整机匹配对涡轴发动机高度温度特性影响研究

2021-08-02唐晓毅张鑫刘渊余雅琪

中国科技纵横 2021年9期

唐晓毅张鑫刘渊余雅琪

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

涡轴发动机中的旋转部件包括压气机和涡轮，压气机和涡轮的共同工作很大程度上决定了发动机的性能优劣，在研制过程中需要通过调整部件的匹配实现发动机性能最优。对于涡轴发动机常采用的自由涡轮式单转子核心机构型，整机性能匹配主要包括对以下3个匹配参数组合：压气机导叶规律、燃气涡轮导向器喉部面积、动力涡轮导向器喉部面积。周勇[1]通过调整燃气涡轮导向器和动力涡轮导向器喉部面积，解决了制造偏差导致的性能偏低问题，实现了某涡轴发动机最大连续状态功率提高3.3%。王华青[2]针对双轴式涡轮喷气发动机的高低压涡轮和喷口喉部面积进行了匹配研究，解决了发动机的参数匹配问题。蔡建兵[3]通过对燃气涡轮导向器、动力涡轮一级导向器、压气机及压气机径向扩压器的调试，提出了一种可行的涡轴发动机性能调试方法。可见，整机匹配对调整发动机性能具有较大的工程意义。

在高原和高温环境下，因空气密度稀薄，涡轴发动机功率衰减较多，直升机需求功率也相对增大，往往也是发动机功率需求最严苛的环境，通常对发动机最大状态功率需求最高。整机匹配技术仅需对部件做小幅调整即可实现发动机性能的匹配，具有代价小，简便易行的优势。本文针对涡轴发动机在高原高温环境下功率需求更高的问题，通过仿真计算和试验验证相结合的方法，研究整机匹配对发动机最大状态工作参数的影响，为涡轴发动机高原高温环境功率提升提供技术途径。

1.整机匹配参数影响研究

1.1 整机性能模型的建立

某典型涡轴发动机包括燃气发生器和自由涡轮两个转子，组合式压气机轴流级导叶可调，以其研究对象，其本文采用部件法[4-6]建立该涡轴发动机的稳态性能模型，因发动机高度温度特性评估需进行全包线性能计算，采用其高空模拟试验数据修正模型提高计算精度。修正后的整机性能模型在最大状态的计算值与试验值对比如表1所示。

表1 整机模型计算精度验证

采用修正后的整机计算模型对发动机在海拔4.5km高度下的最大状态温度特性进行了仿真，如图1所示。图中在低进气温度环境（T0<0℃）发动机功率受换算转速限制，输出功率随大气温度降低而下降；在高进气温度环境，发动机功率受燃气温度Tt45限制，输出功率随大气温度上升而下降。

图1 海拔4.5km发动机最大状态功率温度特性

1.2 压气机导叶规律影响研究

当代涡轴发动机导叶调节规律通常为发动机换算转速与导叶角度的函数关系，导叶角度大小直接影响压气机工作转速下的流量。某发动机试验研究表明，压气机进口零级导叶角度变化±5°范围内，导叶开度开大1°，等换算转速下压气机进气流量增大约0.85%，压比和效率基本保持不变。

以某发动机为研究对象，采用本文建立的某涡轴发动机整机性能模型，开展压气机导叶规律对发动机匹配的影响研究，计算时给定动力涡轮前温度Tt45为最大状态额定值，其余参数不做限制。

图2给出了海平面、标准大气条件下仅压气机导叶规律变化对发动机最大状态工作参数的影响。从图中可知，在发动机最大状态下，压气机零级导叶开度变化：

（1）与功率、流量、压气机压比和效率的变化呈线性正相关；

（2）与工作转速变化呈线性负相关；

（3）燃气涡轮膨胀比基本保持不变。

从图2中可以发现，压气机零级导叶开度Ang0增大使得某发动机工作转速降低，使工作点往压气机高效率区移动；导叶开度减小，使发动机工作转速大幅上升，偏离压气机设计转速，故工作点发动机效率降低较多。压气机导叶开度增加对发动机功率提升略有好处，每增加1°将使得发动机功率约增大0.25%、工作转速降低0.25%。

