进气畸变对发动机稳定性和性能影响试验分析
2014-04-21李娟妮张杰
李娟妮+张杰
摘 要 基于平行压气机理论，通过飞行试验，对进气畸变时某型涡扇发动机的稳定性和性能影响进行分析，结果表明周向稳态畸变使得发动机稳定裕度降低、推力降低、耗油率增大。
关键词 总压畸变；平行压气机原理；稳定裕度；推力
中图分类号：V231 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0044-02
20世纪60年代中期以来，世界航空界对影响发动机气动稳定性因素给与了极大的关注和研究，并取得了很大的进展。发动机压缩系统的气动不稳定可造成发动机的失控、推力损耗、进气道和发动机机械的损坏、发动机的超温停车，严重的限制着飞机的飞行。提供足够的压缩系统稳定性裕度以保证在飞行包线范围内安全飞行是一个重要问题。这需要在发动机的高推力、低油耗、长寿命与满意的稳定裕度之间权衡、折中。以往在发动机方案设计和工程设计阶段原则上不可能获得进气畸变对发动机影响的试验数据，并且进气畸变对发动机稳定性及性能影响的试验大部分是地面试验或高空台试验。而对于实际空中进气畸变对发动机的稳定性及性能影响较少。通过飞行试验和地面试验数据的相互补充，可对推进系统的改进做出评价，可在不对畸变产生的不利影响的前提下改善性能，为将来推进系统的修改和新机的发展提供数据库。
1 飞行试验方法及测量设备
试验中进行不同飞行姿态的组合来研究，这些飞行动作包括稳态攻角和侧滑角飞行、攻角正负变化。所有的试验状态下发动机处于中间状态和最大加力状态之间变化，以保证发动机的换算空气流量保持不变。当达到要求的试验条件，在发动机油门杆保持稳定的同时，通过安装在进气道出口和发动机进口转接段位置上的测量耙来对进口流场进行动稳态压力测量，记录所需要的数据。
图1 测量耙测点示意图
安装在进气道出口总压测量耙是由周向均匀分布的6支测量耙组成的“水”字型耙，每支耙臂都装有1个动态压力、5个稳态压力测量点，稳态点按等环面分布，动态点位于0.9R处。由于耙体结构引起的最大面积堵塞比不大于4.6%，不影响发动机性能对空气流量的要求，国外同类产品阻塞比有8%的数据，因此是允许的。
2 计算方法
2.1 畸变计算
发动机进口流场的畸变程度用综合畸变指数来评定：
式中：为总压的周向不均匀度；为进口的面平均总压脉动紊流度。
2.2 平行压气机模型的建立
进气周向稳态总压畸变对发动机气动稳定性的影响可以由简单平行压气机模型解释。假设：
1）工作于低压区和高压区的压气机视为各自独立工作互不相干涉的子压气机，并且具有相同的特性曲线。
2）在压气机的进口总压不均匀，但静压均匀，压气机出口静压均匀。
3）当一个子压气机喘振时机认为整个压气机喘振。
根据压力测量耙所测得压力分布，将发动机进口压力分为高压区和低压区。假设每一子扇区为平行的流管，从进口通过压气机顺着流路到出口。该被试发动机为双转子涡扇发动机，低压压气机级数少，在低压压气机后产生的温度、压力畸变较快，高压级数较多，这样高压压气机就会对低压压气机的参数产生影响，但采用平行压气机模型后，可以认为互不干涉，即低压压气机的出口条件为高压压气机的进口条件。
2.3 工作参数计算
依据平行压气机模型，利用均匀进气涡扇发动机共同工作方程的方法，对畸变时发动机的气动稳定性和性能进行计算。在进气时，各子压气机均匀进气，没有周向掺混，各高压子压气机以各低压子压气机的出口条件为进口条件。在各高压压气机出口，假象存在一个混合室，各子压气机流出的压强、速度在假想混合室内均匀比混合。最后流过发动机其它部件，完成热力循环。
高压压气机的进气条件为风扇的出口的核心发动机，外涵道出口流场均匀。根据平行压气机原理，可知均匀进气与畸变时的区别就在子压气机的计算，畸变时将原压气机分为多个平行的子压气机，分别计算。其余部件的计算与均匀进气时是相同的。
发生畸变时，最先受到畸变气流影响的就是风扇，这里以低压风扇的计算为例。通过进气测量参数，可知各子压气机的进气条件。各子压气机的计算与均匀进气压气机是相同的。根据测量耙上的所测得各低压子压气机的P1i*、T1i*，采用面积平均方法来计算发动机的进口空气流量，如下式：
式中：为各子压气机的进口总压；为各子压气机截面积；为进口总温。
