航空發(fā)動機消喘措施試驗驗證

崔金輝，韓鵬江

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015；2.中國人民解放軍93156部隊，沈陽 110031）

0 引言

喘振是航空發(fā)動機使用過程中的常見問題，一般是發(fā)動機在遭遇外界特殊條件（如進(jìn)氣畸變[1-3]、武器發(fā)射[4-5]）或自身控制規(guī)律偏離設(shè)計值時（如加速供油量過大[6]、噴口控制規(guī)律異常[7]）喘振裕度不足造成的，根本原因是氣流攻角過大使得氣流在葉片葉背處發(fā)生分離[8]，嚴(yán)重時會造成發(fā)動機失控、推力減小、部件損傷、機械振動和熱端超溫等[9-10]。鑒于此，目前已經(jīng)開展大量擴(kuò)穩(wěn)工作改善發(fā)動機的喘振裕度，如機匣擴(kuò)穩(wěn)理論與計算方法研究[11-13]、機匣擴(kuò)穩(wěn)措施的地面與飛行試驗驗證[14-16]、軸流壓氣機變幾何擴(kuò)穩(wěn)多目標(biāo)優(yōu)化分析[17-19]、燃?xì)鉁u輪發(fā)動機擴(kuò)穩(wěn)措施中變幾何原理數(shù)值模擬研究[20-21]、變幾何調(diào)節(jié)規(guī)律擴(kuò)穩(wěn)研究[22-23]、進(jìn)氣道可調(diào)斜板措施擴(kuò)穩(wěn)研究[24]等，但由于發(fā)動機在全包線范圍內(nèi)工作條件復(fù)雜、工作環(huán)境多變，在實際使用中仍然會頻繁發(fā)生喘振，要求發(fā)動機能夠在最短的時間內(nèi)退喘，因此對消喘措施的研究十分必要。

常見的消喘措施主要包括燃燒室短時切油、可調(diào)靜子葉片（variable stator vane，VSV）偏關(guān)調(diào)整、噴管喉部面積放大、機匣處理及優(yōu)化、主動間隙控制、進(jìn)氣道斜板重調(diào)等。消喘措施在控制系統(tǒng)上的最終貫徹離不開臺架試驗的驗證，單純靠數(shù)值仿真驗證是不夠的，但文獻(xiàn)資料表明，對消喘措施的專項試驗驗證工作相對較少。張紹基等[6]利用改進(jìn)的消喘控制系統(tǒng)進(jìn)行了發(fā)動機地面臺架插板逼喘試驗，驗證了消喘系統(tǒng)功能的有效性和可靠性；余麗平等[25]在某渦扇發(fā)動機地面臺架試驗中，開展消喘系統(tǒng)信號邏輯、控制時序和功能的專項試驗驗證；Schobeiri等[26]通過試驗研究了調(diào)整靜子葉片角度VSV進(jìn)行消喘的主動控制方法；劉世官等[27]借助于飛行試驗完成了某消喘控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案的可靠性、實時性和適應(yīng)性驗證。上述試驗工作主要完成了消喘系統(tǒng)的功能性驗證，而大多數(shù)關(guān)于消喘的研究集中在消喘控制系統(tǒng)的仿真研究上[28-30]，少數(shù)文獻(xiàn)介紹了消喘系統(tǒng)設(shè)計思想[31]、控制策略的優(yōu)化[32]和裝機后產(chǎn)品層面上的可靠性驗證[33]，上述研究雖然未涉及消喘措施的專項試驗驗證，但在推動消喘控制系統(tǒng)的發(fā)展和可靠性改善方面具有積極的意義。

為明確不同消喘措施對發(fā)動機消喘功能的影響，以某型發(fā)動機為試驗對象，開展了消喘措施專項驗證試驗。

1 消喘控制系統(tǒng)的組成和原理

航空發(fā)動機消喘控制系統(tǒng)，主要包括感知發(fā)動機喘振信號的傳感器、處理喘振信號并發(fā)出消喘指令的消喘控制部分、接收消喘指令后執(zhí)行消喘動作的執(zhí)行機構(gòu)等3大部分，如圖1所示。本文研究的消喘措施主要涉及到燃油供油、VSV角度和噴口控制，因此圖中的執(zhí)行機構(gòu)僅列出了相應(yīng)的3種。

