氣動式尾噴管在渦軸發(fā)動機(jī)核心機(jī)逼喘試驗(yàn)上的應(yīng)用

康 飛

喘振是危害渦軸發(fā)動機(jī)安全運(yùn)行的重要因素，它的產(chǎn)生會使發(fā)動機(jī)處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)。喘振發(fā)生伴隨的低頻振蕩破壞力極大，甚者導(dǎo)致發(fā)動機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)遭受破壞，因此在發(fā)動機(jī)使用中應(yīng)極力避免。

經(jīng)驗(yàn)表明渦軸發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)部件試驗(yàn)條件與實(shí)際整機(jī)工作環(huán)境存在一定差異，兩者的實(shí)際特性并不一致。而取得整機(jī)環(huán)境下的真實(shí)喘振裕度對發(fā)動機(jī)整機(jī)研制中的匹配工作具有重要意義。

根據(jù)發(fā)動機(jī)喘振裕度基本公式[1]：

式中：ΔSM——穩(wěn)定裕度

π——壓氣機(jī)增壓比

s——喘振邊界狀態(tài)

ac——發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)

Wa,cor——發(fā)動機(jī)換算流量

要取得整機(jī)發(fā)動機(jī)的喘振裕度需首先確認(rèn)整機(jī)的喘振邊界值，故需進(jìn)行逼喘操作以使發(fā)動機(jī)工作于喘振臨界點(diǎn)附近以便錄得計(jì)算所需數(shù)據(jù)。

目前，整機(jī)上進(jìn)行逼喘通常做法為往直升機(jī)引氣接口（壓氣機(jī)出口位置）通入高壓氣體以使發(fā)動機(jī)發(fā)生喘振。該方法使用的高壓氣體通常由高壓氣瓶提供，通過安裝于高壓氣瓶與發(fā)動機(jī)間氣管上的節(jié)流閥控制進(jìn)入發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)后的壓力。該方案由于配備的氣源能力有限（高壓氣瓶容量限制）導(dǎo)致一次試驗(yàn)持續(xù)時間短，發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)未穩(wěn)定。又由于壓氣機(jī)出口截面周向引入高壓氣體的接口有限導(dǎo)致壓氣機(jī)出口截面壓力均勻性較差，這些對測量結(jié)果準(zhǔn)確性都有一定的影響。

本文介紹的方法為使用氣動尾噴管進(jìn)行逼喘試驗(yàn)，該方法所用氣動尾噴管、高壓氣源及控制系統(tǒng)均為試車臺固有設(shè)備，高壓氣源由研究所管網(wǎng)集中供應(yīng)，氣源持久且穩(wěn)定性好。

1 結(jié)構(gòu)與原理

傳統(tǒng)逼喘方法常規(guī)做法如圖1 所示。即由發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)出口截面周向引氣孔引入高壓空氣，以提高壓氣機(jī)后壓力從而使發(fā)動機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)。

圖1 壓氣機(jī)后逼喘法

氣動尾噴管逼喘法為在發(fā)動機(jī)渦輪出口安裝氣動尾噴管。由氣動尾噴管引入越來越多的高壓氣體，根據(jù)臨界狀態(tài)下固定面積的尾噴口無法流過更多氣體的原理[1]，降低渦輪功率減少發(fā)動機(jī)流量繼而引起發(fā)動機(jī)喘振。該方法實(shí)施原理如圖2 所示。

圖2 氣動尾噴管逼喘法

2 氣動尾噴管逼喘方法及分析

氣動尾噴管逼喘方法首先要求發(fā)動機(jī)處于預(yù)設(shè)狀態(tài)，然后緩慢打開氣源供氣閥不斷加大給尾噴管供氣的流量，待氣動尾噴管出口氣流處于臨界狀態(tài)后繼續(xù)增大氣動尾噴管供氣流量使得發(fā)動機(jī)無法吸入足夠的空氣從而在發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)內(nèi)出現(xiàn)反復(fù)震蕩的氣流的現(xiàn)象，嚴(yán)重時伴隨出現(xiàn)低頻大振幅的沉悶的異響，以上現(xiàn)象即表明發(fā)動機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)。一旦確認(rèn)喘振現(xiàn)象出現(xiàn)后為確保發(fā)動機(jī)安全應(yīng)立即切斷氣動尾噴管高壓氣體供給并同時減小發(fā)動機(jī)供油。發(fā)動機(jī)退喘并進(jìn)入安全工作狀態(tài)后即認(rèn)為逼喘操作結(jié)束。操作流程如圖3 所示。

某渦軸發(fā)動機(jī)核心機(jī)使用氣動式尾噴管對其高低兩個狀態(tài)進(jìn)行了喘振點(diǎn)測試。該次發(fā)動機(jī)的兩個狀態(tài)點(diǎn)均成功實(shí)現(xiàn)了逼喘操作。試驗(yàn)最大壓縮氣體消耗量如表1 所示。

圖3 逼喘操作流程圖

圖4 發(fā)動機(jī)共同工作曲線

表1 氣動尾噴管逼喘法

該次試驗(yàn)實(shí)際測得的發(fā)動機(jī)共同工作線如圖4 所示。

該次試驗(yàn)試車臺供給氣動尾噴管的高壓氣體壓力（表壓）與流量變化曲線如圖5、6 所示。

該次試驗(yàn)試車臺供給氣動尾噴管的高壓氣體流量與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量曲線如圖7、8 所示。

圖5 供氣壓力與流量變化曲線（低狀態(tài)）

圖6 供氣壓力與流量變化曲線（高狀態(tài)）

圖7 供氣流量與發(fā)動機(jī)流量曲線（低狀態(tài)）

圖8 供氣流量與發(fā)動機(jī)流量曲線（高狀態(tài)）

由圖5 與圖6、圖7 與圖8 對比可見發(fā)動機(jī)在高狀態(tài)進(jìn)行逼喘所需供氣流量小于低狀態(tài)下供氣流量即說明高狀態(tài)時發(fā)動機(jī)共同工作線更靠近喘振邊界，這與發(fā)動機(jī)氣動基本理論也是一致的。

注：圖5 至圖8 中尾噴管供氣流量值來自供氣管路上設(shè)置的測壓點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)（總壓P*和靜壓Ps*）經(jīng)以下公式換算而來。

式中：k——常數(shù)1.4。

A——測壓點(diǎn)所在管路空腔橫截面積。

q（λ）——流量系數(shù)[2]，由P*和Ps*決定。

T*——供氣總溫（氣源溫度）。

P*——總壓。

R——?dú)怏w常數(shù)287.06

3 結(jié)論

（1）氣動尾噴管逼喘方法已在某型號整機(jī)試驗(yàn)中得到成功應(yīng)用。試驗(yàn)表明該逼喘方法優(yōu)點(diǎn)鮮明，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)逼喘試驗(yàn)持續(xù)時間短和發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)出口壓力測量值可靠性低的不足，具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。

（2）氣動尾噴管逼喘法由于使用集中供氣管網(wǎng)供氣，氣源供給穩(wěn)定且無時間限制從發(fā)動機(jī)尾噴管處引入高壓氣體使得喘振測量數(shù)據(jù)具有代表性。

（3）氣動式尾噴管逼喘方法存的不足主要是氣動尾噴管所需高壓氣體供氣流量需求較大即對供氣管網(wǎng)供氣能力有一定要求。

綜上所述，使用在渦軸發(fā)動機(jī)整機(jī)上使用氣動尾噴管進(jìn)行逼喘試驗(yàn)的方法是可行的。