3 试验结果及分析
将进气道出口的总压分布作为发动机进口边条件如果发动机不失稳 则根据求解后的流场算出发动机的推力和耗油率并和均匀进气条件下的结果进行比较就能得到稳态总压畸变指数对发动机性能的影响。
现以发动机在最大状态，高度11 km，马赫数1.1时，综合畸变指数W=0.05为例，比较进气畸变对发动机共同工作线和性能的影响，并于均匀进气时的值进行比较。
图1 均匀进气与畸变进气时风扇压比和发动机进口流量关系图
图1表示畸变进气和均匀进气时，涡扇发动机的稳态共同工作线在风扇特性图上的分布位置。从图1可以看出，畸变进气与均匀进气时相比较，畸变进气时的风扇的共同工作线上移，发动机的稳定工作范围变小，稳定裕度变小。这点根据假设（2）可知两个子压气机的出口静压是相同的，但此时的进口总压不同，其总静压升系数也就必然不同，进口总压低的子压气机的压升系数高并且工作点靠近均匀进气时的稳定边界。再由基本假设（3）可知，当低压区的子压气机的工作点进入喘振边界时，就认为整台压气机达到了失稳点。因此说，总压畸变使压气机的稳定裕度降低。
图2给出了发动机在同一工况下，均匀进气与畸变进气时发动机推力和耗油率。从图中可以看出，畸变进气时推力减小、耗油率增大。推力减小是因为畸变后发动机的流量和压比与均匀进气时相比，都要小。而耗油率变大时因为畸变时发动机涡轮前进气温度增大，导致燃油消耗量增大引起的。
图2 均匀进气与畸变进气时推力及油耗对比分析图
4 结论
通过对畸变进气与均匀进气下某型涡扇发动机的性能和气动稳定性进行分析比较，得出以下结论。
1）进气畸变飞行试验是分析进气畸变对压气机稳定性和性能影响的重要技术手段。进气畸变试验的主要目的是确定风扇进气畸变特性，并深入认识进气畸变影响的机制，促进理论模型和计算方法的发展。
2）进气总压畸变对压气机稳定性及性能会产生不利的影响，一般来说，对高转速的影响大于低转速。
参考文献
[1]刘大响，叶培梁，胡骏，黄熙君.航空燃气涡轮发动机稳定性设计与评定技术[M].航空工业出版社，2004.
[2]赵运生，胡骏，屠宝锋，等.进气畸变对涡扇发动机稳定性及性能影响[J].航空动力学报，2013（06）.
[3]廉筱纯，吴虎.航空发动机原理[M].西北工业大学出版社，2005.endprint
摘 要 基于平行压气机理论，通过飞行试验，对进气畸变时某型涡扇发动机的稳定性和性能影响进行分析，结果表明周向稳态畸变使得发动机稳定裕度降低、推力降低、耗油率增大。
关键词 总压畸变；平行压气机原理；稳定裕度；推力
中图分类号：V231 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0044-02
20世纪60年代中期以来，世界航空界对影响发动机气动稳定性因素给与了极大的关注和研究，并取得了很大的进展。发动机压缩系统的气动不稳定可造成发动机的失控、推力损耗、进气道和发动机机械的损坏、发动机的超温停车，严重的限制着飞机的飞行。提供足够的压缩系统稳定性裕度以保证在飞行包线范围内安全飞行是一个重要问题。这需要在发动机的高推力、低油耗、长寿命与满意的稳定裕度之间权衡、折中。以往在发动机方案设计和工程设计阶段原则上不可能获得进气畸变对发动机影响的试验数据，并且进气畸变对发动机稳定性及性能影响的试验大部分是地面试验或高空台试验。而对于实际空中进气畸变对发动机的稳定性及性能影响较少。通过飞行试验和地面试验数据的相互补充，可对推进系统的改进做出评价，可在不对畸变产生的不利影响的前提下改善性能，为将来推进系统的修改和新机的发展提供数据库。
1 飞行试验方法及测量设备
试验中进行不同飞行姿态的组合来研究，这些飞行动作包括稳态攻角和侧滑角飞行、攻角正负变化。所有的试验状态下发动机处于中间状态和最大加力状态之间变化，以保证发动机的换算空气流量保持不变。当达到要求的试验条件，在发动机油门杆保持稳定的同时，通过安装在进气道出口和发动机进口转接段位置上的测量耙来对进口流场进行动稳态压力测量，记录所需要的数据。
图1 测量耙测点示意图
安装在进气道出口总压测量耙是由周向均匀分布的6支测量耙组成的“水”字型耙，每支耙臂都装有1个动态压力、5个稳态压力测量点，稳态点按等环面分布，动态点位于0.9R处。由于耙体结构引起的最大面积堵塞比不大于4.6%，不影响发动机性能对空气流量的要求，国外同类产品阻塞比有8%的数据，因此是允许的。