圖1 消喘控制系統(tǒng)

喘振信號由操作人員按壓試車臺架“喘振模擬”開關(guān)發(fā)出，以模擬發(fā)動機在實際使用過程遭遇喘振時控制器接收到的喘振信號。喘振信號傳遞給控制系統(tǒng)的消喘控制模塊（發(fā)動機并未真正進(jìn)喘，只是1個假信號，激發(fā)控制器的消喘功能），由消喘控制器發(fā)出消喘指令，最后由執(zhí)行機構(gòu)完成消喘動作。控制器工作原理[6]如圖2所示。

圖2 消喘控制器工作原理

2 消喘過程參數(shù)說明

控制系統(tǒng)接收到喘振信號后，執(zhí)行消喘指令，按設(shè)定的邏輯實現(xiàn)對燃油、VSV角度和噴口的精確調(diào)節(jié)。在消喘的過程中各參數(shù)的變化如圖3所示（圖中參數(shù)已無量綱化，即將每個參數(shù)與發(fā)動機中間狀態(tài)對應(yīng)的該參數(shù)相除得到百分比），喘振信號給出后（持續(xù)0.5 s，持續(xù)時間可在軟件中進(jìn)行設(shè)定），由于切油的原因，渦輪剩余功短時下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速nH、推力F、排氣溫度T6和壓氣機出口壓力P3隨之下降，同時關(guān)小VSV角度并放大噴口喉部直徑D8。待消喘成功喘振信號消失后，各個參數(shù)逐漸恢復(fù)到喘振信號給出之前的水平。從數(shù)據(jù)看，在消喘過程中，推力和轉(zhuǎn)速等發(fā)動機性能參數(shù)均出現(xiàn)了短時下降，對發(fā)動機整機穩(wěn)定性和性能的發(fā)揮產(chǎn)生不利影響，若推力下降較大，會使飛機產(chǎn)生側(cè)偏或脈動，因此消喘時間要盡可能短，盡快恢復(fù)喘振前的性能，這要求控制系統(tǒng)內(nèi)部延遲時間短，執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)速度快。

圖3 在消喘的過程中各參數(shù)的變化

3 試驗方案

驗證試驗共進(jìn)行4次，每次試驗都會進(jìn)行多次消喘檢查，通過調(diào)整控制邏輯或改變控制規(guī)律，達(dá)到相應(yīng)的試驗?zāi)康摹?/p>

在第1次試驗時，通過參數(shù)標(biāo)定、邏輯控制和控制規(guī)律的調(diào)整，使消喘系統(tǒng)能夠成功消除喘振，對應(yīng)的供油切油深度、VSV角度瞬時關(guān)小量、噴口喉部面積瞬時放大量記為基準(zhǔn)規(guī)律；第2次試驗在第1次試驗基礎(chǔ)上僅改變切油控制邏輯，其它控制規(guī)律不變，使喘振信號給出后的供油切油深度逐漸減小，直到無法消除喘振為止；第3次試驗在第1次試驗基礎(chǔ)上僅改變VSV角度控制邏輯，其它控制規(guī)律不變，使喘振信號給出后的VSV角度瞬時關(guān)小量逐漸減小，直到無法消除喘振為止；第4次試驗在第1次試車基礎(chǔ)上僅改變噴口控制邏輯，其它控制規(guī)律不變，使喘振信號給出后的噴口喉部面積瞬時放大量逐漸減小，直到無法消除喘振為止。

在試驗過程中，為保證不出現(xiàn)損壞發(fā)動機的現(xiàn)象，當(dāng)喘振無法消除時，認(rèn)為本次試驗結(jié)束，可將油門桿拉回到慢車狀態(tài)，若慢車狀態(tài)喘振仍未退出，可直接拉停發(fā)動機。

4 試驗結(jié)果分析

第1次試驗主要是確定消喘成功時的基準(zhǔn)規(guī)律，后續(xù)的3次試驗分別驗證切油深度、VSV角度關(guān)小量和噴口喉部面積放大量對消喘的影響，根據(jù)試驗現(xiàn)象對試驗結(jié)果做了分析和說明，并借助壓縮部件特性圖解釋了產(chǎn)生相關(guān)現(xiàn)象的原因。本文設(shè)定喘振信號給出前的無量綱化相對換算轉(zhuǎn)速nH=90%。

