陳云永, 馬昌友, 孫震宇, 陳志龍

中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限責(zé)任公司, 上海 201306

0 引 言

高壓壓氣機(jī)作為航空發(fā)動機(jī)的重要部件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的性能。壓氣機(jī)效率表示壓氣機(jī)中能量轉(zhuǎn)化過程的完善程度，對發(fā)動機(jī)耗油率、推力等關(guān)鍵指標(biāo)有著較大的影響[1-4]，是衡量壓氣機(jī)性能水平的關(guān)鍵指標(biāo)，也是評價高壓壓氣機(jī)氣動和結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是否有效的主要依據(jù)之一。等熵效率仍是目前評價高壓壓氣機(jī)效率的主要指標(biāo)[5]。

在高壓壓氣機(jī)性能試驗中，根據(jù)實際消耗功測量方法的不同，等熵效率可分為溫升效率和扭矩效率：前者側(cè)重于壓氣機(jī)進(jìn)出口溫度測量，后者側(cè)重于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子輸入扭矩和轉(zhuǎn)速測量。在壓氣機(jī)級間不引氣或忽略引氣的情況下，進(jìn)出口流量守恒或接近守恒，效率計算公式較為簡潔，只需要測量壓氣機(jī)進(jìn)出口總溫、總壓，即可得到溫升效率，或通過測量壓氣機(jī)流量、轉(zhuǎn)速、扭矩、進(jìn)口總溫和總壓比即可得到扭矩效率。但對于民用航空發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)而言，級間引氣呈現(xiàn)出引氣位置多、總引氣流量占比大等特點(diǎn)，這給高壓壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率的準(zhǔn)確測量增加了困難[6-8]。

近年來，兩種效率測試方法的準(zhǔn)確性越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[9-14]。任銘林等[11]對某兩臺不同設(shè)計壓比壓氣機(jī)的溫升效率和扭矩效率之間的偏差進(jìn)行了統(tǒng)計分析，忽略級間引氣情況下溫升效率一般大于扭矩效率，引入級間引氣修正后，溫升效率會下降1個百分點(diǎn)。強(qiáng)艷等[5]推導(dǎo)了含有級間引氣參數(shù)的溫升效率和扭矩效率公式，以某設(shè)計壓比為20、引氣率為15%的高壓壓氣機(jī)為例，對比分析了引入級間引氣參數(shù)修正前后的溫升效率變化，引入級間引氣修正后，溫升效率可能會偏大或偏小，主要與引氣前后段壓氣機(jī)的效率大小相關(guān)。兩位學(xué)者都認(rèn)為溫升效率和扭矩效率之間的偏差歸根于各自的測試誤差，未深入研究造成兩者偏差的機(jī)理，也未深入分析級間引氣位置和引氣率變化對溫升效率和扭矩效率以及兩者偏差的影響程度。

本文以某十級高負(fù)荷高壓壓氣機(jī)性能試驗件為研究對象，從氣體實際消耗功計算差異性上深入分析溫升效率和扭矩效率兩種效率之間的偏差機(jī)理，進(jìn)而對引入引氣修正前后溫升效率和扭矩效率的變化規(guī)律進(jìn)行試驗驗證，探討級間引氣位置和引氣率變化對壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率評價的影響程度。

1 扭矩效率與溫升效率偏差機(jī)理分析

壓氣機(jī)效率是氣流的等熵壓縮功和實際消耗功之比。對于級間不引氣的壓氣機(jī)而言，由于壓氣機(jī)進(jìn)出口流量相同，壓氣機(jī)進(jìn)口氣流全部為主流，溫升效率ηT僅與壓氣機(jī)進(jìn)出口氣流參數(shù)相關(guān)，計算公式如下：

(1)

式中，pin、pex分別為壓氣機(jī)進(jìn)口(in)和出口(ex)總壓，kPa；Tin、Tex分別為壓氣機(jī)進(jìn)口和出口總溫，K；k為根據(jù)壓氣機(jī)進(jìn)口和出口總溫求得的一個等效平均絕熱指數(shù)，具體計算方法參見文獻(xiàn)[5]?？梢姡瑴厣蕛H以氣流為對象，表征了氣流從壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子獲取的功轉(zhuǎn)化為用于氣流增壓的等熵壓縮功的能力。溫升效率越大，壓氣機(jī)氣動損失就越小，因此溫升效率主要體現(xiàn)了壓氣機(jī)葉型、流道等氣動設(shè)計的水平。

