基于涡轴发动机性能分析的压气机清洗影响研究

谭 巍，杨天南，李 冬，于向财

（1.海军航空大学，山东 烟台 125001；2.海装沈阳局驻沈阳地区第二军事代表室，辽宁 沈阳 110043)

0 引言

大量的研究表明：压气机积垢会导致航空发动机长期运行的性能降低70% ～ 85%[1]，同时，侵蚀也是造成航空发动机的性能衰退的主要原因之一[2-3]。由此可见，积垢和侵蚀对航空发动机的压气机特别是轴流式压气机的性能影响很大[4-6]。而压气机清洗不仅可以有效地避免发动机因长时间运行导致的性能衰退的发生，而且降低了发动机发生故障的几率，保障发动机能健康运行，以延长发动机的实际使用时间[7-11]，使得发动机产生的效益达到最高。

目前，国内外普遍使用的涡轴发动机建模方法是通过解析法建立涡轴发动机的数学计算模型。解析法建模的方法是根据涡轴发动机在实时工作过程中必须遵循的气动热力学规律，再结合发动机各部件的特性方程建立起发动机模型。Ballin M G 等[12]在1988 年建立了T700 涡轴发动机的部件级性能仿真数学模型。1992 年，佛罗里达Atlantic 大学的Ahmet Duyar等[13]通过分段辨识的方法，建立了一套T700 涡轴发动机的简化线性状态空间模型。金洪江[14]基于某型涡轴发动机的压气机、燃烧室、涡轮等部件的部件特性，建立部件级性能计算模型，进行动、稳态仿真，并且依据该模型初步地研究了该型发动机的性能特性。梁宁宁[15]首先对某型涡轴发动机部件级性能仿真数学模型进行了分析，在理解涡轴发动机控制原理的基础上，进一步明确控制目标，研究分析控制规律。尚东然[16]采用三维数值模拟软件CFX，研究了粗糙度对多级压气机气动特性的影响。

本研究压气机性能对涡轴发动机性能的影响，并以发动机设计点数据为依据，研究各部件性能衰退对发动机性能的影响情况，为视情确定压气机的清洗时机提供技术支撑。

1 稳态模型及其求解

某型涡轴发动机是双转子的涡轴发动机。它由燃气发生器和自由涡轮动力输出装置两部分组成。燃气发生器由环形进气道、混合式压气机、环形燃烧室、两级反力式整体涡轮组成。其中，自由涡轮输出装置由两级反力式涡轮、齿轮减速器和裤衩形固定尾喷管组成。

在建立涡轴发动机部件级性能计算模型时，可以根据涡轴发动机的气动热力过程，将发动机分解为几大相对独立的部件，例如进气道、压气机（包括轴流压气机以及离心压气机）、燃烧室、燃气发生器涡轮、自由涡轮、尾喷管等部件，一般可以通过部件相应的特性曲线来描述每一个部件的特性，这些特性曲线一般通过部件试验来获取，每一个部件的气动参数之间的关系通过相应的特性曲线以及气动热力学方程来共同确定。由发动机结构图提取得到该发动机数学模型的原理框图如图1 所示。

图1 涡轴发动机截面标示图

根据涡轴发动机数学模型原理框图，按照发动机内部气体流动顺序依次建立各部件气动热力学方程。涡轴发动机的正常工作的实现是以各部件的共同工作条件为基础的，这些共同工作条件为：能量平衡方程，功率平衡方程，流量平衡方程。某型涡轴发动机的建模过程，则可得如下的共同工作方程：

（1）燃气涡轮流量连续方程

2 模型验证

为验证本文所建立的涡轴发动机部件级性能计算模型是否精确，对发动机设计点的性能进行计算，并将其与发动机试车参数进行比较，试车参数与计算参数的比较见表1。

表1 涡轴发动机性能参数对比

压气机增压比、燃烧室出口总温、燃气涡轮出口总温、轴功率、耗油率以及扭矩的计算数据均大于试车数据（表1），其中相对误差最大的性能参数为扭矩，达到3.76%。由表1 可见，通过建立的涡轴发动机性能计算模型所计算得到的发动机设计点的各个性能参数结果良好，虽然存在一定的误差，但与试车参数比较吻合，所建立的发动机部件级性能计算模型精度较好，能较好地反映发动机性能。

3 压气机性能对发动机性能影响分析

3.1 100%转速时的影响分析

表2 为100%转速时发动机性能变化情况。由表2 可知，压气机性能的变化对各个发动机性能参数均有不同程度的影响，其中影响程度相对较大的性能参数为压气机出口总压P2与燃烧室出口总压P3，相对变化率均达到4%以上。清洗后，各个截面温度都有所下降，各个截面压力有所上升，轴功率、扭矩等参数增加，燃油消耗量降低。

表2 涡轴发动机性能变化

3.2 90%转速时的影响分析

表3 为90%转速时发动机性能变化。由表可知，90%转速时的发动机性能参数的变化参数趋势与100%转速时一致。其中，相对变化率较大的性能参数仍为压气机出口总压与燃烧室出口总压，相对变化率均达到3%以上，各部件的出口总温以及耗油率的相对变化率比100%转速时有所增大，各部件的出口总压以及轴功率、扭矩的相对变化率比100%转速时有所减小。清洗后，各个截面温度都有所下降，各个截面压力有所上升，轴功率、扭矩等参数增加，燃油消耗量降低。

表3 涡轴发动机性能变化

3.3 80%转速时的影响分析

表4 为80%转速时发动机性能变化。由表可知，80%转速时的发动机性能参数的变化趋势与其它转速时一致。其中，相对变化率较大的性能参数仍为压气机出口总压与燃烧室出口总压，相对变化率均达到1%以上，各个发动机性能参数的相对变化率均小于其它转速时的相对变化率。

表4 涡轴发动机性能变化

4 性能参数的相关性分析

随着涡轴发动机的使用，发动机的各部件的性能均发生一定程度的衰退，并最终导致发动机性能的衰退。针对某个发动机性能参数，各个部件对其的影响程度不同。本文以某型涡轴发动机设计点数据为基础，对部件性能参数与发动机性能参数进行相关性分析，得出与压气机性能参数相关度最高的发动机性能参数，进而为视情确定压气机的清洗时机提供重要的技术支撑。

表5 相关系数

表6 归一化后的相关系数

5 结语

本文以压气机清洗前后的性能数据以及涡轴发动机部件级性能计算模型为基础，计算得出涡轴发动机性能的变化情况，分析压气机性能的提高对发动机性能的影响。并以涡轴发动机设计点数据为基础，对发动机性能参数与部件性能参数进行了相关性分析。研究结果表明：

（1）清洗后，压气机性能的提高将会使得发动机性能得到改善。发动机在100%、90%和80%转速时，清洗后，各个截面温度都有所下降，各个截面压力有所上升，轴功率、扭矩等参数增加，燃油消耗量降低，变化量最大的为压气机出口总压与燃烧室出口总压，不同转速下，相对变化率均在1%以上。

（2）经过参数敏感性分析，相比其它发动机性能参数，发动机的压气机出口总压、燃烧室出口总压与性能相关度较高，可以作为监测参数，当参数变化1%时，确定压气机清洗时机。