4.1 切油深度對消喘的影響

第2次試驗主要驗證切油深度對消喘的影響，僅通過采取逐漸減小切油深度的措施進(jìn)行單項驗證，切油深度每減小一次，消喘檢查便進(jìn)行一次。在試驗中，切油深度單次調(diào)整量為0.05 MPa，本次試驗中最后一次檢查消喘即消喘失敗（喘振未退出）時對應(yīng)的切油深度對比如圖4所示。圖中同時給出了第1次試驗消喘成功時的切油規(guī)律（作為切油基準(zhǔn)規(guī)律）作為對比。對應(yīng)的切油時序?qū)Ρ热鐖D5所示。從圖中可見，切油初始時刻轉(zhuǎn)速為90%，切油終止時刻轉(zhuǎn)速為86%~87%，當(dāng)無法退喘時，油門桿在轉(zhuǎn)速為86%以下拉桿降低狀態(tài)，待喘振消除后再推桿回復(fù)到進(jìn)喘前的狀態(tài)。

圖4 切油深度對比

圖5 切油時序?qū)Ρ?/p>

試驗結(jié)果表明，當(dāng)切油深度從基準(zhǔn)值減小到圖中紅色線對應(yīng)的切油深度時（減小幅度約為0.3 MPa），發(fā)動機無法退出喘振，只有當(dāng)切油曲線低于紅色線時發(fā)動機才能退喘，說明紅色線是該發(fā)動機的切油邊界。即對于該發(fā)動機來說，當(dāng)切油后供油曲線高于紅色線時，切油深度小，燃燒室供油相對較多，壓氣機剩余裕度改善程度小，無法保證發(fā)動機退出喘振。說明切油深度是影響發(fā)動機消喘的主要原因之一。

從壓氣機特性圖上解釋切油深度對剩余裕度的影響。根據(jù)發(fā)動機原理，燃燒室出口溫度T4越高，工作線越靠近喘振邊界；T4越低，工作線離喘振邊界越遠(yuǎn)[34]。T4變化對共同工作線的影響如圖6所示。因此，當(dāng)切油程度越深、供油量越少時，T4降低越快，工作點離喘振邊界的距離越遠(yuǎn)，壓氣機裕度改善量增加，發(fā)動機更容易退出喘振；反之，切油深度越淺（或油多），發(fā)動機則越不容易退喘。

圖6 T4變化對共同工作線的影響

但由于試車時無法測量壓氣機進(jìn)口換算流量，因此無法準(zhǔn)確畫出特性圖上工作點的變化，可以借助于壓比和換算轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線（如圖7所示）代替壓氣機特性圖，定性地描述切油時工作點的變化，穩(wěn)態(tài)工作線是發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能錄取時所得到的。切油過程是1個短時減速過程，減速時工作線位于穩(wěn)態(tài)工作線以下，從圖中可見，相對于第1次試驗（藍(lán)色線），本次試驗消喘失敗時切油深度不足，對應(yīng)的紅色線向左上方移動，即更加靠近喘振邊界，說明剩余裕度相對第1次試驗有所減小。

圖7 壓比和換算轉(zhuǎn)速的關(guān)系

為進(jìn)一步解釋切油深度對剩余裕度的影響，從壓氣機氣動性能變化的角度進(jìn)行了理論分析。壓氣機轉(zhuǎn)子基元級速度三角形如圖8為所示。圖中u為轉(zhuǎn)子圓周速度，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比；w為來流相對速度；c為絕對速度。當(dāng)切油時，渦輪前溫度降低，引起渦輪作功減小，發(fā)動機轉(zhuǎn)速減小，即轉(zhuǎn)子圓周速度u減小，從速度三角形上看，相對速度w隨之減小，致使來流相對速度與圓周速度u的夾角變大，因此攻角減小、葉背表面氣流分離減弱，從而改善了喘振裕度。

