某型發(fā)動機(jī)熱試車靈活性研究

■ 周罡 陳廣矚 黃彩云/國營長虹機(jī)械廠

0 引言

某型發(fā)動機(jī)是一款小型、單軸、不帶加力燃燒室的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)，其壓氣機(jī)由一級軸流式壓氣機(jī)與一級離心式壓氣機(jī)組成；燃燒室為環(huán)形燃燒室；渦輪為單級軸流式渦輪；尾噴管為簡單收斂式不可調(diào)節(jié)的尾噴管。發(fā)動機(jī)在修理維護(hù)中進(jìn)行地面試車，發(fā)現(xiàn)熱態(tài)靈活性（簡稱熱靈）超差故障現(xiàn)象出現(xiàn)較為頻繁。由于其故障樹復(fù)雜，短期之內(nèi)難以進(jìn)行精準(zhǔn)故障定位，給發(fā)動機(jī)的修理維護(hù)工作帶來極大困擾。因此，有必要針對該型發(fā)動機(jī)地面熱試車過程，研究發(fā)動機(jī)熱靈與性能參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，分析熱靈故障的發(fā)動機(jī)性能變化規(guī)律，反推影響發(fā)動機(jī)熱靈故障機(jī)理，為制定發(fā)動機(jī)熱靈故障預(yù)防措施提供依據(jù)。

1 發(fā)動機(jī)熱靈評判依據(jù)

發(fā)動機(jī)熱靈是指熱試車停車過程中，發(fā)動機(jī)從某一指定轉(zhuǎn)速到轉(zhuǎn)子完全停止所用的時間，是評判發(fā)動機(jī)修理質(zhì)量是否滿足要求的重要依據(jù)，表征發(fā)動機(jī)在熱狀態(tài)下轉(zhuǎn)子阻力的大小。當(dāng)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)熱靈超差故障時，說明發(fā)動機(jī)在熱狀態(tài)下轉(zhuǎn)子阻力過大，轉(zhuǎn)子部件轉(zhuǎn)動有阻滯，嚴(yán)重時將引發(fā)轉(zhuǎn)子掉塊、葉片斷裂而造成嚴(yán)重事故。例如，1962 年第2 架鷂式原型機(jī)P.1127（XP972）在試飛過程中壓氣機(jī)葉片碰磨機(jī)匣導(dǎo)致轉(zhuǎn)子靈活性超差故障，最終引發(fā)鈦火，飛機(jī)墜毀[1]。該型發(fā)動機(jī)的熱靈要求為發(fā)動機(jī)從1783rpm 到轉(zhuǎn)子完成停止的時間應(yīng)不小于23s，當(dāng)發(fā)動機(jī)熱靈小于23s 時，發(fā)動機(jī)存在熱靈故障。

2 發(fā)動機(jī)地面試車流程及性能分析

發(fā)動機(jī)是個復(fù)雜的系統(tǒng)，為了研究發(fā)動機(jī)主要性能指標(biāo)與熱靈的關(guān)系，對發(fā)動機(jī)試車過程進(jìn)行分析。地面熱試車流程如圖1 所示。發(fā)動機(jī)熱試車過程中各轉(zhuǎn)速狀態(tài)下渦輪后溫度如圖2 所示，圖中橫坐標(biāo)N1 ～N9 轉(zhuǎn)速狀態(tài)分別表示發(fā)動機(jī)熱試車過程從起動至停車前的80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)，縱坐標(biāo)是對巡航狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化而得。從圖2 中可以看出，發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速狀態(tài)下渦輪后溫度均在極限溫度之下，滿足試車要求；起動狀態(tài)下發(fā)動機(jī)渦輪后溫度較高，是由于起動過程中燃油閥門一直處于開啟狀態(tài)，造成發(fā)動機(jī)燃油堆積，在燃油點(diǎn)燃的瞬間會產(chǎn)生劇烈燃燒現(xiàn)象，導(dǎo)致起動狀態(tài)渦輪后溫度急劇升高。從起動狀態(tài)加速至80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)過程中，發(fā)動機(jī)渦輪后溫度隨轉(zhuǎn)速增加而下降；從80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)加速至98.5%轉(zhuǎn)速狀態(tài)過程中，發(fā)動機(jī)渦輪后溫度隨轉(zhuǎn)速增加而上升；從98.5%轉(zhuǎn)速狀態(tài)降速至80%狀態(tài)過程中，發(fā)動機(jī)渦輪后溫度隨轉(zhuǎn)速減小而降低；與加速過程中同轉(zhuǎn)速狀態(tài)相比，渦輪后溫度基本相同。

