涡扇发动机加力接通过程喷管延时调节影响研究

2021-06-28徐风磊谢镇波李边疆蔡娜胡强

航空工程进展 2021年3期

徐风磊，谢镇波，李边疆，蔡娜，胡强

（1.海军航空大学青岛校区，青岛266041）

（2.海军装备部装备项目管理中心，北京100000）

0 引言

航空发动机的加力常用于战斗机执行紧急起飞、快速爬升、超机动飞行和着舰复飞等飞行任务。发动机的加力过程通常分为加力接通和加力切断，且均会对其稳定性、寿命、强度等带来较大影响。如何合理确定加力供油量与尾喷管喉部面积之间的匹配关系［1］，使得这一过程尽量减小对主机（燃气发生器）状态的影响［2-3］，保证飞机和发动机安全稳定工作，已成为重要的研究课题。

马明明［4］通过分析试验数据指出加力供油不合理或与喷管调节不匹配都会对主机的稳定性产生不利的影响；郝晓乐等［5-7］通过分析试飞数据得出合理的加力供油与点火延时时间对接力接通可靠性的影响较大，但未对供油与喷管的匹配工作机理进行深入研究；薛倩等［8］建立了涡扇发动机加力接通过程的数学仿真模型，分析了接通加力过程中加力温度、涡轮总落压比和加力推力的变化趋势，但未对加力供油量、供油时序和喷管面积的匹配机理进行深入研究；李伟等［9］研究了喷管面积调节精度对涡扇发动机加力性能的影响，指出喷管面积调节精度对低压部件的影响较大，喷管延时调节对发动机的稳定性较为有利，但未分析喷管调节延时对加力供油量的影响。美国的H.Richter［10］仅对加力过渡过程的控制规律进行了简要论述，未详细论述喷管调节规律对加力过渡态的影响。

上述文献对发动机加力接通过程中喷管调节与供油量的匹配工作研究较少，因此本文以某型涡扇发动机为平台，对加力过程中加力供油量、供油时序和喷管喉部面积的匹配机理进行分析，确定加力燃烧室供油时序和喷管喉部面积调节时序的简化方法。在此基础上，基于部件法建立涡扇发动机加力接通的数学模型，开发计算程序，对某型涡扇发动机加力接通与加力切断过程的特性进行计算，研究喷管调节不到位对发动机状态的影响，并提出一种解决措施。

1 涡扇发动机加力接通过程仿真模型

1.1 考虑容积效应与转子动力学的发动机加力接通过程计算模型

发动机加力接通属于过渡态的一种，控制方程仍为传统的能量平衡和流量平衡方程［11-13］。独立变量选取与以往相同，可以解出与控制方程有关的平衡关系式（即误差方程组），只是动态方程中含有与时间有关的动态项，因此在两个时间步长中还必须考虑发动机随时间变化与控制方程有关的平衡关系式（即误差方程组），主要为加力燃烧室、外涵道容积中的空气质量和能量的贮存，其他诸如发动机与空气（及燃气）的热交换、几何参数或配合间隙随温度的变化关系等，本模型不考虑。

（1）流量平衡方程

式中：Wout为出口流量；Win为入口流量；V为容积；R为气体参数；T为温度；P为压力。

式（1）用于描述每个容积（加力燃烧室和外涵道）的进出口（in和out）之间的流量关系。

（2）能量守衡方程

式中：h为单位流量的焓；u为单位流量的内能。

式（2）用于描述每个容积（加力燃烧室和外涵道）的进出口（in和out）之间能量关系。

（3）功率守衡方程

式中：LT为涡轮功率；η为机械效率；LC为压气机功率；LEXT为提取功率；J为压气机转子转动惯量；n为转速。

1.2 加力供油量与喷管控制时序简化模型

加力式发动机主控制系统与加力控制系统结构简图如图1所示，其中PLA为油门杆位置，T1为进气温度，P1为进气压力，nL低压转子转速，nH为高压转子转速，P3高压压气机后，压力P6为低压燃气涡轮后压力，T6为低压燃气涡轮后温度。发动机加力状态的控制规律要求加力时保持主机的工作状态不发生变化。发动机在加力状态工作时，共同工作线的位置和形状不会发生变化，主机的工作不受加力燃烧室工作的影响，以保持压气机和风扇必要的稳定裕度。因此，必须保证涡轮膨胀比不变，这一要求由加力控制系统实现。

图1 加力式发动机的控制系统结构简图［14］Fig.1 Control system structure diagram of afterburner engine［14］

1.2.1 加力供油量与供油时序

加力燃烧室燃油总管的填充过程是确定涡扇发动机加力过渡态特点的重要因素之一。某型加力式涡扇发动机的加力燃烧室供油系统包括5条燃油总管［8-9］：起动燃油总管，No.1、No.2、No.3和No.4燃油总管，加力供油时序曲线如图2所示。

