朱彥偉，曹高峰，劉旭東

（中航工業(yè)飛行試驗研究院，西安710089）

0 引言

進氣入口氣體流場的不均勻變化將影響發(fā)動機的穩(wěn)定工作裕度[1]，進氣道與發(fā)動機的相容性是國內外一直在研究的重要課題，文獻[2]根據平行壓氣機理論計算分析了進氣條件對單軸發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響，結果表明進氣條件對發(fā)動機的工作穩(wěn)定性影響很顯著。對于雙軸發(fā)動機來說，目前還沒有完善而實用的穩(wěn)定性分析理論方法，因此,對進氣道與發(fā)動機相容性評定的主要手段還是只能依靠試驗[3-4]。在國內一般是采用可移動插板式畸變發(fā)生器逼喘的方法來模擬進氣畸變，通過對發(fā)動機進口流場和工作參數(shù)的變化進行分析的方法來評估進氣畸變對發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響[5]。進氣畸變直接影響發(fā)動機安全工作，為了有效地預測發(fā)動機在畸變進氣時對發(fā)動機性能產生的影響，文獻[6-8]研究了進氣畸變對渦扇發(fā)動機工作穩(wěn)定的影響。而發(fā)動機側風地面試驗是進氣畸變項目中非常重要的適航驗證科目。主要驗證在規(guī)定的自然風條件下，發(fā)動機的工作穩(wěn)定性是否受到影響，發(fā)動機的排氣溫度、高低壓轉速、振動值等工作參數(shù)是否超限。通過地面?zhèn)蕊L試驗可以確定發(fā)動機在地面?zhèn)蕊L條件下的使用包線，為編寫飛行使用手冊提供支持。

在國外已經進行了大量的工作研究地面風速、風向對發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響，俄羅斯相關研究表明，從風對發(fā)動機工作穩(wěn)定性影響的觀點來看，起作用的不是某個期限內的風速的平均值，而是風速的現(xiàn)有值，即在接近地表層時空氣質量紊流運動的速度[9]。美國GE公司在許多年前就進行航空民用發(fā)動機的固定風源側風試驗，并建立了1套比較完善的方法體系。但是,到目前為止，在自然風條件下由FAA和中國適航當局目擊的大涵道比民用發(fā)動機地面?zhèn)蕊L試驗,在世界發(fā)動機試驗史上是第1次，此次試驗可以積累很多寶貴的經驗，為今后其他型號發(fā)動機側風試驗提供技術支持。本文根據側風試驗過程中的實時監(jiān)控情況對試驗數(shù)據進行了分析，通過發(fā)動機工作參數(shù)標準差對比方法和計算發(fā)動機低壓壓氣機出口特征流量系數(shù)的方法，確定不同側風風向條件對發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響程度；結合對比分析結果提出合理增加試驗點的建議，為今后側風試驗的高效進行提供方法支持。

1 試驗方法和條件

發(fā)動機側風地面試驗是進氣畸變項目中非常重要的適航驗證科目。主要驗證在規(guī)定的自然風條件下，發(fā)動機的工作穩(wěn)定性是否受到影響，發(fā)動機的排氣溫度、高低壓轉速等工作參數(shù)是否超限。

本次側風試驗發(fā)動機為美國GE公司生產的某型大涵道比發(fā)動機，發(fā)動機的結構外形如圖1所示，發(fā)動機工作時，空氣經進氣道進入風扇增壓的氣流分為2路，其中大部分的氣流進入外涵道，其余部分空氣經壓氣機進口導流葉片進入壓氣機、燃燒室和內涵噴管。發(fā)動機采用尾吊式安裝方式在飛機上進行安裝，該發(fā)動機在飛機上的安裝位置和側風風向的規(guī)定方法如圖2所示。

圖1 發(fā)動機外形結構

試驗開始前利用經過標定后的氣象車測量距地面高10m處的風速風向，如果自然風風速滿足試驗條件以后，將配裝試驗發(fā)動機的飛機拖至地面試驗區(qū)并調整飛機的擺放方向。測試工程師檢查測試系統(tǒng)工作正常后，完成試驗發(fā)動機開車并暖機后，將油門桿推至最大起飛位置使發(fā)動機在最大功率狀態(tài)工作3min，采用專用的設備對發(fā)動機的高低壓轉速、高壓壓氣機出口靜壓、發(fā)動機排氣溫度等參數(shù)進行記錄，同時實時測量自然風風速和風向的變化。第1個試驗點完成以后，調整飛機的擺放位置進行下一個試驗點試驗。

圖2 側風風向規(guī)定

2 數(shù)據分析方法

2.1 發(fā)動機工作參數(shù)計算

發(fā)動機工作參數(shù)的波動是其不能穩(wěn)定工作的典型特征，發(fā)動機工作參數(shù)的變化能夠直接反映其是否工作正常，通常監(jiān)控的發(fā)動機工作參數(shù)有：低壓轉子轉速N1，高壓轉子轉速N2，高壓壓氣機出口靜壓PS3和發(fā)動機排氣溫度TI[10]。通過計算對比不同風向條件下工作參數(shù)的標準差,來反映發(fā)動機工作參數(shù)的波動情況。

