宋興超 彭振宇

摘要：以分排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，理論分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)超轉(zhuǎn)試驗(yàn)高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整方法、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的適應(yīng)性調(diào)整策略。說(shuō)明轉(zhuǎn)速調(diào)整方法和試驗(yàn)方法對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓轉(zhuǎn)速的影響。強(qiáng)調(diào)為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，必須通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證或者充分的分析論證說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和技術(shù)狀態(tài)的調(diào)整對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不會(huì)造成影響。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、整機(jī)試驗(yàn)、控制系統(tǒng)調(diào)整

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中為保證結(jié)構(gòu)完整性需要進(jìn)行包含超轉(zhuǎn)試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)，許多試驗(yàn)要求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在超過(guò)穩(wěn)態(tài)最高允許轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行，比如相關(guān)條款規(guī)定：為了提供轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完整性的必要儲(chǔ)備，轉(zhuǎn)子應(yīng)有足夠強(qiáng)度承受下列非正常狀態(tài)的載荷：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為穩(wěn)態(tài)最高允許轉(zhuǎn)速的115%，并在最高允許測(cè)量燃?xì)鉁囟认鲁掷m(xù)工作5min。

但是在實(shí)際情況下這些超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速在常規(guī)設(shè)計(jì)條件下是無(wú)法達(dá)到的，比如在高溫天發(fā)動(dòng)機(jī)由于排氣溫度的限制使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)法達(dá)到所需極限轉(zhuǎn)速；由于低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的限制使高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)法達(dá)到所需轉(zhuǎn)速，或者由于高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的限制使低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)法達(dá)到所需極限轉(zhuǎn)速。因此，就需要采取一些調(diào)整方法、試驗(yàn)方法來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到試驗(yàn)要求。

本文以分排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)地面臺(tái)架試驗(yàn)為例，討論整機(jī)超轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中常用的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整方法、試驗(yàn)方法及其他注意事項(xiàng)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整方法

2.1 改變噴口面積法

改變發(fā)動(dòng)機(jī)噴口面積利用兩套機(jī)構(gòu)，其一是利用發(fā)動(dòng)機(jī)上原有的工作狀態(tài)噴口面積，通過(guò)調(diào)整噴口的控制規(guī)律來(lái)改變?nèi)缂恿Α⒅虚g及額定狀態(tài)的噴口面積；其二是在用尾塞機(jī)構(gòu)（它可以在任何一種噴口位置上繼續(xù)減小噴口面積，該方法的優(yōu)點(diǎn)是噴口面積的可調(diào)范圍大，缺點(diǎn)是需要在試車(chē)臺(tái)架上加裝專(zhuān)門(mén)的尾塞體及其操縱控制裝置。

對(duì)于分排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)調(diào)整內(nèi)涵噴口面積和外涵噴口面積來(lái)調(diào)整高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

減小內(nèi)涵噴口面積，低壓渦輪膨脹比降低，低壓渦輪功將減小，低壓轉(zhuǎn)速有下降的趨勢(shì)。若保證低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，則需增加燃燒室燃油流量，提高低壓渦輪前總溫，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高。

減小外涵噴口面積，風(fēng)扇外涵壓比升高，風(fēng)扇外涵流通能力減弱，風(fēng)扇外涵共同工作線上移。一方面外涵壓比的升高使風(fēng)扇所需的功增加；另一方面，外涵空氣流量減少使風(fēng)扇所需的功減少，兩方面中前一因素影響起主導(dǎo)作用。因此隨著外涵噴口面積的減小，風(fēng)扇所消耗的功將增加，在低壓渦輪功不變的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)剩余功率減小，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有下降的趨勢(shì)。若保證低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，則必須升高低壓渦輪進(jìn)口總溫，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高。

可見(jiàn)內(nèi)外涵噴管面積的變化方向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差的影響方向是一致的，在保證低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變的條件下若要通過(guò)調(diào)整噴口面積提高高壓壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速勢(shì)必會(huì)使燃油流量增加，渦輪前溫度提高。為了提高高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單純的提高渦輪前溫度即可，但是顯然通過(guò)減小內(nèi)涵或外涵噴管面積同時(shí)提高渦輪前溫度的方法比較效果更好，因?yàn)檫@不會(huì)同步的提高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速限制值不會(huì)對(duì)高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的提高造成限制。