2 计算方法
2.1 畸变计算
发动机进口流场的畸变程度用综合畸变指数来评定：
式中：为总压的周向不均匀度；为进口的面平均总压脉动紊流度。
2.2 平行压气机模型的建立
进气周向稳态总压畸变对发动机气动稳定性的影响可以由简单平行压气机模型解释。假设：
1）工作于低压区和高压区的压气机视为各自独立工作互不相干涉的子压气机，并且具有相同的特性曲线。
2）在压气机的进口总压不均匀，但静压均匀，压气机出口静压均匀。
3）当一个子压气机喘振时机认为整个压气机喘振。
根据压力测量耙所测得压力分布，将发动机进口压力分为高压区和低压区。假设每一子扇区为平行的流管，从进口通过压气机顺着流路到出口。该被试发动机为双转子涡扇发动机，低压压气机级数少，在低压压气机后产生的温度、压力畸变较快，高压级数较多，这样高压压气机就会对低压压气机的参数产生影响，但采用平行压气机模型后，可以认为互不干涉，即低压压气机的出口条件为高压压气机的进口条件。
2.3 工作参数计算
依据平行压气机模型，利用均匀进气涡扇发动机共同工作方程的方法，对畸变时发动机的气动稳定性和性能进行计算。在进气时，各子压气机均匀进气，没有周向掺混，各高压子压气机以各低压子压气机的出口条件为进口条件。在各高压压气机出口，假象存在一个混合室，各子压气机流出的压强、速度在假想混合室内均匀比混合。最后流过发动机其它部件，完成热力循环。
高压压气机的进气条件为风扇的出口的核心发动机，外涵道出口流场均匀。根据平行压气机原理，可知均匀进气与畸变时的区别就在子压气机的计算，畸变时将原压气机分为多个平行的子压气机，分别计算。其余部件的计算与均匀进气时是相同的。
发生畸变时，最先受到畸变气流影响的就是风扇，这里以低压风扇的计算为例。通过进气测量参数，可知各子压气机的进气条件。各子压气机的计算与均匀进气压气机是相同的。根据测量耙上的所测得各低压子压气机的P1i*、T1i*，采用面积平均方法来计算发动机的进口空气流量，如下式：
式中：为各子压气机的进口总压；为各子压气机截面积；为进口总温。
3 试验结果及分析
将进气道出口的总压分布作为发动机进口边条件如果发动机不失稳 则根据求解后的流场算出发动机的推力和耗油率并和均匀进气条件下的结果进行比较就能得到稳态总压畸变指数对发动机性能的影响。
现以发动机在最大状态，高度11 km，马赫数1.1时，综合畸变指数W=0.05为例，比较进气畸变对发动机共同工作线和性能的影响，并于均匀进气时的值进行比较。
图1 均匀进气与畸变进气时风扇压比和发动机进口流量关系图
图1表示畸变进气和均匀进气时，涡扇发动机的稳态共同工作线在风扇特性图上的分布位置。从图1可以看出，畸变进气与均匀进气时相比较，畸变进气时的风扇的共同工作线上移，发动机的稳定工作范围变小，稳定裕度变小。这点根据假设（2）可知两个子压气机的出口静压是相同的，但此时的进口总压不同，其总静压升系数也就必然不同，进口总压低的子压气机的压升系数高并且工作点靠近均匀进气时的稳定边界。再由基本假设（3）可知，当低压区的子压气机的工作点进入喘振边界时，就认为整台压气机达到了失稳点。因此说，总压畸变使压气机的稳定裕度降低。
图2给出了发动机在同一工况下，均匀进气与畸变进气时发动机推力和耗油率。从图中可以看出，畸变进气时推力减小、耗油率增大。推力减小是因为畸变后发动机的流量和压比与均匀进气时相比，都要小。而耗油率变大时因为畸变时发动机涡轮前进气温度增大，导致燃油消耗量增大引起的。
图2 均匀进气与畸变进气时推力及油耗对比分析图
4 结论
通过对畸变进气与均匀进气下某型涡扇发动机的性能和气动稳定性进行分析比较，得出以下结论。
1）进气畸变飞行试验是分析进气畸变对压气机稳定性和性能影响的重要技术手段。进气畸变试验的主要目的是确定风扇进气畸变特性，并深入认识进气畸变影响的机制，促进理论模型和计算方法的发展。
2）进气总压畸变对压气机稳定性及性能会产生不利的影响，一般来说，对高转速的影响大于低转速。
参考文献
[1]刘大响，叶培梁，胡骏，黄熙君.航空燃气涡轮发动机稳定性设计与评定技术[M].航空工业出版社，2004.