在給定風速風向條件下，當發(fā)動機達到給定功率狀態(tài)后，錄取一定時間（選取20s）的發(fā)動機工作參數(shù)，假定試驗點樣本數(shù)為N，其統(tǒng)計方法如下：

（1）將N個數(shù)據樣本點排列成數(shù)據序列；

（2）求出數(shù)據序列的平均值和標準方差。

其中，參數(shù)標準差S 的大小直接反映了數(shù)據參數(shù)離散程度，在給定發(fā)動機狀態(tài)下（發(fā)動機油門桿角度不變），工作參數(shù)的標準差S 越大，表明該參數(shù)的波動量越大，則說明發(fā)動機的工作穩(wěn)定性越差。

2.2 特征流量系數(shù)計算

根據氣體動力學公式可知，可以用某一點的總壓和靜壓的比值,來表征壓氣機空氣流量系數(shù)的變化趨勢，利用低壓壓氣機出口（25截面）測量耙上某點的總靜壓比（Pt25/Ps25）與該截面處發(fā)動機的流量系數(shù)q（λ）存在正比函數(shù)關系[11]

定義Q 為表征流量系數(shù)，其關系式為

Q值的變化大小可以反映低壓壓氣機出口（高壓壓氣機進口）截面處氣流軸向速度的變化大小，因此，可以利用Q值的變化情況來反映該截面處氣流速度變化，進而來反映發(fā)動機的工作穩(wěn)定性。

3 試驗結果分析

根據發(fā)動機工作特性可知，隨著發(fā)動機功率狀態(tài)的增加，發(fā)動機各部件工作環(huán)境變得越惡劣，因此，以發(fā)動機在最大功率狀態(tài)情況下的工作參數(shù)錄取數(shù)據為依據，來分析側風對發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響。

在不同風速風向情況下，利用式（1）和（2）對發(fā)動機在最大工作狀態(tài)的20s工作參數(shù)統(tǒng)計見表1。從表中統(tǒng)計數(shù)據的“均值”數(shù)據列可見，風向對發(fā)動機的壓氣機排放靜壓Ps3和發(fā)動機排氣溫度TI的影響非常明顯，在180°（尾風）風向對發(fā)動機排氣溫度的影響比較明顯，由于發(fā)動機在尾風條件下工作時將發(fā)動機排氣吸進進氣道導致的。在230°風向條件下發(fā)動機工作參數(shù)的標準差要明顯的高于其他風向條件下的工作參數(shù)的標準差，其中高壓壓氣機排放靜壓Ps3和發(fā)動機排氣溫度TI的標準差明顯高于其他風向條件，這2個參數(shù)的波動最能夠反映發(fā)動機工作情況，由此可知230°風向對發(fā)動機工作穩(wěn)定性最大。

表1 發(fā)動機最大工作狀態(tài)的20s工作參數(shù)統(tǒng)計

側風風向對發(fā)動機不同工作參數(shù)標準差的影響如圖3所示。從圖中明顯可見，反映發(fā)動機工作參數(shù)穩(wěn)定性隨側風風向的變化趨勢。當側風風向在0～90°之間變化時，對發(fā)動機工作穩(wěn)定性幾乎沒有造成影響；當側風風向在90～230°之間變化時，隨著風向角度的增加，對發(fā)動機穩(wěn)定工作影響越來越大，其中在風向為230°時其影響程度最大；當側風風向在230～270°之間變化時，隨著風向角度的增加，對發(fā)動機穩(wěn)定工作影響迅速變小。

圖3 側風風向對發(fā)動機工作參數(shù)標準差的影響

從發(fā)動機工作參數(shù)的標準差可以很直觀地反映側風風向對發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響，而通過發(fā)動機低壓壓氣機出口截面（25截面）的表征流量系數(shù)，更能直觀地體現(xiàn)側風風向對發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響。不同風向條件下發(fā)動機25截面特征流量系數(shù)Q 的變化如圖4所示（圖中F、M、T分別代表不同測量耙的安裝位置）。從圖中可見，在90°風向情況下特征流量系數(shù)Q 非常穩(wěn)定，趨于1條穩(wěn)定的直線，說明此時發(fā)動機工作非常穩(wěn)定；在135°風向情況下特征流量系數(shù)Q 就產生了輕微的波動，但整體趨勢還是1條直線，說明此時發(fā)動機工作還能穩(wěn)定工作；在180°風向情況下特征流量系數(shù)Q 就產生了較大的波動，其中QT值波動開始變得比較不穩(wěn)定氣流，T位置區(qū)域的流速波動要明顯高于F和M位置處的流速波動，說明此時發(fā)動機工作開始出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)；在230°風向情況下特征流量系數(shù)Q 就產生了嚴重的波動，在3個不同位置的表征流量系數(shù)（QF、QM和QT）都產生了非常嚴重的波動，說明此時發(fā)動機工作已經出現(xiàn)非常嚴重的不穩(wěn)定狀態(tài)。由于在進行270°風向試驗過程中，測量耙數(shù)據沒有采集，沒有給出270°風向條件下發(fā)動機25截面特征流量系數(shù)Q 的變化。