圖8 速度三角形

4.2 VSV角度瞬時關(guān)小量對消喘的影響

第3次試驗主要驗證VSV角度瞬時關(guān)小量對消喘的影響，僅通過采取逐漸減小VSV角度瞬時關(guān)小量的措施進(jìn)行單項驗證，關(guān)小量每減小一次，消喘檢查便進(jìn)行一次，試驗中VSV控制規(guī)律單次調(diào)整量為0.2°～0.3°。本次試驗中最后一次檢查消喘即消喘失敗（喘振未退出）時對應(yīng)的VSV角度瞬時關(guān)閉曲線對比如圖9所示。圖中VSV數(shù)值上變大表示關(guān)小角度，VSV變小表示開角度；給出了第1次試驗消喘成功時的VSV角度變化規(guī)律（作為基準(zhǔn)VSV規(guī)律）作為對比。從圖中可見，本次試驗大部分轉(zhuǎn)速段對應(yīng)的VSV角度較基準(zhǔn)規(guī)律偏開。VSV角度動作起始時刻轉(zhuǎn)速為90%，動作終止時刻轉(zhuǎn)速為86%~87%，當(dāng)無法退喘時，油門桿在86%轉(zhuǎn)速以下拉桿降低狀態(tài)，待喘振消除后再推桿回復(fù)到進(jìn)喘前的狀態(tài)。

圖9 VSV角度瞬時關(guān)閉曲線對比

試驗結(jié)果表明，當(dāng)VSV角度瞬時關(guān)小量曲線處于或低于圖中紅色線時，發(fā)動機無法退出喘振；當(dāng)VSV關(guān)小曲線高于紅色線時，發(fā)動機可以退出喘振。即對于該發(fā)動機來說，當(dāng)VSV角度按照圖中的基準(zhǔn)規(guī)律（黑色線）關(guān)小時，壓氣機剩余裕度可以保證發(fā)動機退喘，但當(dāng)VSV角度按照第3次試驗的紅色規(guī)律線關(guān)小時，由于瞬時關(guān)小量不夠，壓氣機剩余裕度較小，控制系統(tǒng)無法完成消喘（例如在轉(zhuǎn)速為87%時VSV角度相對于第1次試驗的基準(zhǔn)規(guī)律偏開約1.6°）。VSV角度響應(yīng)時序如圖10所示。本次試驗VSV角度整體上響應(yīng)時間長，關(guān)小到最大刻度時比基準(zhǔn)規(guī)律慢了約0.06 s。以上分析說明VSV角度瞬時關(guān)小量及響應(yīng)速度快慢是發(fā)動機能否及時退喘的關(guān)鍵因素。

圖10 VSV角度響應(yīng)時序

VSV角度可以改變壓氣機進(jìn)氣流量和氣流方向，改善絕對流動和轉(zhuǎn)葉相對流動角度間的不匹配，從而消除氣流和轉(zhuǎn)子葉片之間的分離現(xiàn)象，使壓氣機級間流動達(dá)到最佳狀態(tài)，達(dá)到改善裕度的目的[9]。VSV開關(guān)角度對壓氣機特性的影響如圖11所示。圖中實線表示偏關(guān)角度特性，虛線表示偏開角度特性。從圖中可見，當(dāng)VSV角度偏關(guān)時，壓氣機的喘振邊界向左上方移動，剩余裕度隨之變大；當(dāng)角度偏開時，喘振邊界向右下方移動，剩余裕度變小。因此，控制系統(tǒng)在執(zhí)行消喘操作時，VSV需迅速關(guān)小一定的角度（響應(yīng)時間要快），才能保證剩余裕度滿足發(fā)動機退喘需求。

圖11 VSV開關(guān)角度對壓氣機特性的影響

同樣地，借助于速度三角形進(jìn)一步分析關(guān)小VSV角度對壓氣機氣動特性和剩余裕度的影響。攻角為葉片前緣進(jìn)口幾何角與進(jìn)氣角之差，當(dāng)關(guān)小VSV角度時，進(jìn)口幾何角減小而進(jìn)氣角不變，所以攻角減小，葉背表面氣流分離減弱，從而改善了喘振裕度。同理，當(dāng)打開VSV角度時，攻角增大，氣流分離加強，喘振裕度降低。