图2 加力供油时序曲线Fig.2 T ime series curve of afterburner oil supply

接通加力时，向起动燃油总管充油，其充油时间按设计规定给出，一般选取为0.4 s，燃油量按照预定值进行供给。例如：W f，st=0.1W f，ab，其中W f，ab为发动机全加力时，加力燃烧室根据加力调节规律确定的供油量，W f，ab可表示为发动机入口总压和总温的函数，即W f，ab=f(p1，T1)。

起动燃油管充油完成后依次向各燃油总管进行充油，充油时间和供油量按下述方案进行分配。

No.1燃油总管：充油时间0.4 s，供油量W f，st=0.225W f，ab。

No.2燃油总管：充油时间0.5 s，供油量W f，st=0.225W f，ab。

No.3燃油总管：充油时间0.6 s，供油量W f，st=0.225W f，ab。

No.4燃油总管：充油时间0.8 s，供油量W f，st=0.225W f，ab。

1.2.2 喷管喉部面积调节规律

在发动机加力过程采用开环加力燃油流量+闭环喷管面积控制或闭环加力燃油流量+开环喷管面积控制两种方案。由于机械喷管调节的响应速度比加力燃油的响应速度慢，而两者的响应速度差别会造成主机的不稳定工作，因此理论上采用第二种控制方案更加合理。但是，为了防止加力燃烧室余气系数超过富油熄火边界造成加力燃烧室熄火，实际上目前采用大加力比的涡扇发动机通常会选择开环加力燃油流量+闭环喷管面积的控制方案。采用这种方案，在加力接通或切断过程中，喷管控制系统设计要尽可能匹配加力燃油的变化趋势［14］。

在加力切断过程，就是在满足一定条件下，迅速关闭加力燃烧室使发动机从加力状态过渡到不加力状态，保证主机在最大状态稳定工作。根据非加力状态和加力状态的尾喷管喉部流量连续，计算加力接通或切断过程中喷管喉部面积A8的理论增大量或理论关小量。

喷管喉部面积A8为发动机进气温度T2和油门杆角度α的函数，即A8=f(T2，α)。当T2一定时，则A8由α决定。考虑实际调节精度和匹配关系，在加力接通过程中，设置A8实时调节，即与加力温度变化完全匹配和A8延迟5%两种情况对比分析，如图3所示。

图3 加力接通过程A 8调节规律Fig.3 Regulation law of A 8 in the process of afterburner

2 算例与分析

采用建立的数学模型，给定加力供油时序和尾喷管面积时序，对某型涡扇发动机加力接通过程进行计算分析，计算时以发动机主机工作于最大状态为基准，计算结果如图4所示。

发动机加力接通过程中，喷管延迟调节将会引起风扇物理转速、核心机物理转速、风扇喘振裕度、核心机喘振裕度等参数的变化，从图4可以看出：

图4 接通加力过程特性变化曲线Fig.4 Characteristic curve of connecting and applying force process

（1）在接通加力起始，随着加力燃油点燃，T7增加，A8延迟调节导致πT出现波动，πT降低约3.5%，nL降低约3.2%；随着A8调节速率增加，被调参数逐渐升高，其中πT升高约12%，nL升高约4.8%，nH升高约3%。

（2）接通加力过程对核心机喘振裕度ΔSMC影响较小，对风扇喘振裕度ΔSMF影响较大，与加力前对比，ΔSMF损失约3.9%，相对值损失约36%。

（3）加力接通完成后，被调参数恢复至加力起始水平，发动机开始进入稳定全加力状态。

3 喷管调节延迟影响及措施

实际上，在接通加力前A8会设定预开值，但不可开得过大，否则会使πT瞬时增大，nL超转严重；另外还会使加力燃烧室流速增大，压力和温度脉动幅度加大，造成加力点火的可靠性降低［9］。但在达到全加力状态时，如果A8出现调节延迟或调节不到位，会带来不利后果，例如A8调节比预定小，会导致涡轮反压升高，涡轮落压比降低，使转速（尤其是nL）无法恢复到原来水平。这时可采用如下解决措施：①通过增加主燃烧室供油量W fb，提高T4，使涡轮功增加，但可能会导致核心机出现严重超转或超温；②保持主燃烧室供油量W fb不变，适当减少加力供油量W f，ab，改善喷口的流通能力，增加涡轮功，使nL升高。

基于GJB 241A—2010规定，考虑到保证发动机不发生超温、超转与不稳定工作现象［15］的前提，对比措施①与措施②，可以发现措施①不符合规定，因此采用措施②进行计算，结果如图5所示。

图5 A 8调节延迟或不到位对状态的影响Fig.5 Influence of A 8 adjustment delay or not in place on state

从图5可以看出：在稳态全加力时，如果A8调节延迟或不到位，会引起nL和nH下降，无法恢复到加力起始水平，且导致性能降低（加力推力FN，wet下降2.55%，sfcwet升高2.55%），其中nL下降了3.4%，涵道比BPR下降了17.5%，风扇喘振裕度降低；采取本文提出的措施②，即保持W fb不变，适当减少W f，ab，改善喷口的流通能力的措施，则可以有效改善核心机和风扇的工作状态，提高了风扇的稳定裕度，保证发动机的稳定工作。