可以通過調整內涵噴口面積和外涵噴口面積來調整高低壓轉子轉速。

減小內涵噴口面積，低壓渦輪膨脹比降低，低壓渦輪功將減小，低壓轉速有下降的趨勢。若保證低壓轉子轉速不變，則需增加燃燒室燃油流量，提高低壓渦輪前總溫，高壓轉子轉速升高。

減小外涵噴口面積，風扇外涵壓比升高，風扇外涵流通能力減弱，風扇外涵共同工作線上移。一方面外涵壓比的升高使風扇所需的功增加；另一方面，外涵空氣流量減少使風扇所需的功減少，兩方面中前一因素影響起主導作用。因此隨著外涵噴口面積的減小，風扇所消耗的功將增加，在低壓渦輪功不變的條件下，發動機剩余功率減小，低壓轉子轉速有下降的趨勢。若保證低壓轉子轉速不變，則必須升高低壓渦輪進口總溫，高壓轉子轉速升高。

可見內外涵噴管面積的變化方向對發動機高低壓轉子轉差的影響方向是一致的，在保證低壓轉子轉速不變的條件下若要通過調整噴口面積提高高壓壓轉子轉速勢必會使燃油流量增加，渦輪前溫度提高。為了提高高壓轉子轉速，單純的提高渦輪前溫度即可，但是顯然通過減小內涵或外涵噴管面積同時提高渦輪前溫度的方法比較效果更好，因為這不會同步的提高低壓轉子轉速，低壓轉子轉速限制值不會對高壓轉子轉速的提高造成限制。

2.2調整可調靜子葉片角度法

在發動機其他部件不變的條件下，調整可調靜子葉片（VSV）角度實際上影響了發動機整機的共同工作特性，通過將VSV角度調整到一個偏關位置，一方面使高壓壓氣機流量減小，另一方面壓氣機前面幾級可調靜子葉片的出氣角使壓氣機動葉的氣流攻角減小，從而降低壓氣機的消耗功，在不提高燃油消耗量和渦輪前溫度的情況下提高高壓轉子轉速。但是必須注意，將VSV角度偏關的位置必須在一定范圍內，當VSV偏關角度嚴重偏離設計角度時，進氣流量的下降會導致壓氣機進口軸向速度過小，壓氣機動葉氣流攻角過大有可能導致壓氣機失速甚至喘振。

2.3調整可變角度放氣活門角度法

可變角度放氣活門（VBV）是增壓級后的放氣裝置，它的目的主要是提高增壓級的裕度保證發動機的安全，其放氣量的大小會影響發動機的工作狀況，在超轉試驗中可以借此來調整發動機的轉子轉速。VBV放氣量增大一方面會增加增壓級進口流量，提高增壓級的流通能力，另一方面它使增壓級的負載增加，低壓轉子轉速有下降趨勢，使高低壓轉子轉差增大。在進行高壓轉子超轉試驗時，可采用增大VBV放氣量的方法，降低低壓轉子轉速，以避免低壓轉子轉速限制值對提高高壓轉子轉速的造成限制。

2.4調整高壓渦輪導向器喉道面積法

高壓渦輪進口喉道面積直接影響高壓渦輪的渦輪功和高壓壓氣機的流通情況，對發動機的轉速影響較大。當減小喉道面積，則高壓渦輪進口作為前面壓氣機的喉部對壓氣機起到一個節流作用，導致高壓壓氣機流通能力下降，內涵空氣流量有減小的趨勢，在壓氣機特性圖上發動機共同工作線向上平移；同時喉道面積減小，使高壓渦輪膨脹比增大，最終高壓渦輪膨脹比增大與內涵流量的減小相比起主導作用，高壓渦輪功增大，高壓轉子轉速升高。

2.5調整高壓壓氣機引氣量

高壓壓氣機級間引氣或出口引氣，意味著高壓氣體的流失浪費、核心機流量的減小，會使核心機功率顯著減少，若保證低壓轉子轉速不變，則必須提高渦輪前總溫，使高壓轉子轉速升高；同時高壓壓氣機級間引氣或出口引氣相當于放大了壓氣機出口的流通面積，轉速不變的情況下壓氣機壓比降低，消耗功減小，高壓轉子轉速有提高的趨勢。因此增加高壓壓氣機級間或出口引氣可以提高高壓轉子轉速。

2.6調整高壓轉子功率分出

高壓轉子功率分出可以采用加載飛機交流電機和飛機液壓泵的方法來實現，該負載是通過附件齒輪箱傳遞到高壓轉子上的，因此這將會直接降低高壓轉子轉速，在進行低壓轉子整機超轉試驗時，可以通過該方法降低高壓轉子轉速，以避免高壓轉子轉速限制值對提高低壓轉子轉速造成限制。

2.4選擇適宜的環境溫度

在進行整機超轉試驗時，要考慮在適宜的環境溫度條件下進行，一方面為保證發動機有足夠的排氣溫度裕度，可以考慮在低溫環境下進行試驗；另一方面試驗不宜在過低的環境溫度條件下進行，因為達到相同物理轉速時，如果環境溫度過低則換算轉速將變大，甚至遠大于100%設計轉速，高低壓壓氣機可能工作在很不穩定的非設計點。因此必須綜合兩方面的因素綜合確定整機超轉試驗適宜的環境溫度范圍。

3 結束語

本文論述的發動機整機超轉試驗的調整方法有可能對發動機的試驗結果造成影響，為保證試驗結果的有效性，必須通過試驗驗證或者充分的分析論證說明發動機的某些調整對試驗結果不會造成影響。試驗過程需增加發動機狀態監測要求，如發動機整機振動監測、發動機風扇葉尖振幅監測、風扇/壓氣機脈動壓力監測等，以提前檢測影響發動機安全的不穩定因素。

參考文獻

[1] 廉筱純，吳虎 航空發動機原理. [M] 西安：西北工業大學出版社，2005，

[2] 張寶誠 航空發動機試驗和測試技術 [M] 北京：北京航空航天大學出版社，2005

[3] 樊思齊等 航空發動機控制（下冊）[M] 西安：西北工業大學出版社，2008

[4] 齊曉雪等 大涵道比渦扇發動機幾何面積調整研究 [J] 航空科學技術，2014，25（08）：54-59

（作者單位：中國航發沈陽發動機研究所）