圖4 不同風向條件下發(fā)動機25截面特征流量系數(shù)Q 的變化

從上面的分析可知，230°風向側風對發(fā)動機的工作穩(wěn)定性影響最大，主要與發(fā)動機的安裝形式有關，對于尾吊式安裝的發(fā)動機（試驗發(fā)動機ARJ21-700飛機安裝位置如圖5所示）來說，機身和垂尾就像1堵墻擋在氣流前面，當風速風向時刻變化的側風繞過機身和垂尾以后進入發(fā)動機進氣道，將導致發(fā)動機入口的氣流變得雜亂無章，帶有不同尺度的氣流團進氣發(fā)動機壓氣機，將導致發(fā)動機不穩(wěn)定工作。試驗過程中應當把180～270°風向變化區(qū)域作為重點試驗區(qū)域，在該區(qū)域的試驗數(shù)據最能體現(xiàn)發(fā)動機的抗側風能力。

圖5 發(fā)動機安裝位置

4 結論

本文利用的發(fā)動機工作參數(shù)標準差統(tǒng)計法和發(fā)動機25截面表征流量系數(shù)法可以作為評定發(fā)動機工作穩(wěn)定性的參考法，具有較高的工程使用價值，通過對不同側風風向條件下發(fā)動機最大工作狀態(tài)工作參數(shù)的對比分析可以得到的結論如下：

（1）側風風向在0～90°范圍內變化時，側風對發(fā)動機的工作穩(wěn)定性沒有影響。

（2）側風風向在90～230°范圍內變化時，隨著風向角度的增加，側風對發(fā)動機的工作穩(wěn)定性的影響越來越大。

（3）側風風向在230～270°范圍內變化時，隨著風向角度的增加，側風對發(fā)動機的工作穩(wěn)定性的影響急劇減小。

（4）230°側風風向對發(fā)動機工作穩(wěn)定性影響最大，對于尾吊式安裝的發(fā)動機，可以將180～270°風向變化區(qū)域作為重點試驗區(qū)域，在該區(qū)域內應當適當增加試驗點，可以在節(jié)省試驗成本的基礎上更快確定發(fā)動機側風條件下的工作邊界。

[1]Society of Automotive Engineers.Gas turbine engine inlet flow distortion guidelines[R].SAE-ARP1420B.

[2]Shen H.The prediction of performance of turbojet engine with distorted inlet flow and experimental studies [R].AIAA-83-7030.

[3]Reid C.The response of axial flow comperssors to intake flow distortion[R].ASME 69-GT-29.

[4]Chung K,Hosny W M,Steenken W G.Aerodynamic stability analysis of NASA J85-13 planar perssure pulse generator installation[R].NASA-CR-165141.

[5]劉大響，葉培梁.航空發(fā)動機手冊：進排氣裝置：第7冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000：60-63.LIU Daxiang,YE Peiliang.Aviation engine manual:intake and exhaust device:senventh volume[M].Beijing:Aviation Industry Press,2000:60-63.(in Chinese)

[6]Braithwaite W N,Dicus J H,Moss J E.Evaluation of a turofan engine of air jets as a steady-state inlet flow distortion device[R].NASA-TM-K-1955,1970.

[7]Evans D G.Some comparisons of the flow characteristics of a turbofan compressor system with and without inlet rressure distortion[R].NASA-TM-K-71574,1974.

[8]De Bogdan C E.Effect of a 180° extent inlet pressure distortion on the internal flow condition of a TF30-P-3 engine[R].NASA-TM-K-3267,1975.

[9]A·П 列烏特, A·C 謝爾巴科夫.進氣道與發(fā)動機共同工作的特性及其飛行試驗方法[M].劉兆林，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1983：30－32.(in Chinese)ЛеУТA·П, Cщербаков·A.The compatibility of inlet/engine and flight test method[M].Liu zhaolin,translated.Beijing:National Defense Industry Press,1983:30－32.

[10]莫翔宇，唐慶如，楊曉強.探析民用大涵道比渦扇發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)控技術[J].中國民航飛行學院學報，2009,20（5）：16-19.MO Xiangyu,TANG Qingru,YANG Xiaoqiang.Analysis of civil high bypass ratio turbofan engine condition monitoring technology[J].Journal of Civil Aviation Flight University of China,2009,20（5）：16-19.(in Chinese)

[11]王保國，劉淑艷，劉艷明，等.空氣動力學基礎[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009：73-74.WANG Baoguo,LIU Shuyan,LIU Yanming,et al.Fundamentals of aerodynamics[M].Beijing:National Defense Industry Press,2009:73-74.(in Chinese)