圖1 發(fā)動機(jī)熱試車流程

圖2 發(fā)動機(jī)地面熱試車渦輪后溫度與轉(zhuǎn)速關(guān)系

地面試車要求從80%狀態(tài)停車，是該型發(fā)動機(jī)熱靈故障出現(xiàn)較為頻繁的原因之一。一般在停車過程中，需要發(fā)動機(jī)在慢車轉(zhuǎn)速下冷機(jī)一段時間后再停車，使發(fā)動機(jī)在慢車狀態(tài)下各部件溫度同步下降，產(chǎn)生同步冷縮，防止機(jī)匣冷卻速度比轉(zhuǎn)子部件快，造成外縮內(nèi)脹現(xiàn)象，引發(fā)碰磨危險。該型發(fā)動機(jī)要求從80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)停車，是為了避免發(fā)動機(jī)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，其共振轉(zhuǎn)速在慢車轉(zhuǎn)速狀態(tài)和80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)之間，約為12500rpm。為避免發(fā)動機(jī)共振，該型發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)定型時要求從80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)停車，在停車過程中測試熱靈。由于發(fā)動機(jī)沒有得到很好的冷機(jī)，因此在地面試車過程中出現(xiàn)發(fā)動機(jī)冷靈良好而熱靈不滿足工藝要求的現(xiàn)象就較為頻繁。

3 發(fā)動機(jī)性能對比分析

3.1 發(fā)動機(jī)熱靈故障案例選擇

為分析發(fā)動機(jī)熱靈故障，分別選取兩臺地面試車熱靈合格和不合格的發(fā)動機(jī)進(jìn)行性能對比，發(fā)動機(jī)熱靈值和發(fā)動機(jī)狀態(tài)如表1 所示。

表1 發(fā)動機(jī)編號設(shè)置及狀態(tài)

3.2 推力對比分析

對4 臺發(fā)動機(jī)的推力進(jìn)行對比，如圖3 所示，N1～N5 分別表示80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)、85%轉(zhuǎn)速狀態(tài)、90%轉(zhuǎn)速狀態(tài)、95%轉(zhuǎn)速狀態(tài)、98.5%轉(zhuǎn)速狀態(tài)，TF 表示熱靈。從圖中可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動機(jī)推力增加；在相同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，4 臺發(fā)動機(jī)的推力基本一致，發(fā)動機(jī)推力不受熱靈影響。這是由于試車準(zhǔn)備階段會檢查發(fā)動機(jī)，保證其轉(zhuǎn)動靈活、平穩(wěn)、無噪聲，排除了轉(zhuǎn)動阻力大的發(fā)動機(jī)，以避免轉(zhuǎn)子卡滯等情況，因此熱靈并沒有偏離合格值太多。

從圖3 中還可以看出，在全工況下，發(fā)動機(jī)從80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)加速至95%轉(zhuǎn)速狀態(tài)過程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加，斜率增大；當(dāng)發(fā)動機(jī)到達(dá)95%轉(zhuǎn)速后，隨著轉(zhuǎn)速的增加，斜率減小。可見95%轉(zhuǎn)速狀態(tài)是發(fā)動機(jī)的最佳工作狀態(tài)，在該狀態(tài)下發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能最好。這與該型發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)巡航狀態(tài)相符。

