基于渦軸發動機性能分析的壓氣機清洗影響研究

譚 巍，楊天南，李 冬，于向財

（1.海軍航空大學，山東 煙臺 125001；2.海裝沈陽局駐沈陽地區第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110043)

0 引言

大量的研究表明：壓氣機積垢會導致航空發動機長期運行的性能降低70% ～ 85%[1]，同時，侵蝕也是造成航空發動機的性能衰退的主要原因之一[2-3]。由此可見，積垢和侵蝕對航空發動機的壓氣機特別是軸流式壓氣機的性能影響很大[4-6]。而壓氣機清洗不僅可以有效地避免發動機因長時間運行導致的性能衰退的發生，而且降低了發動機發生故障的幾率，保障發動機能健康運行，以延長發動機的實際使用時間[7-11]，使得發動機產生的效益達到最高。

目前，國內外普遍使用的渦軸發動機建模方法是通過解析法建立渦軸發動機的數學計算模型。解析法建模的方法是根據渦軸發動機在實時工作過程中必須遵循的氣動熱力學規律，再結合發動機各部件的特性方程建立起發動機模型。Ballin M G 等[12]在1988 年建立了T700 渦軸發動機的部件級性能仿真數學模型。1992 年，佛羅里達Atlantic 大學的Ahmet Duyar等[13]通過分段辨識的方法，建立了一套T700 渦軸發動機的簡化線性狀態空間模型。金洪江[14]基于某型渦軸發動機的壓氣機、燃燒室、渦輪等部件的部件特性，建立部件級性能計算模型，進行動、穩態仿真，并且依據該模型初步地研究了該型發動機的性能特性。梁寧寧[15]首先對某型渦軸發動機部件級性能仿真數學模型進行了分析，在理解渦軸發動機控制原理的基礎上，進一步明確控制目標，研究分析控制規律。尚東然[16]采用三維數值模擬軟件CFX，研究了粗糙度對多級壓氣機氣動特性的影響。

本研究壓氣機性能對渦軸發動機性能的影響，并以發動機設計點數據為依據，研究各部件性能衰退對發動機性能的影響情況，為視情確定壓氣機的清洗時機提供技術支撐。

1 穩態模型及其求解

某型渦軸發動機是雙轉子的渦軸發動機。它由燃氣發生器和自由渦輪動力輸出裝置兩部分組成。燃氣發生器由環形進氣道、混合式壓氣機、環形燃燒室、兩級反力式整體渦輪組成。其中，自由渦輪輸出裝置由兩級反力式渦輪、齒輪減速器和褲衩形固定尾噴管組成。

在建立渦軸發動機部件級性能計算模型時，可以根據渦軸發動機的氣動熱力過程，將發動機分解為幾大相對獨立的部件，例如進氣道、壓氣機（包括軸流壓氣機以及離心壓氣機）、燃燒室、燃氣發生器渦輪、自由渦輪、尾噴管等部件，一般可以通過部件相應的特性曲線來描述每一個部件的特性，這些特性曲線一般通過部件試驗來獲取，每一個部件的氣動參數之間的關系通過相應的特性曲線以及氣動熱力學方程來共同確定。由發動機結構圖提取得到該發動機數學模型的原理框圖如圖1 所示。

圖1 渦軸發動機截面標示圖

根據渦軸發動機數學模型原理框圖，按照發動機內部氣體流動順序依次建立各部件氣動熱力學方程。渦軸發動機的正常工作的實現是以各部件的共同工作條件為基礎的，這些共同工作條件為：能量平衡方程，功率平衡方程，流量平衡方程。某型渦軸發動機的建模過程，則可得如下的共同工作方程：

（1）燃氣渦輪流量連續方程

2 模型驗證

為驗證本文所建立的渦軸發動機部件級性能計算模型是否精確，對發動機設計點的性能進行計算，并將其與發動機試車參數進行比較，試車參數與計算參數的比較見表1。

表1 渦軸發動機性能參數對比

壓氣機增壓比、燃燒室出口總溫、燃氣渦輪出口總溫、軸功率、耗油率以及扭矩的計算數據均大于試車數據（表1），其中相對誤差最大的性能參數為扭矩，達到3.76%。由表1 可見，通過建立的渦軸發動機性能計算模型所計算得到的發動機設計點的各個性能參數結果良好，雖然存在一定的誤差，但與試車參數比較吻合，所建立的發動機部件級性能計算模型精度較好，能較好地反映發動機性能。

3 壓氣機性能對發動機性能影響分析

3.1 100%轉速時的影響分析

表2 為100%轉速時發動機性能變化情況。由表2 可知，壓氣機性能的變化對各個發動機性能參數均有不同程度的影響，其中影響程度相對較大的性能參數為壓氣機出口總壓P2與燃燒室出口總壓P3，相對變化率均達到4%以上。清洗后，各個截面溫度都有所下降，各個截面壓力有所上升，軸功率、扭矩等參數增加，燃油消耗量降低。

表2 渦軸發動機性能變化

3.2 90%轉速時的影響分析

表3 為90%轉速時發動機性能變化。由表可知，90%轉速時的發動機性能參數的變化參數趨勢與100%轉速時一致。其中，相對變化率較大的性能參數仍為壓氣機出口總壓與燃燒室出口總壓，相對變化率均達到3%以上，各部件的出口總溫以及耗油率的相對變化率比100%轉速時有所增大，各部件的出口總壓以及軸功率、扭矩的相對變化率比100%轉速時有所減小。清洗后，各個截面溫度都有所下降，各個截面壓力有所上升，軸功率、扭矩等參數增加，燃油消耗量降低。

表3 渦軸發動機性能變化

3.3 80%轉速時的影響分析

表4 為80%轉速時發動機性能變化。由表可知，80%轉速時的發動機性能參數的變化趨勢與其它轉速時一致。其中，相對變化率較大的性能參數仍為壓氣機出口總壓與燃燒室出口總壓，相對變化率均達到1%以上，各個發動機性能參數的相對變化率均小于其它轉速時的相對變化率。

表4 渦軸發動機性能變化

4 性能參數的相關性分析

隨著渦軸發動機的使用，發動機的各部件的性能均發生一定程度的衰退，并最終導致發動機性能的衰退。針對某個發動機性能參數，各個部件對其的影響程度不同。本文以某型渦軸發動機設計點數據為基礎，對部件性能參數與發動機性能參數進行相關性分析，得出與壓氣機性能參數相關度最高的發動機性能參數，進而為視情確定壓氣機的清洗時機提供重要的技術支撐。

表5 相關系數

表6 歸一化后的相關系數

5 結語

本文以壓氣機清洗前后的性能數據以及渦軸發動機部件級性能計算模型為基礎，計算得出渦軸發動機性能的變化情況，分析壓氣機性能的提高對發動機性能的影響。并以渦軸發動機設計點數據為基礎，對發動機性能參數與部件性能參數進行了相關性分析。研究結果表明：

（1）清洗后，壓氣機性能的提高將會使得發動機性能得到改善。發動機在100%、90%和80%轉速時，清洗后，各個截面溫度都有所下降，各個截面壓力有所上升，軸功率、扭矩等參數增加，燃油消耗量降低，變化量最大的為壓氣機出口總壓與燃燒室出口總壓，不同轉速下，相對變化率均在1%以上。

（2）經過參數敏感性分析，相比其它發動機性能參數，發動機的壓氣機出口總壓、燃燒室出口總壓與性能相關度較高，可以作為監測參數，當參數變化1%時，確定壓氣機清洗時機。