涡扇发动机可调静子叶片控制规律研究

黄爱华

(成都航空职业技术学院航空维修工程系，成都610100)

涡扇发动机可调静子叶片控制规律研究

黄爱华

(成都航空职业技术学院航空维修工程系，成都610100)

航空发动机高压压气机采用可调静子叶片，可改善高压压气机的工作特性，扩大喘振边界，保证发动机稳定工作；通过优化可调叶片角度控制规律，还能提高发动机性能。基于双转子涡扇发动机的试车数据，介绍了可调叶片角度的控制方法，研究了可调叶片角度在低转速和高转速时的控制规律，分析了打开可调静子叶片角度对发动机性能的影响。研究表明，高压转子转速较高时，通过调节可调静子叶片角度，可以降低高压转子的物理转速，增加转子转速裕度，降低机械负荷，增加发动机在翼使用时间。

航空发动机；高压压气机；可调静子叶片；试验数据；高压物理转速；控制规律

1 引言

目前，现代航空发动机大多采用了多级静子叶片可调技术，通过调节静子叶片角度，使得转子叶片处于满意的攻角下工作，从而避免了喘振，并使压气机在偏离设计工况下仍能保证转子叶片在基本满意的攻角下工作，改善了压气机的工作特性，扩大了稳定工作范围。如，EJ200发动机采用5级高压压气机、2级静子可调，CFM56发动机采用9级压气机、4级静子可调，АЛ-31Ф发动机采用9级压气机、4级静子可调，E3E核心机采用9级高压压气机、4级静子可调，GE90发动机采用10级高压压气机、5级静子可调[1-3]。国内外针对可调静子叶片角度和间隙对压气机性能影响，开展了大量的计算分析和试验研究。研究表明，通过调节压气机静叶角度，可有效扩大压气机工作范围，提高压气机低速工作区效率，改善压气机低速工作性能；可调静子根尖径向间隙的存在会使压气机性能发生一定衰减，但通过调整旋转凸台设计，可有效控制静子间隙对压气机性能衰减的影响[4-12]。除从结构设计上优化可调静子叶片外，还通过可调静子叶片的控制方法和控制规律，寻找合适的控制规律来保证发动机稳定工作，提高发动机性能[13-15]。

本文基于某型双转子涡扇发动机的试验数据，分析了可调静子控制规律及其对发动机物理转速的影响。

2 可调静子叶片控制规律初步分析

该型双转子涡扇发动机根据高压转子换算转速N2R25(高压转子转速N2相对压气机进口温度T25)对可调静子叶片角度进行控制，相对于高压压气机进口温度(T1)的高压转子换算转速N2R能更好地反映压气机的工作状况，利用此信号控制高压压气机可调静子叶片会取得更好的效果[16-18]。

该发动机在试车台运行时，控制的目标转速是修正的低压转子转速(N1K)。N1K是实际低压转子转速根据运行的外界环境(包括大气温度和大气压力)修正到标准大气条件下的一个修正转速。

图1给出了发动机试验时，低慢车转速(发动机起动后进入的第一个稳定工作状态)、高慢车转速(飞机降落时发动机的复飞转速)、N1K=3 300 r/min、N1K=4 200 r/min、N1K=4 600 r/min、最大连续和起飞状态，VSV角度(VSVDEG)与N2R25的关系。从图中可看出，各个稳定状态下，VSV角度与N2R25有一一对应关系(VSVDEG=f(N2R25))，且VSV角度随着N2R25的增加逐渐减小，即VSV角度逐渐打开。

3 高转速VSV控制规律详细分析

对试验数据进行区域细化分析后发现，N2R25较高时，即不同推力级别下的最大连续和起飞状态，VSV角度与N2R25不再是一一对应关系，同一个N2R25对应多个VSV角度，而上边界呈线性变化，见图2。

进一步研究发现，发动机高压转子物理转速N2高于14 300 r/min的VSV的控制规律，与14 300 r/min以下的控制规律有所不同。

(1)N2低于14 300 r/min的VSV角度控制规律见图3，VSV角度变化与N2R25成一一对应的线性关系。通过数据拟合可得到该状态下的控制规律曲线，即VSV角度随N2R25单值变化：VSVDEG=f(N2R25)。

(2)N2高于14 300 r/min的VSV角度控制规律如图4所示，VSV角度在图3的控制规律上偏开了一定角度。图4中的黑线就是图3的控制规律曲线。

为摸索可调静子叶片调节规律，将可调静子叶片的数据做如下处理：

式中：VSVDEG为实际VSV角度，VSVCAL为根据图3计算的VSV角度，DIFFVSV为两者差值。

把高压压气机实际转速与14 300 r/min转速做差值DIFFN2：

DIFFN2=N2-14 300

将两个差值数据作图，可看到它们有明显的线性关系，如图5所示。N2高于14 300 r/min时，按照图3的规律，VSV会偏开一定角度。

图6为N2在高转速(14 300±500 r/min)下DIFFN2与DIFFVSV的关系曲线，其拐点是N2=14 300 r/min。N2高于14 300 r/min的VSV调节规律可表示为VSVDEG=f(N2R25,N2)。