與溫升效率相比，扭矩效率ηtor則無需測量出口總溫，計算公式如下：

(2)

式中，Win為壓氣機(jī)進(jìn)口流量，kg/s；M為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子輸入扭矩，N·m；n為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。扭矩M和轉(zhuǎn)速n的積表征了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子從試驗器動力驅(qū)動系統(tǒng)獲取的全部輸入功?？梢钥闯?，計算扭矩效率不僅涉及氣流參數(shù)，還涉及扭矩、轉(zhuǎn)速的機(jī)械傳動參數(shù)。圖1為壓氣機(jī)輸入功傳遞示意圖。轉(zhuǎn)子輸入功傳遞給氣流，需要克服軸承熱效應(yīng)以及盤腔鼓風(fēng)效應(yīng)等，并不能完全傳遞給氣流做功。其中，軸承熱效應(yīng)引起的輸入功損失通過試驗件軸承潤滑系統(tǒng)以熱量形式排出試驗件外。可見，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子輸入功并不能代表氣流的實際消耗功。

圖1 壓氣機(jī)輸入功傳遞示意圖Fig.1 Compressor input power transfer diagram

由式(1)和(2)可得，溫升效率與扭矩效率之間的關(guān)系為：

ηtor=ηTηM

(3)

其中：

(4)

ηM為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子給氣流做的功(即氣體實際消耗功)與轉(zhuǎn)子輸入功的比值，表征轉(zhuǎn)子的機(jī)械傳動效率。轉(zhuǎn)子傳動效率越大，其機(jī)械傳動損失就越小，因此機(jī)械傳動效率主要體現(xiàn)了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子傳動等結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。由于轉(zhuǎn)子機(jī)械損失一直存在，轉(zhuǎn)子的機(jī)械傳動效率永遠(yuǎn)小于1。

綜上所述，扭矩效率是以氣流和壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)為對象，表征了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子輸入功轉(zhuǎn)化為用于氣流增壓的等熵壓縮功的能力，綜合體現(xiàn)了壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣動設(shè)計的水平，并且壓氣機(jī)扭矩效率總是小于溫升效率。

2 引氣對壓氣機(jī)效率計算影響分析

2.1 溫升效率

圖2 帶級間引氣的十級壓氣機(jī)試驗件示意圖Fig.2 Schematic diagram of test piece of ten stage compressor with interstage bleed

(5)

式中，上標(biāo)或下標(biāo)b、i表示第i級引氣氣流；pb,i為第i級引氣出口總壓，kPa；Tb,i為第i級引氣出口總溫，K。kb,i為根據(jù)壓氣機(jī)進(jìn)口氣流總溫和引氣出口氣流總溫求得的等效平均絕熱指數(shù)[5]。

由于引氣所在級位置不同，主流和各級間引氣氣流受到壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子不同程度的做功和增壓，壓氣機(jī)總的等熵壓縮功和實際消耗功分別為各部分氣流的等熵壓縮功和實際消耗功之和。引入引氣參數(shù)修正的壓氣機(jī)溫升效率η′T計算公式如下[5]：

η′T=

(6)

式中，δb,i為第i級引氣出口引氣率，為該級引氣流量Wb,i占試驗件進(jìn)口總流量Win之比?？梢钥闯?，與式(1)相比，使用式(6)評定壓氣機(jī)溫升效率，計算參數(shù)顯著增多，不僅需要獲取出口引氣參數(shù)，而且計算量顯著增大。

(7)

式中，ζb,i的計算式如下：

(8)

ζb,i為第i級引氣氣流相對等熵加功量，表示第i級單位質(zhì)量引氣氣流的等熵壓縮功與單位質(zhì)量主流的等熵壓縮功之比。顯然，0<ζb,i≤1，第1級引氣氣流相對等熵加功量最小，最末級引氣氣流相對等熵加功量最大，相當(dāng)于主流相對等熵加功量，即ζb,i=1?？梢?，引氣氣流的相對等熵加功量反映了引氣所在級位置。

