航空发动机整机超转试验方法研究

宋兴超 彭振宇

摘要：以分排涡扇发动机为例，理论分析航空发动机整机超转试验高低压转子转速调整方法、试验方法及试验过程中发动机控制系统的适应性调整策略。说明转速调整方法和试验方法对于发动机高低压转速的影响。强调为保证试验结果的有效性，必须通过试验验证或者充分的分析论证说明发动机工作状态和技术状态的调整对试验结果不会造成影响。

关键词：转子转速、整机试验、控制系统调整

1 引言

航空发动机在设计过程中为保证结构完整性需要进行包含超转试验等一系列试验，许多试验要求发动机转子在超过稳态最高允许转速条件下进行，比如相关条款规定：为了提供转子结构完整性的必要储备，转子应有足够强度承受下列非正常状态的载荷：转子转速为稳态最高允许转速的115%，并在最高允许测量燃气温度下持续工作5min。

但是在实际情况下这些超转转速在常规设计条件下是无法达到的，比如在高温天发动机由于排气温度的限制使发动机转子转速无法达到所需极限转速；由于低压转子转速的限制使高压转子转速无法达到所需转速，或者由于高压转子转速的限制使低压转子转速无法达到所需极限转速。因此，就需要采取一些调整方法、试验方法来保证发动机转子转速达到试验要求。

本文以分排涡扇发动机地面台架试验为例，讨论整机超转试验过程中常用的发动机转子转速调整方法、试验方法及其他注意事項。

2 发动机高低压转子转速调整方法

2.1 改变喷口面积法

改变发动机喷口面积利用两套机构，其一是利用发动机上原有的工作状态喷口面积，通过调整喷口的控制规律来改变如加力、中间及额定状态的喷口面积；其二是在用尾塞机构（它可以在任何一种喷口位置上继续减小喷口面积，该方法的优点是喷口面积的可调范围大，缺点是需要在试车台架上加装专门的尾塞体及其操纵控制装置。

对于分排涡扇发动机可以通过调整内涵喷口面积和外涵喷口面积来调整高低压转子转速。

减小内涵喷口面积，低压涡轮膨胀比降低，低压涡轮功将减小，低压转速有下降的趋势。若保证低压转子转速不变，则需增加燃烧室燃油流量，提高低压涡轮前总温，高压转子转速升高。

减小外涵喷口面积，风扇外涵压比升高，风扇外涵流通能力减弱，风扇外涵共同工作线上移。一方面外涵压比的升高使风扇所需的功增加；另一方面，外涵空气流量减少使风扇所需的功减少，两方面中前一因素影响起主导作用。因此随着外涵喷口面积的减小，风扇所消耗的功将增加，在低压涡轮功不变的条件下，发动机剩余功率减小，低压转子转速有下降的趋势。若保证低压转子转速不变，则必须升高低压涡轮进口总温，高压转子转速升高。

可见内外涵喷管面积的变化方向对发动机高低压转子转差的影响方向是一致的，在保证低压转子转速不变的条件下若要通过调整喷口面积提高高压压转子转速势必会使燃油流量增加，涡轮前温度提高。为了提高高压转子转速，单纯的提高涡轮前温度即可，但是显然通过减小内涵或外涵喷管面积同时提高涡轮前温度的方法比较效果更好，因为这不会同步的提高低压转子转速，低压转子转速限制值不会对高压转子转速的提高造成限制。

2.2调整可调静子叶片角度法

在发动机其他部件不变的条件下，调整可调静子叶片（VSV）角度实际上影响了发动机整机的共同工作特性，通过将VSV角度调整到一个偏关位置，一方面使高压压气机流量减小，另一方面压气机前面几级可调静子叶片的出气角使压气机动叶的气流攻角减小，从而降低压气机的消耗功，在不提高燃油消耗量和涡轮前温度的情况下提高高压转子转速。但是必须注意，将VSV角度偏关的位置必须在一定范围内，当VSV偏关角度严重偏离设计角度时，进气流量的下降会导致压气机进口轴向速度过小，压气机动叶气流攻角过大有可能导致压气机失速甚至喘振。

2.3调整可变角度放气活门角度法

可变角度放气活门（VBV）是增压级后的放气装置，它的目的主要是提高增压级的裕度保证发动机的安全，其放气量的大小会影响发动机的工作状况，在超转试验中可以借此来调整发动机的转子转速。VBV放气量增大一方面会增加增压级进口流量，提高增压级的流通能力，另一方面它使增压级的负载增加，低压转子转速有下降趋势，使高低压转子转差增大。在进行高压转子超转试验时，可采用增大VBV放气量的方法，降低低压转子转速，以避免低压转子转速限制值对提高高压转子转速的造成限制。

2.4调整高压涡轮导向器喉道面积法

高压涡轮进口喉道面积直接影响高压涡轮的涡轮功和高压压气机的流通情况，对发动机的转速影响较大。当减小喉道面积，则高压涡轮进口作为前面压气机的喉部对压气机起到一个节流作用，导致高压压气机流通能力下降，内涵空气流量有减小的趋势，在压气机特性图上发动机共同工作线向上平移；同时喉道面积减小，使高压涡轮膨胀比增大，最终高压涡轮膨胀比增大与内涵流量的减小相比起主导作用，高压涡轮功增大，高压转子转速升高。

2.5调整高压压气机引气量

高压压气机级间引气或出口引气，意味着高压气体的流失浪费、核心机流量的减小，会使核心机功率显著减少，若保证低压转子转速不变，则必须提高涡轮前总温，使高压转子转速升高；同时高压压气机级间引气或出口引气相当于放大了压气机出口的流通面积，转速不变的情况下压气机压比降低，消耗功减小，高压转子转速有提高的趋势。因此增加高压压气机级间或出口引气可以提高高压转子转速。

2.6调整高压转子功率分出

高压转子功率分出可以采用加载飞机交流电机和飞机液压泵的方法来实现，该负载是通过附件齿轮箱传递到高压转子上的，因此这将会直接降低高压转子转速，在进行低压转子整机超转试验时，可以通过该方法降低高压转子转速，以避免高压转子转速限制值对提高低压转子转速造成限制。

2.4选择适宜的环境温度

在进行整机超转试验时，要考虑在适宜的环境温度条件下进行，一方面为保证发动机有足够的排气温度裕度，可以考虑在低温环境下进行试验；另一方面试验不宜在过低的环境温度条件下进行，因为达到相同物理转速时，如果环境温度过低则换算转速将变大，甚至远大于100%设计转速，高低压压气机可能工作在很不稳定的非设计点。因此必须综合两方面的因素综合确定整机超转试验适宜的环境温度范围。

3 结束语

本文论述的发动机整机超转试验的调整方法有可能对发动机的试验结果造成影响，为保证试验结果的有效性，必须通过试验验证或者充分的分析论证说明发动机的某些调整对试验结果不会造成影响。试验过程需增加发动机状态监测要求，如发动机整机振动监测、发动机风扇叶尖振幅监测、风扇/压气机脉动压力监测等，以提前检测影响发动机安全的不稳定因素。

参考文献

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[2] 张宝诚 航空发动机试验和测试技术 [M] 北京：北京航空航天大学出版社，2005

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[4] 齐晓雪等 大涵道比涡扇发动机几何面积调整研究 [J] 航空科学技术，2014，25（08）：54-59

（作者单位：中国航发沈阳发动机研究所）