4 高转速VSV角度调节规律对整机的影响

根据起飞稳定状态时的试车数据，在N1K恒定的控制规律下，分析高转速VSV偏开对发动机性能的影响。

该发动机在不改变任何结构的情况下，通过控制系统的调节，可以输出不同的推力级别以满足不同推力的装机要求。收集试车所有起飞稳定状态的发动机参数，对其中的压气机工作点增压比进行分析。该发动机的增压比为高压压气机出口静压pS3与发动机进口总压pT2的比值。图7给出了高转速时高压压气机出口增压比(PS3Q2)与高压压气机出口修正温度(T3R2)的关系。可见，N1K恒定的情况下，πc也恒定，即N1K=const⇒πc=const±0.5。

在N1K恒定、πc也恒定的情况下，可调放气活门与瞬时放气活门已全部关闭，进入低压压气机的气流会全部进入到高压压气机内，高压压气机内质量流量不变。在高转速VSV角度开大后，高压压气机的增压比和流量不变的情况下，高压压气机的换算转速下降，高压转速的物理转速也随之下降，从而降低了发动机的机械负荷。

5 结论

本文基于涡扇发动机试车数据，研究了VSV在低转速和高转速时的控制规律，分析了高转速打开VSV角度对发动机高压转速的影响。这种VSV角度控制规律可以降低高压转子的物理转速，提高转子转速裕度，降低机械负荷，增加发动机的在翼使用时间。该发动机VSV角度控制规律的设计思想，可为同类发动机设计提供参考。

[1]刘长福，邓明.航空发动机结构分析[M].西安：西北工业大学出版，2006.

[2]胡骏，吴铁鹰，曹人靖.航空叶片机原理[M].北京：国防工业出版社，2006.

[3]Flack R D.Fundamentals of jet propulsion with applica⁃tions[M].Cambridge：Cambridge University Press，2005.

[4]冯牧紫.可调静子间隙对压气机气动性能的影响[J].中国科技博览，2015，(4)：221—222.

[5]张健，任铭林.静叶角度调节对压气机性能影响的试验研究[J].航空动力学报，2000，15(1)：27—30.

[6]夏联，崔健，顾扬.可调静叶对压气机低速性能影响的试验研究[J].燃气涡轮试验与研究，2005，18(1)：31—34.

[7]蒋志军，兰发祥.可调静子叶片机匣间隙对轴流压气机性能的影响[J].燃气涡轮试验与研究，2012，25(2)：21—23.

[8]Lee C，Song J，Lee S，et al.Effect of a gap between inner casing and stator blade on axial compressor performance [R].ASME GT-2010-22439，2010.

[9]Ribi B，Meyer M P.Influence of a gap between casing and variable stator blade on axial compressor performance[R]. ASME GT-2008-5301，2008.

[10]Rice E C，Ress R A，Hansen J L.Variable vane with wing⁃let：US，6283705[P].2001-09-04.

[11]Miller R J，Moss R W，Ainsworth R W，et al.Time-re⁃solved vane-rotor interaction in a high-pressure turbine stage[J].Journal of Turbomachinery，2003，125(1)：1—13.

[12]Layachi M Y，Bolcs A.Effect of the axial spacing between rotor and stator with regard to the indexing in an axial com⁃pressor[R].ASME 2001-GT-0592，2001.

[13]丁凯锋，樊思齐.变几何涡扇发动机加速控制规律优化[J].推进技术，1999，20(2)：17—20.

[14]隋岩峰，邴连喜，施磊，等.某发动机高压压气机进口可调静子叶片角度控制方法[J].航空动力学报，2010，25(11)：2589—2593.

[15]胡君.CFM56-3发动机启动、加速慢车故障分析[J].航空工程与维修，2002，(4)：25—26.

[16]李杰，樊丁，纪仓囤，等.航空发动机温度传感器动态特性改善方法[J].航空动力学报，2012，27(3)；707—714.

[17]CFM International.CFM56-7B engine system training manual[M].2016.

[18]Saravanamuttoo H I H，Rogers G F C，Cohen H，et al.Gas turbine theory[M].3rd ed.US：Pearson Education Group，1993.

Control law of variable stator vane for turbofan engine

HUANG Ai-hua
(Chengdu Aeronautic Polytechnic，Department of Aviation Maintenance Engineering，Chengdu 610100，China)

Variable stator vanes(VSV)are used in aero-engine to improve the characteristics and expand the surge margin of high pressure compressor to ensure stable working of aero-engine.The engine perfor⁃mance would be advanced by optimizing the angle control law of variable stator vane.Based on the test data of dual-rotor turbofan engine,the angle control method of variable stator vane was introduced,the angle control law of variable stator vane at low and high rotation speed was investigated,and the effect of opening the angle of variable stator vane on the engine performance was analyzed.The results show that through the improvement of the angle of the variable stator vanes at higher high pressure rotor speed,high pressure rotor physical speed and mechanical load could be reduced,rotor rotation speed margin and time on wing of en⁃gine could be increased.

aero-engine；high pressure compressor；variable stator vane；test data；high pressure rotor physical speed；control law

V233.7

：A

：1672-2620(2017)01-0048-04

2016-04-25；

：2016-10-23

黄爱华(1968-)，女，四川江安人，副教授，主要从事航空发动机装配与调试工作。