图2 海拔4.5km发动机最大状态功率温度特性

1.3 动力涡轮导向器喉部面积影响研究

图3给出了动力涡轮导向器流函数QPT变化对整机匹配的影响，流函数QPT变化在-5%～2.5%，发动机最大功率随流函数增加而增大，在2.5%～5.0%则随流函数增加而下降，这种趋势是由于发动机最大状态工作转速通常接近100%发动机转速，动力涡轮流函数增加将使发动机转速线性增加，压气机进入堵塞工况，发动机转速上升而空气流量和压比增加较少，且压气机效率也逐渐下降，燃气做功能力降低。从图3可见，动力涡轮导向器流函数增加1%，工作转速升高0.8%。

图3 动力涡轮导向器流通能力变化对整机匹配影响

2.整机匹配优化设计

2.1 参数匹配方法

从压气机导叶规律和动力涡轮导向器流函数对最大状态的工作参数影响趋势和大小均不一致，难以通过简单分析得到最优匹配方案，需通过多参数综合分析确定最优方案。涡轴发动机通常以海平面、标准天大气条件最大状态作为设计点，因此整机匹配优化选择某涡轴发动机最大状态功率为分析目标，采用试验设计法开展动力涡轮导向器流函数和压气机流通能力综合匹配。试验设计方案如表2所示，得到评估结果如图4所示。

表2 整机匹配分析试验设计方案

图4 整机匹配参数对最大状态功率（云图）、工作转速（等值线）影响

从图5中可见，在原设计方案，仅通过增加压气机导叶开度使发动机功率提升幅度最大仅1%。若同步增大动力涡轮导向器流函数，功率提升幅度可到4%，如图4右上角区域所示。仅增加压气机导叶开度和仅缩小动力涡轮导向器流函数均能使最大状态工作转速降低，使发动机工作在合适的转速。

实现发动机功率提升均具有多种组合方案，结合图1中发动机在高原环境的温度特性可知，最大工作状态在低温环境容易进入换算转速限制，在热天环境容易进入涡轮前温度Tt45限制。为对比不同匹配方案对最大状态高度/温度特性的影响，在试验设计方案中选择的3种方案如图中所示方案A/B/C，各方案的匹配方案及结果如表3所示。

表3 整机匹配方案（0km、ISA）

2.2 高度/温度特性对比分析

对表3中各整机匹配方案开展最大状态功率高度/温度特性计算，评估发动机在不同大气条件下的性能表现。图5为ISA大气条件下各方案的功率对比情况，在海平面，方案A较原方案功率提升了4%，随着海拔升高，环境温度逐渐降低，发动机进入换算转速限制，方案A工作转速较原方案高，故方案A在海拔2km以上最大状态功率仅原方案提升0.5%；方案B工作转速与原方案一致，故方案B在海拔2km以上保持约3.9%的功率提升；方案C工作转速较原方案降低0.9%，故方案C在高海拔环境功率提升7.2%。因此，发动机工作转速较低，不容易进入换算转速限制，更有利于在低大气温环境使用。

图5 ISA大气条件高度特性对比

图6给出了各方案发动机在海拔4.5km条件下的温度特性对比，在低大气温度环境下，与图5中高度特性一致，受换算转速ngc限制，方案A输出功率较原方案提升约0.5%，方案B输出功率较原方案高约3.9%，方案C输出功率较原方案高约7.2%。在高进气温度环境，发动机状态受燃气温度Tt45限制，各方案功率提升幅度与表3一致，发动机匹配结果不影响高原功率衰减幅度。以上结果表明，通过匹配优化可以实现发动机高原低温环境温度特性改善。

图6 海拔4500米温度特性

根据压气机特性可知，增加压气机导叶开度将降低发动机使用稳定裕度，如图7所示，压气机导叶开度增大使喘振裕度线性降低，同时增加动力涡轮导向器流函数可略微改善喘振裕度，匹配方案A、方案B、方案C喘振裕度分别降低了10.3%、-18.5%、25.4%。从图7也可发现，若保持发动机喘振裕度基本不变，通过调整压气机导叶和动力涡轮流函数匹配关系改善性能的可行域较小。