3.3 耗油率對比分析

對4 臺熱靈不同的發(fā)動機(jī)的耗油率進(jìn)行對比分析，如圖4 所示。從中可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，耗油率降低。這是由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越大，壓氣機(jī)增壓比越大，燃油燃燒越充分，因此單位時間和單位推力消耗的燃油質(zhì)量越少，即發(fā)動機(jī)耗油率隨推力增加而降低。巡航狀態(tài)即95%轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)的燃燒最充分，超過95%轉(zhuǎn)速狀態(tài)后，發(fā)動機(jī)燃燒效率已達(dá)到極致。從圖4 中還可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，要獲得相同的推力，熱靈越好的發(fā)動機(jī)耗油率越低，即熱靈越好，發(fā)動機(jī)在單位時間和單位推力條件下消耗的燃油越少。

圖4 發(fā)動機(jī)地面試車耗油率與轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖5 為發(fā)動機(jī)單位時間燃油消耗量與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖。從中可以看出，為使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，提高發(fā)動機(jī)推力，發(fā)動機(jī)需要消耗更多的燃油。相同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機(jī)熱靈越好，單位時間消耗的燃油質(zhì)量就越少。說明熱靈越好的發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能也越好。

圖5 發(fā)動機(jī)地面試車燃油消耗量與轉(zhuǎn)速關(guān)系

3.4 渦輪后溫度對比分析

圖6 為4 臺發(fā)動機(jī)渦輪后總溫與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖。從中可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，發(fā)動機(jī)渦輪后溫度增加，即發(fā)動機(jī)渦輪后溫度越高，氣體所攜帶的能量越多，高溫高壓的氣流推動發(fā)動機(jī)渦輪做功，提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，并以動能的形式噴射出去，使發(fā)動機(jī)獲得的推力越大；相同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，渦輪后溫度越高的發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子的靈活性越低。可見，相同推力情況下熱靈越好的發(fā)動機(jī)消耗量的燃油越少，渦輪后溫度越低。

圖6 發(fā)動機(jī)渦輪后溫度與轉(zhuǎn)速關(guān)系

發(fā)動機(jī)核心部件能量傳遞關(guān)系如圖7 所示。發(fā)動機(jī)工作時，空氣經(jīng)過壓氣機(jī)后提高壓力和溫度，隨后氣體進(jìn)入燃燒室，與從燃燒室內(nèi)甩油盤噴出的霧化燃油進(jìn)行混合，形成油氣混合物并在回流區(qū)內(nèi)燃燒，氣流溫度迅速提升，燃燒室排出的燃?xì)庠跍u輪內(nèi)膨脹做功，推動渦輪轉(zhuǎn)動，并帶動壓氣旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過渦輪的燃?xì)庠趪姽軆?nèi)加速，將氣體的壓力勢能轉(zhuǎn)化為動能并高速噴出，形成推力。從能量守恒的角度分析，燃油消耗量越少，說明發(fā)動機(jī)通過燃燒室給氣體注入的能量越少，發(fā)動機(jī)渦輪后溫度越低。熱試車過程中，來自燃燒室的高溫氣體給發(fā)動機(jī)加熱，發(fā)動機(jī)受熱膨脹，渦輪后溫度越高，說明氣體給發(fā)動機(jī)的受熱量越多，發(fā)動機(jī)溫度越高，發(fā)動機(jī)受熱膨脹越大，改變了發(fā)動機(jī)的間隙，進(jìn)而改變了發(fā)動機(jī)熱狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動靈活性。

圖7 發(fā)動機(jī)核心部件能量傳遞圖

4 結(jié)論

通過分析研究4 臺不同熱靈的發(fā)動機(jī)的性能變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，熱試車過程中，發(fā)動機(jī)耗油率越高、渦輪后溫度越高的發(fā)動機(jī)熱靈越小。當(dāng)發(fā)動機(jī)燃油消耗率增加時，發(fā)動機(jī)渦輪后溫度會升高，發(fā)動機(jī)受熱膨脹量更大，更易引發(fā)發(fā)動機(jī)熱靈超差故障。