[2]赵运生，胡骏，屠宝锋，等.进气畸变对涡扇发动机稳定性及性能影响[J].航空动力学报，2013（06）.
[3]廉筱纯，吴虎.航空发动机原理[M].西北工业大学出版社，2005.endprint
摘 要 基于平行压气机理论，通过飞行试验，对进气畸变时某型涡扇发动机的稳定性和性能影响进行分析，结果表明周向稳态畸变使得发动机稳定裕度降低、推力降低、耗油率增大。
关键词 总压畸变；平行压气机原理；稳定裕度；推力
中图分类号：V231 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0044-02
20世纪60年代中期以来，世界航空界对影响发动机气动稳定性因素给与了极大的关注和研究，并取得了很大的进展。发动机压缩系统的气动不稳定可造成发动机的失控、推力损耗、进气道和发动机机械的损坏、发动机的超温停车，严重的限制着飞机的飞行。提供足够的压缩系统稳定性裕度以保证在飞行包线范围内安全飞行是一个重要问题。这需要在发动机的高推力、低油耗、长寿命与满意的稳定裕度之间权衡、折中。以往在发动机方案设计和工程设计阶段原则上不可能获得进气畸变对发动机影响的试验数据，并且进气畸变对发动机稳定性及性能影响的试验大部分是地面试验或高空台试验。而对于实际空中进气畸变对发动机的稳定性及性能影响较少。通过飞行试验和地面试验数据的相互补充，可对推进系统的改进做出评价，可在不对畸变产生的不利影响的前提下改善性能，为将来推进系统的修改和新机的发展提供数据库。
1 飞行试验方法及测量设备
试验中进行不同飞行姿态的组合来研究，这些飞行动作包括稳态攻角和侧滑角飞行、攻角正负变化。所有的试验状态下发动机处于中间状态和最大加力状态之间变化，以保证发动机的换算空气流量保持不变。当达到要求的试验条件，在发动机油门杆保持稳定的同时，通过安装在进气道出口和发动机进口转接段位置上的测量耙来对进口流场进行动稳态压力测量，记录所需要的数据。
图1 测量耙测点示意图
安装在进气道出口总压测量耙是由周向均匀分布的6支测量耙组成的“水”字型耙，每支耙臂都装有1个动态压力、5个稳态压力测量点，稳态点按等环面分布，动态点位于0.9R处。由于耙体结构引起的最大面积堵塞比不大于4.6%，不影响发动机性能对空气流量的要求，国外同类产品阻塞比有8%的数据，因此是允许的。
2 计算方法
2.1 畸变计算
发动机进口流场的畸变程度用综合畸变指数来评定：
式中：为总压的周向不均匀度；为进口的面平均总压脉动紊流度。
2.2 平行压气机模型的建立
进气周向稳态总压畸变对发动机气动稳定性的影响可以由简单平行压气机模型解释。假设：
1）工作于低压区和高压区的压气机视为各自独立工作互不相干涉的子压气机，并且具有相同的特性曲线。
2）在压气机的进口总压不均匀，但静压均匀，压气机出口静压均匀。
3）当一个子压气机喘振时机认为整个压气机喘振。
根据压力测量耙所测得压力分布，将发动机进口压力分为高压区和低压区。假设每一子扇区为平行的流管，从进口通过压气机顺着流路到出口。该被试发动机为双转子涡扇发动机，低压压气机级数少，在低压压气机后产生的温度、压力畸变较快，高压级数较多，这样高压压气机就会对低压压气机的参数产生影响，但采用平行压气机模型后，可以认为互不干涉，即低压压气机的出口条件为高压压气机的进口条件。
2.3 工作参数计算