從式(7)可知，當(dāng)各級引氣氣流效率都與主流效率相等時，壓氣機(jī)溫升效率與主流效率相等。當(dāng)各級引氣氣流效率與主流效率不相等時，很難確定壓氣機(jī)溫升效率與主流效率之間的偏差關(guān)系。

為了簡化兩者之間偏差的評估，以某第四級引氣十級壓氣機(jī)為例進(jìn)行分析。該壓氣機(jī)設(shè)計壓比為20，相應(yīng)的引氣壓比為5。圖3為引氣效率變化對壓氣機(jī)溫升效率的影響趨勢，橫坐標(biāo)為引氣效率與主流效率之差，縱坐標(biāo)為壓氣機(jī)溫升效率與主流效率之差，用以表征壓氣機(jī)溫升效率修正前后變化量。

圖3 引氣效率變化對壓氣機(jī)溫升效率的影響趨勢Fig.3 Effect of bleed efficiency variation on compressor temperature rise efficiency

圖4 引氣率變化對壓氣機(jī)溫升效率的影響Fig.4 Effect of bleed rate variation on compressor temperature rise efficiency

由于壓氣機(jī)級間引氣結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，引氣參數(shù)實際上與引氣出口測量截面的位置選取直接相關(guān)。圖5為典型的壓氣機(jī)級間引氣結(jié)構(gòu)和試驗連接方案[15]，為了降低引氣對主流周向不均勻度的影響，級間引氣氣流一般通過機(jī)匣上的環(huán)形引氣縫流入集氣環(huán)腔內(nèi)，再從集氣環(huán)腔外環(huán)上沿周向開設(shè)的多個引氣排出孔排出，經(jīng)軟管匯入引氣集氣裝置后進(jìn)入引氣系統(tǒng)，引氣系統(tǒng)對引氣氣流進(jìn)行測量和控制后，排入大氣或抽氣機(jī)組。

圖5 壓氣機(jī)引氣結(jié)構(gòu)及測量位置示意圖Fig.5 Schematic of compressor bleed structure and measurement position

從測量位置來看，引氣出口參數(shù)理論上存在5個測量位置(如表1所示)，依次為級靜葉前緣、級出口、引氣縫、引氣管口和引氣系統(tǒng)管道，分別對應(yīng)圖5中x1～x5截面。由于壓氣機(jī)級間軸向較為緊湊，引氣縫附近機(jī)匣結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，插入式梳狀探針無法安裝，級出口位置(x2)和引氣縫位置(x3)的氣流參數(shù)不易測量；引氣系統(tǒng)管道(x5)本身不屬于壓氣機(jī)試驗件組成部分，且距離壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，氣流經(jīng)引氣轉(zhuǎn)接軟管等流動損失較大，不適合作為引氣出口總壓和總溫參數(shù)測量位置，僅用于測量引氣流量?？梢?，級靜葉前緣(x1)和引氣管口(x4)可作為引氣出口總壓和總溫參數(shù)測量截面，前者可通過安裝于級靜葉前緣的葉型探針進(jìn)行測量，后者可通過梳狀探針進(jìn)行測量。

表1 引氣出口參數(shù)測量不同位置對比Table 1 Comparison of different positions for parameter measurement of bleed outlet

若將級靜葉前緣(x1)作為引氣出口測量截面，則引氣效率可能高于主流效率，相應(yīng)的壓氣機(jī)溫升效率高于主流效率；若將引氣管口(x4)作為引氣出口測量截面，由于x1和x4之間存在流動損失，且隨著引氣率提高，這部分流動損失增大，引氣效率和壓氣機(jī)溫升效率可能略低于主流效率。

綜上所述，對于帶級間引氣的壓氣機(jī)，引氣效率和引氣率大小分別決定了壓氣機(jī)溫升效率引氣修正前后的變化方向和變化程度。此外，引氣出口測量位置的選取，也會影響壓氣機(jī)溫升效率引氣修正后的結(jié)果。但總的來說，引氣對壓氣機(jī)溫升效率修正的影響較小。

