某型发动机转差分析研究

郝明 赵翌 胡岚 林军

摘要：对于某型双转子发动机，控制高压压气机稳定工作裕度的关键参数是转差，调整发动机的转差可改变高压转子共同工作线在高压压气机特性图上的位置。除转差影响之外，低压压气机的稳定工作裕度还取决于喷口面积。由于直接影响发动机在使用中的可靠性，发动机转差成为该型发动机验收的主要指标之一。本文分析了影响转差线的因素、转差对发动机的影响以及导向器面积对压气机工作线的影响。

关键词：双转子发动机;转差;稳定工作裕度

1转差

1.1转差定义

发动机转差是指在大气温度为15℃、低压转子换算转速n_1hs=100.5%的条件下（最大状态）涡轮前换算燃气温度T_3hs与高压转子换算转速n_2hs之间的关系，即n_2hs=f（T_3hs）。该术语间接反映了高低压转子的匹配关系。

1.2转差线及其确定方法

在低压转子换算转速nlhs=100.5%的条件下，当涡轮前换算燃气温度T_3hs不同时，所对应的高压转子换算转速n_2hs也不同，即一个涡轮前换算燃气温度T_3hs就有一个对应的高压转子换算转速n_2hs。以T_3hs为横坐标、n_2hs为纵坐标，可以画出n_2hs随T_3hs变化的曲线，即转差线。因此，转差线是在大气温度等于15℃、n_1hs=100.5%条件下高压转子换算转速n_2hs随涡轮前换算燃气温度T_3hs变化的曲线。理论推算表明，高压转子换算转速n_2hs与涡轮前换算燃气温度T_3hs及高低压涡轮导向器面积存在如下关系：

n²_2hs=C₁×T_3hs[1-C₂（AII/AI）^{-2n（rg-1）/rg（n+1）}]

式中，n_2hs是高压转子换算转速，T_3hs是涡轮前换算燃气温度，AI、AII分別是高低压涡轮导向器出口面积，rg、n是燃气的比热比和多变指数，C₁，C₂为常数。

当AII/AI确定后，上式可以写成n²_2hs=C×T_3hs，由于实际使用中用到的区间较小，转差线近似取直线。通常当导向器面积确定后，试车过程中通过改变最大状态喷口面积来获取试验数据，找出n_2hs=f（T_3hs）的变化关系，确定转差线。由于发动机转差客观上存在一定的分散度，必须规定转差的允许变动范围。转差线的允许变化范围是指均匀进气时发动机工作线在高低压压气机特性图上允许变动的范围，通常规定转差线的变化范围为0～28格，即下边界0格，上边界28格。上下边界的转速差为160转/分，每格合5.71转/分。转差△S就是实际转差线与下边界之间的格数，如图1所示。

2影响转差线的因素

由前述可知，对于同一台发动机，导向器面积固定则转差线位置也固定，如要改变发动机的转差线，必须改变低压涡轮导向器面积与高压涡轮导向器面积之比，即当AII/AI变化时转差线位置也平行地改变。要增大发动机转差，应使AII/AI变大，即调大低压涡轮导向器面积AII或调小高压涡轮导向器面积AI，使转差线向上边界方向平移。同理，要减小发动机转差，应使AII/AI变小，即调小低压涡轮导向器面积AII或调大高压涡轮导向器面积AI，使转差线向下边界方向平移。

下面分别以调大高压涡轮导向器面积AI和调小低压涡轮导向器面积AII（减小发动机转差）为例加以说明。

当调大高压涡轮导向器面积AI时，高压涡轮落压比减小，高压涡轮功率减小，使高压转子转速n₂降低，转差减小，转差线下移。调小高压涡轮导向器面积AI则反之。

当调小低压涡轮导向器面积AII时，一方面，使低压涡轮落压比增大，低压涡轮功率增大，低压转子转速n₁上升，n₁转速调节器为保持n₁不变而减少主泵供油量，涡轮前燃气温度T₃则下降，高压转子转速n₂降低（图2中沿转差线由a点降低到c点）。另一方面，使高压涡轮落压比减小，高压涡轮功率减小，也使高压转子转速n₂降低（图2中将由a点降低到b点，即转差线由曲线1向下移到曲线2）。这两方面共同作用的结果是使高压转子转速n₂由a点降低到d点，降低较多。调大低压涡轮导向器面积AII时则反之。

此外，当喷口面积改变较多时对转差线的位置也有影响，但因影响较小通常不计入。

3转差大小对发动机的影响

由双转子发动机的特性可知，当飞行马赫数增加时，高压转子转速n₂和涡轮前燃气温度T₃随之升高。当n₂上升到104%±0.5%时，高压转子最大转速限制器工作，保持n₂不变。此后，马赫数再增大，n₁和T₃均将下降，发动机推力减小。可见，如果n₂和T₃选配不当，飞行中可能造成小马赫数时n₂限速或T₃超过规定才限速，将影响发动机的性能和安全。因此，正确选择发动机转差就是为了保证发动机具有较好的高度速度特性，在整个飞行包线内工作。通过前面分析可知，高低压涡轮面积比的不同组合可以得到n₂和T₃的不同组合，即不同转差，它们的高低对发动机的性能和安全影响极大，以图3为例说明。

从图3中可以看出△S_A<△S_B<△S_C，在同一条等转速线上T_3A>T_3B。随着飞行马赫数的增加，如果T₃首先达到最大允许值而n₂没有达到限制值，n₂转速限制器不工作，容易引起T₃过高而烧坏涡轮部件;在同一条等转速线上T_3C3B。随着飞行马赫数的增加，n₂首先达到限制值，使高压转子转速保持不变，T₃下降，但这时T₃还未达到允许值，n₂限制后T₃更低，因此发动机推力下降，不能充分发挥潜在性能。因此，最佳选择是使高压转子沿共同工作线B工作，这时既可保持高压压气机的稳定工作裕度，又可使T₃与n₂之间有良好的匹配关系。

4导向器面积对压气机工作线的影响

发动机转差的调整首先是为了保证高压压气机的稳定工作裕度，但在转差调整的同时，由于涡轮导向器面积的变化和高压压气机工作能力的变化，低压转子的共同工作线也相应发生变化。

4.1调整高压涡轮导向器面积

如图4所示，当AI增大时，发动机转差变小。AI增大时高压压气机共同工作线远离喘振边界。AI增大对于高压压气机来说是开大节气门，高压压气机工作点由A点移到B点，增压比л_CH变小。同时，AI增大时低压压气机共同工作线靠近喘振边界。由于高压涡轮落压比变小，高压转子转速n₂变小，高压压气机转速降低对于低压压气机来说是关小节气门，低压压气机工作点由A点移到B点，增压比л_CL增大。同理，当AI减小时则情况反之。

4.2调整低压涡轮导向器面积

如图5所示，当AII增大时，发动机转差变大。AII增大时高压压气机共同工作线远离喘振边界。AII增大高压涡轮落压比增大，高壓转子转速n₂增大。低压涡轮落压比减小，低压转子转速n₁减小，发动机自动调节保持n₁不变，增加供油量，提高T₃温度。T₃升高对于高压压气机来说是关小节气门，高压压气机工作点由A点移到B点，增压比JICH变大。同时，AII增大时低压压气机共同工作线远离喘振边界。高压压气机转速增加对于低压压气机来说是开大节气门，低压压气机工作点由A点移到B点，增压比л_CL变小。同理，当AII减小时则情况反之。

参考文献

[1]邓华舟.发动机构造[Z].空军一航院，2002.