渦扇發動機加力接通過程噴管延時調節影響研究

徐風磊，謝鎮波，李邊疆，蔡娜，胡強

（1.海軍航空大學 青島校區，青島266041）

（2.海軍裝備部 裝備項目管理中心，北京100000）

0 引 言

航空發動機的加力常用于戰斗機執行緊急起飛、快速爬升、超機動飛行和著艦復飛等飛行任務。發動機的加力過程通常分為加力接通和加力切斷，且均會對其穩定性、壽命、強度等帶來較大影響。如何合理確定加力供油量與尾噴管喉部面積之間的匹配關系［1］，使得這一過程盡量減小對主機（燃氣發生器）狀態的影響［2-3］，保證飛機和發動機安全穩定工作，已成為重要的研究課題。

馬明明［4］通過分析試驗數據指出加力供油不合理或與噴管調節不匹配都會對主機的穩定性產生不利的影響；郝曉樂等［5-7］通過分析試飛數據得出合理的加力供油與點火延時時間對接力接通可靠性的影響較大，但未對供油與噴管的匹配工作機理進行深入研究；薛倩等［8］建立了渦扇發動機加力接通過程的數學仿真模型，分析了接通加力過程中加力溫度、渦輪總落壓比和加力推力的變化趨勢，但未對加力供油量、供油時序和噴管面積的匹配機理進行深入研究；李偉等［9］研究了噴管面積調節精度對渦扇發動機加力性能的影響，指出噴管面積調節精度對低壓部件的影響較大，噴管延時調節對發動機的穩定性較為有利，但未分析噴管調節延時對加力供油量的影響。美國的H.Richter［10］僅對加力過渡過程的控制規律進行了簡要論述，未詳細論述噴管調節規律對加力過渡態的影響。

上述文獻對發動機加力接通過程中噴管調節與供油量的匹配工作研究較少，因此本文以某型渦扇發動機為平臺，對加力過程中加力供油量、供油時序和噴管喉部面積的匹配機理進行分析，確定加力燃燒室供油時序和噴管喉部面積調節時序的簡化方法。在此基礎上，基于部件法建立渦扇發動機加力接通的數學模型，開發計算程序，對某型渦扇發動機加力接通與加力切斷過程的特性進行計算，研究噴管調節不到位對發動機狀態的影響，并提出一種解決措施。

1 渦扇發動機加力接通過程仿真模型

1.1 考慮容積效應與轉子動力學的發動機加力接通過程計算模型

發動機加力接通屬于過渡態的一種，控制方程仍為傳統的能量平衡和流量平衡方程［11-13］。獨立變量選取與以往相同，可以解出與控制方程有關的平衡關系式（即誤差方程組），只是動態方程中含有與時間有關的動態項，因此在兩個時間步長中還必須考慮發動機隨時間變化與控制方程有關的平衡關系式（即誤差方程組），主要為加力燃燒室、外涵道容積中的空氣質量和能量的貯存，其他諸如發動機與空氣（及燃氣）的熱交換、幾何參數或配合間隙隨溫度的變化關系等，本模型不考慮。

（1）流量平衡方程

式中：Wout為出口流量；Win為入口流量；V為容積；R為氣體參數；T為溫度；P為壓力。

式（1）用于描述每個容積（加力燃燒室和外涵道）的進出口（in和out）之間的流量關系。

（2）能量守衡方程

式中：h為單位流量的焓；u為單位流量的內能。

式（2）用于描述每個容積（加力燃燒室和外涵道）的進出口（in和out）之間能量關系。

（3）功率守衡方程

式中：LT為渦輪功率；η為機械效率；LC為壓氣機功率；LEXT為提取功率；J為壓氣機轉子轉動慣量；n為轉速。

1.2 加力供油量與噴管控制時序簡化模型

加力式發動機主控制系統與加力控制系統結構簡圖如圖1所示，其中PLA為油門桿位置，T1為進氣溫度，P1為進氣壓力，nL低壓轉子轉速，nH為高壓轉子轉速，P3高壓壓氣機后，壓力P6為低壓燃氣渦輪后壓力，T6為低壓燃氣渦輪后溫度。發動機加力狀態的控制規律要求加力時保持主機的工作狀態不發生變化。發動機在加力狀態工作時，共同工作線的位置和形狀不會發生變化，主機的工作不受加力燃燒室工作的影響，以保持壓氣機和風扇必要的穩定裕度。因此，必須保證渦輪膨脹比不變，這一要求由加力控制系統實現。

圖1 加力式發動機的控制系統結構簡圖［14］Fig.1 Control system structure diagram of afterburner engine［14］

1.2.1 加力供油量與供油時序

加力燃燒室燃油總管的填充過程是確定渦扇發動機加力過渡態特點的重要因素之一。某型加力式渦扇發動機的加力燃燒室供油系統包括5條燃油總管［8-9］：起動燃油總管，No.1、No.2、No.3和No.4燃油總管，加力供油時序曲線如圖2所示。

圖2 加力供油時序曲線Fig.2 T ime series curve of afterburner oil supply

接通加力時，向起動燃油總管充油，其充油時間按設計規定給出，一般選取為0.4 s，燃油量按照預 定 值 進 行 供 給。例 如：W f，st=0.1W f，ab，其 中W f，ab為發動機全加力時，加力燃燒室根據加力調節規律確定的供油量，W f，ab可表示為發動機入口總壓和總溫的函數，即W f，ab=f(p1，T1)。