2.2 扭矩效率

對于帶引氣的壓氣機(jī)，繼續(xù)使用式(2)測量扭矩效率時，等熵壓縮功偏大，會造成較大誤差?？紤]引氣參數(shù)修正后的扭矩效率η′tor計算公式為[5]：

(9)

由式(2)和(9)，可得考慮引氣參數(shù)的壓氣機(jī)扭矩效率修正系數(shù)φtor：

(10)

由于0≤∑δb,i<1，0<ζb,i≤1，故：

1-φtor<∑δb,i

(11)

由式(10)和(11)可見，引氣參數(shù)修正后的壓氣機(jī)扭矩效率比修正前降低，降低的程度由各級引氣的引氣率和相對等熵加功量共同決定，但相對下降量小于引氣率總和。進(jìn)一步根據(jù)式(10)繪制出圖2所示某十級壓氣機(jī)試驗件扭矩效率修正系數(shù)計算示意圖，如圖6所示。圖中陰影部分的面積代表修正系數(shù)的大小?？梢灾庇^看出，引氣氣流的相對等熵壓縮功越小、引氣率越大，壓氣機(jī)扭矩效率修正系數(shù)就越小。

圖6 壓氣機(jī)扭矩效率修正系數(shù)計算示意圖Fig.6 Calculation diagram of compressor torque efficiency correction

可見，對于帶多級引氣的壓氣機(jī)而言，各級引氣參數(shù)不同，對壓氣機(jī)扭矩效率修正的影響程度也會不同。本文采用修正貢獻(xiàn)量χb,i評價第i級引氣參數(shù)對壓氣機(jī)扭矩效率修正的影響程度：

(12)

繼續(xù)以圖2所示的某十級高負(fù)荷高壓壓氣機(jī)試驗件為例(設(shè)計壓比20)，表2給出了設(shè)計狀態(tài)點(diǎn)處的第1級、第4級和第7級引氣參數(shù)。扭矩效率修正系數(shù)為0.955，即引氣修正后扭矩效率相對下降了約4.5%。另外，第7級引氣率是第1級引氣率的16.85倍，但第7級引氣對壓氣機(jī)扭矩效率修正的貢獻(xiàn)量上只有第1級的6倍，這主要是因為第1級引氣的相對等熵加功量較小的緣故。

表2 不同位置引氣對壓氣機(jī)扭矩效率修正的影響Table 2 Effect of different bleed positions on compressor torque efficiency correction

綜上所述，引氣位置和引氣率對壓氣機(jī)扭矩效率修正有明顯影響。對于靠近壓氣機(jī)進(jìn)口的大流量引氣，繼續(xù)采用式(2)計算壓氣機(jī)扭矩效率，會引入較大的誤差，計算結(jié)果偏高，甚至可能會超過壓氣機(jī)溫升效率，必須進(jìn)行扭矩效率修正，即應(yīng)按照式(9)計算帶級間引氣的壓氣機(jī)扭矩效率。

3 試驗驗證

3.1 驗證方法

本文以圖2所示的某十級高負(fù)荷高壓壓氣機(jī)試驗件開展試驗驗證(設(shè)計壓比20)。試驗時，需在第1級、第4級和第7級進(jìn)行引氣控制，各級設(shè)計引氣率見表2。由表2可知，該試驗件設(shè)計總引氣率達(dá)到了10.31%。引氣流量以引氣系統(tǒng)管道上的孔板流量計進(jìn)行測量；引氣出口總壓和總溫，本文以布置在級間引氣相同級位置的靜葉前緣(即圖5的x1截面)葉型探針獲取的平均總壓和總溫替代。

