涡扇发动机部件特性扩展在起动模拟中的应用研究

宋兴超 齐晓雪

摘要：分析指出了传统的压气机和涡轮特性描述方法在部件特性扩展方面存在的问题并对其进行了改进，补充和扩展了涡扇发动机低转速部件特性并将其应用到涡扇发动机起动过程数学模型中，计算结果较好得模拟了发动机的起动过程。

关键词：压气机；涡轮；部件特性扩展

1 引言

1.1 涡扇发动机起动过程是一个十分复杂的气动热力学过程，它涉及到转子动力学、燃烧学、气动热力学、传热学等多门学科。起动过程中各转动部件（风扇或压气机、低压压气机、高压涡轮、低压涡轮）主要集中在小转速范围内工作，数值模拟发动机起动过程的方法，都必须依赖低转速的部件特性，而涡扇发动机转动部件在低转速区域，其流场的气流速度和攻角变化范围都远远超出设计状态，且其工作特性受外界随机因素的影响较大，数值计算和部件试验都很难获得准确的低转速部件特性。因此必须采用可靠有效的计算方法去补充和扩展转动部件慢车转速以下的部件特性。

2 发动机部件特性扩展

2.1 经过大量的调研和尝试，选择了采用等β线外推的方法，对其加以改进，事先定义好0转速线对应的特性线，并将原始的效率特性转换为温比特性。本文以风扇外涵特性和高压涡轮特性外推为例，具体介绍所采用的等β线外推法。

2.2 流量-压比特性外推

2.2.1 压气机流量-压比特性外推

2.3 外推的方法是将压比和流量沿着等β线的延长线上外推出慢车以下缺失的数据，并确保β值为1的特性线上的终点与（0，1）重合，即0转速线起始于点（0，1）。外推出的等转速线不宜过多，否则不利于后期调整修正。外推前后的特性如图1所示，可以看出，外推出的等转速线是比较平滑的。

2.3.1 涡轮压比-流量特性外推

为了便于外推以及模型的特性插值计算，需重新绘制等β线，并按与转速的n次方成线性的关系给出压比为1时对应的换算流量，它的作用是将外推变为了内插，提高了外推的准确性。

再按照等β线外推的方法，将每条等β线上的压比以与转速的n次方成线性的关系外插至0转速处的流量，且确保0转速对应的压比-流量线起始于图中的（1，0）点。外推出的结果如图2所示，图中绿色部分为原始特性经过重新绘制β线后的特性，红色部分为根据绿色线部分外推出的特性，然后将β值重新定义为从左往右由0到1均匀间隔的向量，即图中的蓝色线。

3.发动机起动过程模拟

通过传统的部件级建模方法结合等β线特性外推法实现了起动模型的建立。模型以尽可能提高其保真度的原则，考虑了发动机各部件之间的容腔效应，能够模拟地面起动过程，模拟结果如图6所示。

4.结论

本文补充和扩展了涡扇发动机低转速部件特性，建立了涡扇发动机部件级起动模型，可模拟地面状态下发动机从转速为0的初始状态加速至慢车的整个起动过程，全程采用部件特性计算，可计算起动全程发动机各个截面的热力学参数。仿真结果表明，该模型具有良好的精度。

参考文献

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（作者单位：中国航发沈阳发动机研究所）