依据平行压气机模型，利用均匀进气涡扇发动机共同工作方程的方法，对畸变时发动机的气动稳定性和性能进行计算。在进气时，各子压气机均匀进气，没有周向掺混，各高压子压气机以各低压子压气机的出口条件为进口条件。在各高压压气机出口，假象存在一个混合室，各子压气机流出的压强、速度在假想混合室内均匀比混合。最后流过发动机其它部件，完成热力循环。
高压压气机的进气条件为风扇的出口的核心发动机，外涵道出口流场均匀。根据平行压气机原理，可知均匀进气与畸变时的区别就在子压气机的计算，畸变时将原压气机分为多个平行的子压气机，分别计算。其余部件的计算与均匀进气时是相同的。
发生畸变时，最先受到畸变气流影响的就是风扇，这里以低压风扇的计算为例。通过进气测量参数，可知各子压气机的进气条件。各子压气机的计算与均匀进气压气机是相同的。根据测量耙上的所测得各低压子压气机的P1i*、T1i*，采用面积平均方法来计算发动机的进口空气流量，如下式：
式中：为各子压气机的进口总压；为各子压气机截面积；为进口总温。
3 试验结果及分析
将进气道出口的总压分布作为发动机进口边条件如果发动机不失稳 则根据求解后的流场算出发动机的推力和耗油率并和均匀进气条件下的结果进行比较就能得到稳态总压畸变指数对发动机性能的影响。
现以发动机在最大状态，高度11 km，马赫数1.1时，综合畸变指数W=0.05为例，比较进气畸变对发动机共同工作线和性能的影响，并于均匀进气时的值进行比较。
图1 均匀进气与畸变进气时风扇压比和发动机进口流量关系图
图1表示畸变进气和均匀进气时，涡扇发动机的稳态共同工作线在风扇特性图上的分布位置。从图1可以看出，畸变进气与均匀进气时相比较，畸变进气时的风扇的共同工作线上移，发动机的稳定工作范围变小，稳定裕度变小。这点根据假设（2）可知两个子压气机的出口静压是相同的，但此时的进口总压不同，其总静压升系数也就必然不同，进口总压低的子压气机的压升系数高并且工作点靠近均匀进气时的稳定边界。再由基本假设（3）可知，当低压区的子压气机的工作点进入喘振边界时，就认为整台压气机达到了失稳点。因此说，总压畸变使压气机的稳定裕度降低。
图2给出了发动机在同一工况下，均匀进气与畸变进气时发动机推力和耗油率。从图中可以看出，畸变进气时推力减小、耗油率增大。推力减小是因为畸变后发动机的流量和压比与均匀进气时相比，都要小。而耗油率变大时因为畸变时发动机涡轮前进气温度增大，导致燃油消耗量增大引起的。
图2 均匀进气与畸变进气时推力及油耗对比分析图
4 结论
通过对畸变进气与均匀进气下某型涡扇发动机的性能和气动稳定性进行分析比较，得出以下结论。
1）进气畸变飞行试验是分析进气畸变对压气机稳定性和性能影响的重要技术手段。进气畸变试验的主要目的是确定风扇进气畸变特性，并深入认识进气畸变影响的机制，促进理论模型和计算方法的发展。
2）进气总压畸变对压气机稳定性及性能会产生不利的影响，一般来说，对高转速的影响大于低转速。
参考文献
[1]刘大响，叶培梁，胡骏，黄熙君.航空燃气涡轮发动机稳定性设计与评定技术[M].航空工业出版社，2004.
[2]赵运生，胡骏，屠宝锋，等.进气畸变对涡扇发动机稳定性及性能影响[J].航空动力学报，2013（06）.
[3]廉筱纯，吴虎.航空发动机原理[M].西北工业大学出版社，2005.endprint