試驗在中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限責(zé)任公司2001高壓壓氣機(jī)試驗器上進(jìn)行。試驗器主要包括動力系統(tǒng)(電機(jī)、增速器、測扭器及聯(lián)軸器)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、前輔助支撐系統(tǒng)，輔助供氣系統(tǒng)、引氣系統(tǒng)、液壓滑油系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、閥門控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。排氣集氣室由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組合形成的集氣室腔體不僅有利于降低排氣容腔，還有利于測扭器輸出軸通過集氣室內(nèi)環(huán)直接與試驗件輸入軸相連，兩者之間無傳動軸支點(diǎn)和增速傳動裝置，測扭器測得的扭矩值能夠準(zhǔn)確代表試驗件輸入扭矩。

圖7 壓氣機(jī)試驗狀態(tài)Fig.7 Compressor test status

3.2 試驗結(jié)果

圖8 引氣修正前后壓氣機(jī)效率特性對比Fig.8 Comparison of compressor efficiency characteristics before and after bleed correction

圖9 引氣修正前后壓氣機(jī)溫升效率、扭矩效率的變化量Fig.9 Variation of temperature rise efficiency and torque efficiency of compressor before and after bleed correction

修正后的溫升效率略微提高，主要源于采用式(6)計算時，各級引氣出口參數(shù)選的是相應(yīng)級靜葉進(jìn)口平均總壓和總溫，不包含引氣縫和引氣集氣環(huán)腔等的流動損失，使得引氣效率高于主流效率。修正后壓氣機(jī)扭矩效率顯著下降，主要源于采用式(9)計算時，僅對等熵壓縮功進(jìn)行了修正，且該壓氣機(jī)設(shè)計引氣率較大，修正變化量較為明顯。

表3為引氣關(guān)閉前后壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率變化情況。引氣關(guān)閉后，各級引氣率為0，壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率分別采用式(1)和(2)計算，無需進(jìn)行修正。從表中可以看出，由于壓氣機(jī)不引氣，不僅換算流量下降，壓氣機(jī)效率也明顯下降。從溫升效率與扭矩效率之間的偏差量來看，不引氣時狀態(tài)點(diǎn)B處為2.15%，與引氣修正后狀態(tài)點(diǎn)A處的2.53%基本相近，且都是扭矩效率低于溫升效率，而狀態(tài)點(diǎn)A處修正前的扭矩效率高于溫升效率1.54%。

表3 引氣關(guān)閉前后壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率變化Table 3 Change of temperature rise efficiency and torque efficiency of compressor before and after bleed off

可見，對于帶級間引氣的壓氣機(jī)而言，扭矩效率必須考慮引氣參數(shù)修正，否則試驗結(jié)果誤差較大。

4 結(jié) 論

本文在總結(jié)壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率之間差異性和關(guān)聯(lián)性基礎(chǔ)上，對帶級間引氣的高壓壓氣機(jī)兩種等熵效率評價方法進(jìn)行了研究，探討了級間引氣參數(shù)對壓氣機(jī)兩種等熵效率修正的影響程度，并開展了試驗驗證。結(jié)果表明：

1) 溫升效率僅以氣流為對象，主要體現(xiàn)了壓氣機(jī)葉型、流道等氣動設(shè)計水平，而扭矩效率是以氣流和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子為對象，綜合體現(xiàn)了壓氣機(jī)氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的水平。由于存在轉(zhuǎn)子機(jī)械傳動損失，壓氣機(jī)扭矩效率總是低于溫升效率。

2) 引氣效率和引氣率大小分別決定了壓氣機(jī)溫升效率的變化方向和變化程度；引氣出口測量位置的選取，也會對壓氣機(jī)溫升效率有影響；但總的來說，壓氣機(jī)級間引氣對溫升效率評價影響較小，當(dāng)引氣出口參數(shù)不便測量時，可不考慮溫升效率的修正。

3) 引氣位置和引氣率對壓氣機(jī)扭矩效率變化有明顯影響，考慮級間引氣參數(shù)修正后的壓氣機(jī)扭矩效率明顯降低，降低程度與引氣率、引氣所在級位置相關(guān)，但相對下降幅度不超過總引氣率之和。

4) 當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口側(cè)進(jìn)行較大流量的級間引氣時，應(yīng)采用考慮引氣參數(shù)的扭矩效率計算公式進(jìn)行評價，否則可能出現(xiàn)扭矩效率大于溫升效率的現(xiàn)象。