2.2調(diào)整可調(diào)靜子葉片角度法

在發(fā)動(dòng)機(jī)其他部件不變的條件下，調(diào)整可調(diào)靜子葉片（VSV）角度實(shí)際上影響了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的共同工作特性，通過(guò)將VSV角度調(diào)整到一個(gè)偏關(guān)位置，一方面使高壓壓氣機(jī)流量減小，另一方面壓氣機(jī)前面幾級(jí)可調(diào)靜子葉片的出氣角使壓氣機(jī)動(dòng)葉的氣流攻角減小，從而降低壓氣機(jī)的消耗功，在不提高燃油消耗量和渦輪前溫度的情況下提高高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。但是必須注意，將VSV角度偏關(guān)的位置必須在一定范圍內(nèi)，當(dāng)VSV偏關(guān)角度嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)角度時(shí)，進(jìn)氣流量的下降會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)進(jìn)口軸向速度過(guò)小，壓氣機(jī)動(dòng)葉氣流攻角過(guò)大有可能導(dǎo)致壓氣機(jī)失速甚至喘振。

2.3調(diào)整可變角度放氣活門(mén)角度法

可變角度放氣活門(mén)（VBV）是增壓級(jí)后的放氣裝置，它的目的主要是提高增壓級(jí)的裕度保證發(fā)動(dòng)機(jī)的安全，其放氣量的大小會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，在超轉(zhuǎn)試驗(yàn)中可以借此來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。VBV放氣量增大一方面會(huì)增加增壓級(jí)進(jìn)口流量，提高增壓級(jí)的流通能力，另一方面它使增壓級(jí)的負(fù)載增加，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有下降趨勢(shì)，使高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差增大。在進(jìn)行高壓轉(zhuǎn)子超轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，可采用增大VBV放氣量的方法，降低低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以避免低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速限制值對(duì)提高高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的造成限制。

2.4調(diào)整高壓渦輪導(dǎo)向器喉道面積法

高壓渦輪進(jìn)口喉道面積直接影響高壓渦輪的渦輪功和高壓壓氣機(jī)的流通情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速影響較大。當(dāng)減小喉道面積，則高壓渦輪進(jìn)口作為前面壓氣機(jī)的喉部對(duì)壓氣機(jī)起到一個(gè)節(jié)流作用，導(dǎo)致高壓壓氣機(jī)流通能力下降，內(nèi)涵空氣流量有減小的趨勢(shì)，在壓氣機(jī)特性圖上發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作線向上平移；同時(shí)喉道面積減小，使高壓渦輪膨脹比增大，最終高壓渦輪膨脹比增大與內(nèi)涵流量的減小相比起主導(dǎo)作用，高壓渦輪功增大，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高。

2.5調(diào)整高壓壓氣機(jī)引氣量

高壓壓氣機(jī)級(jí)間引氣或出口引氣，意味著高壓氣體的流失浪費(fèi)、核心機(jī)流量的減小，會(huì)使核心機(jī)功率顯著減少，若保證低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，則必須提高渦輪前總溫，使高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高；同時(shí)高壓壓氣機(jī)級(jí)間引氣或出口引氣相當(dāng)于放大了壓氣機(jī)出口的流通面積，轉(zhuǎn)速不變的情況下壓氣機(jī)壓比降低，消耗功減小，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有提高的趨勢(shì)。因此增加高壓壓氣機(jī)級(jí)間或出口引氣可以提高高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

2.6調(diào)整高壓轉(zhuǎn)子功率分出

高壓轉(zhuǎn)子功率分出可以采用加載飛機(jī)交流電機(jī)和飛機(jī)液壓泵的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該負(fù)載是通過(guò)附件齒輪箱傳遞到高壓轉(zhuǎn)子上的，因此這將會(huì)直接降低高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，在進(jìn)行低壓轉(zhuǎn)子整機(jī)超轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)該方法降低高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，以避免高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速限制值對(duì)提高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速造成限制。

2.4選擇適宜的環(huán)境溫度

在進(jìn)行整機(jī)超轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，要考慮在適宜的環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，一方面為保證發(fā)動(dòng)機(jī)有足夠的排氣溫度裕度，可以考慮在低溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)；另一方面試驗(yàn)不宜在過(guò)低的環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，因?yàn)檫_(dá)到相同物理轉(zhuǎn)速時(shí)，如果環(huán)境溫度過(guò)低則換算轉(zhuǎn)速將變大，甚至遠(yuǎn)大于100%設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，高低壓壓氣機(jī)可能工作在很不穩(wěn)定的非設(shè)計(jì)點(diǎn)。因此必須綜合兩方面的因素綜合確定整機(jī)超轉(zhuǎn)試驗(yàn)適宜的環(huán)境溫度范圍。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文論述的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)超轉(zhuǎn)試驗(yàn)的調(diào)整方法有可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果造成影響，為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，必須通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證或者充分的分析論證說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)的某些調(diào)整對(duì)試驗(yàn)結(jié)果不會(huì)造成影響。試驗(yàn)過(guò)程需增加發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求，如發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉尖振幅監(jiān)測(cè)、風(fēng)扇/壓氣機(jī)脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)等，以提前檢測(cè)影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全的不穩(wěn)定因素。

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（作者單位：中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所）