起動燃油管充油完成后依次向各燃油總管進行充油，充油時間和供油量按下述方案進行分配。

No.1燃油總管：充油時間0.4 s，供油量W f，st=0.225W f，ab。

No.2燃油總管：充油時間0.5 s，供油量W f，st=0.225W f，ab。

No.3燃油總管：充油時間0.6 s，供油量W f，st=0.225W f，ab。

No.4燃油總管：充油時間0.8 s，供油量W f，st=0.225W f，ab。

1.2.2 噴管喉部面積調節規律

在發動機加力過程采用開環加力燃油流量+閉環噴管面積控制或閉環加力燃油流量+開環噴管面積控制兩種方案。由于機械噴管調節的響應速度比加力燃油的響應速度慢，而兩者的響應速度差別會造成主機的不穩定工作，因此理論上采用第二種控制方案更加合理。但是，為了防止加力燃燒室余氣系數超過富油熄火邊界造成加力燃燒室熄火，實際上目前采用大加力比的渦扇發動機通常會選擇開環加力燃油流量+閉環噴管面積的控制方案。采用這種方案，在加力接通或切斷過程中，噴管控制系統設計要盡可能匹配加力燃油的變化趨勢［14］。

在加力切斷過程，就是在滿足一定條件下，迅速關閉加力燃燒室使發動機從加力狀態過渡到不加力狀態，保證主機在最大狀態穩定工作。根據非加力狀態和加力狀態的尾噴管喉部流量連續，計算加力接通或切斷過程中噴管喉部面積A8的理論增大量或理論關小量。

噴管喉部面積A8為發動機進氣溫度T2和油門桿角度α的函數，即A8=f(T2，α)。當T2一定時，則A8由α決定。考慮實際調節精度和匹配關系，在加力接通過程中，設置A8實時調節，即與加力溫度變化完全匹配和A8延遲5%兩種情況對比分析，如圖3所示。

圖3 加力接通過程A 8調節規律Fig.3 Regulation law of A 8 in the process of afterburner

2 算例與分析

采用建立的數學模型，給定加力供油時序和尾噴管面積時序，對某型渦扇發動機加力接通過程進行計算分析，計算時以發動機主機工作于最大狀態為基準，計算結果如圖4所示。

發動機加力接通過程中，噴管延遲調節將會引起風扇物理轉速、核心機物理轉速、風扇喘振裕度、核心機喘振裕度等參數的變化，從圖4可以看出：

圖4 接通加力過程特性變化曲線Fig.4 Characteristic curve of connecting and applying force process

（1）在接通加力起始，隨著加力燃油點燃，T7增加，A8延遲調節導致πT出現波動，πT降低約3.5%，nL降低約3.2%；隨著A8調節速率增加，被調參數逐漸升高，其中πT升高約12%，nL升高約4.8%，nH升高約3%。

（2）接通加力過程對核心機喘振裕度ΔSMC影響較小，對風扇喘振裕度ΔSMF影響較大，與加力前對比，ΔSMF損失約3.9%，相對值損失約36%。

（3）加力接通完成后，被調參數恢復至加力起始水平，發動機開始進入穩定全加力狀態。

3 噴管調節延遲影響及措施

實際上，在接通加力前A8會設定預開值，但不可開得過大，否則會使πT瞬時增大，nL超轉嚴重；另外還會使加力燃燒室流速增大，壓力和溫度脈動幅度加大，造成加力點火的可靠性降低［9］。但在達到全加力狀態時，如果A8出現調節延遲或調節不到位，會帶來不利后果，例如A8調節比預定小，會導致渦輪反壓升高，渦輪落壓比降低，使轉速（尤其是nL）無法恢復到原來水平。這時可采用如下解決措施：①通過增加主燃燒室供油量W fb，提高T4，使渦輪功增加，但可能會導致核心機出現嚴重超轉或超溫；②保持主燃燒室供油量W fb不變，適當減少加力供油量W f，ab，改善噴口的流通能力，增加渦輪功，使nL升高。

基于GJB 241A—2010規定，考慮到保證發動機不發生超溫、超轉與不穩定工作現象［15］的前提，對比措施①與措施②，可以發現措施①不符合規定，因此采用措施②進行計算，結果如圖5所示。

圖5 A 8調節延遲或不到位對狀態的影響Fig.5 Influence of A 8 adjustment delay or not in place on state

從圖5可以看出：在穩態全加力時，如果A8調節延遲或不到位，會引起nL和nH下降，無法恢復到加力起始水平，且導致性能降低（加力推力FN，wet下降2.55%，sfcwet升 高2.55%），其 中nL下 降 了3.4%，涵道比BPR下降了17.5%，風扇喘振裕度降低；采取本文提出的措施②，即保持W fb不變，適當減少W f，ab，改善噴口的流通能力的措施，則可以有效改善核心機和風扇的工作狀態，提高了風扇的穩定裕度，保證發動機的穩定工作。

4 結 論

（1）本文建立的模型可以實現渦扇發動機接通過程的特性計算，能夠用來分析噴管延時調節對發動機性能的影響，供發動機加力設計參考。

（2）噴管喉部面積調節延遲能夠直接影響主機的工作狀態，導致風扇喘振裕度降低，發動機推力性能下降，耗油率升高。

（3）如果噴管喉部面積調節延遲或不到位，會使轉速（尤其是nL）無法恢復到加力起始水平，此時可通過適當減少W f，ab，改善噴口流通能力來改善發動機的工作狀態。