4.3 噴口喉部面積放大量對消喘的影響

第4次試驗主要驗證噴口喉部面積瞬時放大量對消喘的影響，放大量每減小一次，消喘檢查便進(jìn)行一次，試驗中噴口直徑單次調(diào)整量為0.2～0.3個刻度（刻度與直徑的對應(yīng)關(guān)系在試驗前的標(biāo)定中已確定，本次試驗中，1個刻度約為直徑的2.5%）。本次試驗中最后一次檢查消喘即消喘失敗（喘振未退出）對應(yīng)的噴管喉部直徑D8隨轉(zhuǎn)速nH的變化如圖12所示。圖中給出了第1次試驗消喘成功時的D8變化規(guī)律（作為D8變化基準(zhǔn)規(guī)律）作為對比。D8放大動作起始時刻轉(zhuǎn)速為90%，動作終止時刻轉(zhuǎn)速為86%~87%，當(dāng)無法退喘時，油門桿在86%轉(zhuǎn)速以下拉桿降低狀態(tài)，待喘振消除后再推桿回復(fù)到進(jìn)喘前的狀態(tài)。

圖12 D8與nH變化關(guān)系

試驗結(jié)果表明，當(dāng)噴管喉部面積放大量降低到本次試驗中給定的5.6個刻度時（圖中紅色線），發(fā)動機無法退出喘振；當(dāng)喉部面積放大量大于5.6個刻度時（例如黑色線放大量為6.4個刻度），發(fā)動機可以退出喘振。噴管喉部直徑D8隨時間變化的時序如圖13所示。從圖中可見，在喉部放大過程中，當(dāng)喉部直徑達(dá)到同一刻度時，本次試驗所需時間更長，噴管動作響應(yīng)時間長不利于發(fā)動機的及時退喘。以上分析說明噴口喉部面積瞬時放大量和噴口響應(yīng)速度是決定發(fā)動機退喘的關(guān)鍵因素。

圖13 噴口喉部變化時序

研究表明，噴管喉部面積對發(fā)動機壓縮部件剩余裕度的改善有重要影響[35-37]，喉部面積主要影響特性圖上共同工作線的位置（如圖14所示），對風(fēng)扇工作線的影響更大。喉部面積放開量越大，風(fēng)扇和壓氣機共同工作線越遠(yuǎn)離喘振邊界，剩余裕度越大，發(fā)動機更容易退喘；放開量越小，剩余裕度越小，退喘的成功率會降低。這是因為當(dāng)D8增大時，渦輪落壓比和渦輪功增大，破壞了原來工作點上的功平衡，根據(jù)功平衡的約束條件，要獲得新的平衡須降低渦輪前進(jìn)氣溫度，在等換算轉(zhuǎn)速線上，降低渦輪前進(jìn)氣溫度對應(yīng)著工作線下移。同理，若D8減小則共同工作線上移。

圖14 喉部面積變化對壓縮部件共同工作線的影響

同樣地，借助于速度三角形進(jìn)一步分析放大噴口對壓氣機氣動特性和剩余裕度的影響。進(jìn)氣氣流絕對速度的軸向分量反映了流量的大小，當(dāng)放大噴口后，發(fā)動機進(jìn)氣流量增加，氣流絕對速度的軸向分量增大，而圓周速度不變，從速度三角形上看，氣流進(jìn)氣角增大，所以攻角減小，葉背表面氣流分離減弱，改善了喘振裕度；同理，當(dāng)收小噴口時，攻角增大，氣流分離加強，喘振裕度降低。

5 結(jié)論

（1）試驗驗證了供油切油深度、VSV角度和噴口喉部面積瞬時變化量對消喘的影響，摸清了發(fā)動機無法退喘時對應(yīng)的控制規(guī)律“邊界”，為后續(xù)控制器參數(shù)的調(diào)整提供了依據(jù)，也為設(shè)計消喘系統(tǒng)提供了試驗方法；

（2）在允許范圍內(nèi)，適當(dāng)增大切油深度、增加噴口喉部面積瞬時放大量、增加VSV角度瞬時關(guān)小量，可改善發(fā)動機喘振裕度，有利于發(fā)動機消喘；

（3）加快幾何可調(diào)特征部件（如VSV、噴口）的響應(yīng)速度，縮短響應(yīng)時間，有利于發(fā)動機快速消喘。

受試驗客觀條件限制，本次試驗僅對文中提到的3項措施進(jìn)行了單項驗證和分析，未對其它消喘措施如開啟級間放氣活門、重調(diào)發(fā)動機進(jìn)氣道、優(yōu)化功率提取、主動間隙控制等進(jìn)行驗證，后續(xù)可借助科研階段試驗完成其它消喘措施的試驗驗證，為消喘系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支撐。