某型发动机热试车灵活性研究

2023-10-31周罡陈广瞩黄彩云国营长虹机械厂

航空维修与工程 2023年10期

■ 周罡陈广瞩黄彩云/国营长虹机械厂

0 引言

某型发动机是一款小型、单轴、不带加力燃烧室的涡轮喷气发动机，其压气机由一级轴流式压气机与一级离心式压气机组成；燃烧室为环形燃烧室；涡轮为单级轴流式涡轮；尾喷管为简单收敛式不可调节的尾喷管。发动机在修理维护中进行地面试车，发现热态灵活性（简称热灵）超差故障现象出现较为频繁。由于其故障树复杂，短期之内难以进行精准故障定位，给发动机的修理维护工作带来极大困扰。因此，有必要针对该型发动机地面热试车过程，研究发动机热灵与性能参数之间的内在联系，分析热灵故障的发动机性能变化规律，反推影响发动机热灵故障机理，为制定发动机热灵故障预防措施提供依据。

1 发动机热灵评判依据

发动机热灵是指热试车停车过程中，发动机从某一指定转速到转子完全停止所用的时间，是评判发动机修理质量是否满足要求的重要依据，表征发动机在热状态下转子阻力的大小。当发动机出现热灵超差故障时，说明发动机在热状态下转子阻力过大，转子部件转动有阻滞，严重时将引发转子掉块、叶片断裂而造成严重事故。例如，1962 年第2 架鹞式原型机P.1127（XP972）在试飞过程中压气机叶片碰磨机匣导致转子灵活性超差故障，最终引发钛火，飞机坠毁[1]。该型发动机的热灵要求为发动机从1783rpm 到转子完成停止的时间应不小于23s，当发动机热灵小于23s 时，发动机存在热灵故障。

2 发动机地面试车流程及性能分析

发动机是个复杂的系统，为了研究发动机主要性能指标与热灵的关系，对发动机试车过程进行分析。地面热试车流程如图1 所示。发动机热试车过程中各转速状态下涡轮后温度如图2 所示，图中横坐标N1 ～N9 转速状态分别表示发动机热试车过程从起动至停车前的80%转速状态，纵坐标是对巡航状态下标准点性能数据进行归一化而得。从图2 中可以看出，发动机各转速状态下涡轮后温度均在极限温度之下，满足试车要求；起动状态下发动机涡轮后温度较高，是由于起动过程中燃油阀门一直处于开启状态，造成发动机燃油堆积，在燃油点燃的瞬间会产生剧烈燃烧现象，导致起动状态涡轮后温度急剧升高。从起动状态加速至80%转速状态过程中，发动机涡轮后温度随转速增加而下降；从80%转速状态加速至98.5%转速状态过程中，发动机涡轮后温度随转速增加而上升；从98.5%转速状态降速至80%状态过程中，发动机涡轮后温度随转速减小而降低；与加速过程中同转速状态相比，涡轮后温度基本相同。

图1 发动机热试车流程

图2 发动机地面热试车涡轮后温度与转速关系

地面试车要求从80%状态停车，是该型发动机热灵故障出现较为频繁的原因之一。一般在停车过程中，需要发动机在慢车转速下冷机一段时间后再停车，使发动机在慢车状态下各部件温度同步下降，产生同步冷缩，防止机匣冷却速度比转子部件快，造成外缩内胀现象，引发碰磨危险。该型发动机要求从80%转速状态停车，是为了避免发动机产生共振现象，其共振转速在慢车转速状态和80%转速状态之间，约为12500rpm。为避免发动机共振，该型发动机在设计定型时要求从80%转速状态停车，在停车过程中测试热灵。由于发动机没有得到很好的冷机，因此在地面试车过程中出现发动机冷灵良好而热灵不满足工艺要求的现象就较为频繁。

3 发动机性能对比分析

3.1 发动机热灵故障案例选择

为分析发动机热灵故障，分别选取两台地面试车热灵合格和不合格的发动机进行性能对比，发动机热灵值和发动机状态如表1 所示。

表1 发动机编号设置及状态

3.2 推力对比分析

对4 台发动机的推力进行对比，如图3 所示，N1～N5 分别表示80%转速状态、85%转速状态、90%转速状态、95%转速状态、98.5%转速状态，TF 表示热灵。从图中可以看出，随着发动机转速增加，发动机推力增加；在相同转速状态下，4 台发动机的推力基本一致，发动机推力不受热灵影响。这是由于试车准备阶段会检查发动机，保证其转动灵活、平稳、无噪声，排除了转动阻力大的发动机，以避免转子卡滞等情况，因此热灵并没有偏离合格值太多。

从图3 中还可以看出，在全工况下，发动机从80%转速状态加速至95%转速状态过程中，随着转速的增加，斜率增大；当发动机到达95%转速后，随着转速的增加，斜率减小。可见95%转速状态是发动机的最佳工作状态，在该状态下发动机的经济性能最好。这与该型发动机的设计巡航状态相符。

3.3 耗油率对比分析

对4 台热灵不同的发动机的耗油率进行对比分析，如图4 所示。从中可以看出，随着发动机转速的增加，耗油率降低。这是由于发动机转速越大，压气机增压比越大，燃油燃烧越充分，因此单位时间和单位推力消耗的燃油质量越少，即发动机耗油率随推力增加而降低。巡航状态即95%转速状态下，发动机的燃烧最充分，超过95%转速状态后，发动机燃烧效率已达到极致。从图4 中还可以看出，在相同转速下，要获得相同的推力，热灵越好的发动机耗油率越低，即热灵越好，发动机在单位时间和单位推力条件下消耗的燃油越少。

图4 发动机地面试车耗油率与转速关系

图5 为发动机单位时间燃油消耗量与转速关系图。从中可以看出，为使发动机转速增加，提高发动机推力，发动机需要消耗更多的燃油。相同转速下，发动机热灵越好，单位时间消耗的燃油质量就越少。说明热灵越好的发动机，发动机的经济性能也越好。

图5 发动机地面试车燃油消耗量与转速关系

3.4 涡轮后温度对比分析

图6 为4 台发动机涡轮后总温与发动机转速关系图。从中可以看出，随着发动机转速增加，发动机涡轮后温度增加，即发动机涡轮后温度越高，气体所携带的能量越多，高温高压的气流推动发动机涡轮做功，提高发动机转速，并以动能的形式喷射出去，使发动机获得的推力越大；相同发动机转速状态下，涡轮后温度越高的发动机，发动机转子的灵活性越低。可见，相同推力情况下热灵越好的发动机消耗量的燃油越少，涡轮后温度越低。

图6 发动机涡轮后温度与转速关系

发动机核心部件能量传递关系如图7 所示。发动机工作时，空气经过压气机后提高压力和温度，随后气体进入燃烧室，与从燃烧室内甩油盘喷出的雾化燃油进行混合，形成油气混合物并在回流区内燃烧，气流温度迅速提升，燃烧室排出的燃气在涡轮内膨胀做功，推动涡轮转动，并带动压气旋转。经过涡轮的燃气在喷管内加速，将气体的压力势能转化为动能并高速喷出，形成推力。从能量守恒的角度分析，燃油消耗量越少，说明发动机通过燃烧室给气体注入的能量越少，发动机涡轮后温度越低。热试车过程中，来自燃烧室的高温气体给发动机加热，发动机受热膨胀，涡轮后温度越高，说明气体给发动机的受热量越多，发动机温度越高，发动机受热膨胀越大，改变了发动机的间隙，进而改变了发动机热状态下的转动灵活性。