譚 巍，楊天南，李 冬，于向財(cái)

（1.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 125001；2.海裝沈陽(yáng)局駐沈陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

0 引言

大量的研究表明：壓氣機(jī)積垢會(huì)導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的性能降低70% ～ 85%[1]，同時(shí)，侵蝕也是造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能衰退的主要原因之一[2-3]。由此可見(jiàn)，積垢和侵蝕對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)特別是軸流式壓氣機(jī)的性能影響很大[4-6]。而壓氣機(jī)清洗不僅可以有效地避免發(fā)動(dòng)機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致的性能衰退的發(fā)生，而且降低了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的幾率，保障發(fā)動(dòng)機(jī)能健康運(yùn)行，以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用時(shí)間[7-11]，使得發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的效益達(dá)到最高。

目前，國(guó)內(nèi)外普遍使用的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)建模方法是通過(guò)解析法建立渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。解析法建模的方法是根據(jù)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)時(shí)工作過(guò)程中必須遵循的氣動(dòng)熱力學(xué)規(guī)律，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的特性方程建立起發(fā)動(dòng)機(jī)模型。Ballin M G 等[12]在1988 年建立了T700 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的部件級(jí)性能仿真數(shù)學(xué)模型。1992 年，佛羅里達(dá)Atlantic 大學(xué)的Ahmet Duyar等[13]通過(guò)分段辨識(shí)的方法，建立了一套T700 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化線性狀態(tài)空間模型。金洪江[14]基于某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等部件的部件特性，建立部件級(jí)性能計(jì)算模型，進(jìn)行動(dòng)、穩(wěn)態(tài)仿真，并且依據(jù)該模型初步地研究了該型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特性。梁寧寧[15]首先對(duì)某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)性能仿真數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析，在理解渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)控制原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確控制目標(biāo)，研究分析控制規(guī)律。尚東然[16]采用三維數(shù)值模擬軟件CFX，研究了粗糙度對(duì)多級(jí)壓氣機(jī)氣動(dòng)特性的影響。

本研究壓氣機(jī)性能對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，并以發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究各部件性能衰退對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響情況，為視情確定壓氣機(jī)的清洗時(shí)機(jī)提供技術(shù)支撐。

1 穩(wěn)態(tài)模型及其求解

某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是雙轉(zhuǎn)子的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。它由燃?xì)獍l(fā)生器和自由渦輪動(dòng)力輸出裝置兩部分組成。燃?xì)獍l(fā)生器由環(huán)形進(jìn)氣道、混合式壓氣機(jī)、環(huán)形燃燒室、兩級(jí)反力式整體渦輪組成。其中，自由渦輪輸出裝置由兩級(jí)反力式渦輪、齒輪減速器和褲衩形固定尾噴管組成。

在建立渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)性能計(jì)算模型時(shí)，可以根據(jù)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)熱力過(guò)程，將發(fā)動(dòng)機(jī)分解為幾大相對(duì)獨(dú)立的部件，例如進(jìn)氣道、壓氣機(jī)（包括軸流壓氣機(jī)以及離心壓氣機(jī)）、燃燒室、燃?xì)獍l(fā)生器渦輪、自由渦輪、尾噴管等部件，一般可以通過(guò)部件相應(yīng)的特性曲線來(lái)描述每一個(gè)部件的特性，這些特性曲線一般通過(guò)部件試驗(yàn)來(lái)獲取，每一個(gè)部件的氣動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系通過(guò)相應(yīng)的特性曲線以及氣動(dòng)熱力學(xué)方程來(lái)共同確定。由發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖提取得到該發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的原理框圖如圖1 所示。

圖1 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)截面標(biāo)示圖

根據(jù)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型原理框圖，按照發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣體流動(dòng)順序依次建立各部件氣動(dòng)熱力學(xué)方程。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作的實(shí)現(xiàn)是以各部件的共同工作條件為基礎(chǔ)的，這些共同工作條件為：能量平衡方程，功率平衡方程，流量平衡方程。某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的建模過(guò)程，則可得如下的共同工作方程：

（1）燃?xì)鉁u輪流量連續(xù)方程

2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所建立的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)性能計(jì)算模型是否精確，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能進(jìn)行計(jì)算，并將其與發(fā)動(dòng)機(jī)試車參數(shù)進(jìn)行比較，試車參數(shù)與計(jì)算參數(shù)的比較見(jiàn)表1。

表1 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)對(duì)比

壓氣機(jī)增壓比、燃燒室出口總溫、燃?xì)鉁u輪出口總溫、軸功率、耗油率以及扭矩的計(jì)算數(shù)據(jù)均大于試車數(shù)據(jù)（表1），其中相對(duì)誤差最大的性能參數(shù)為扭矩，達(dá)到3.76%。由表1 可見(jiàn)，通過(guò)建立的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算模型所計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的各個(gè)性能參數(shù)結(jié)果良好，雖然存在一定的誤差，但與試車參數(shù)比較吻合，所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)性能計(jì)算模型精度較好，能較好地反映發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

3 壓氣機(jī)性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響分析

3.1 100%轉(zhuǎn)速時(shí)的影響分析

表2 為100%轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化情況。由表2 可知，壓氣機(jī)性能的變化對(duì)各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)均有不同程度的影響，其中影響程度相對(duì)較大的性能參數(shù)為壓氣機(jī)出口總壓P2與燃燒室出口總壓P3，相對(duì)變化率均達(dá)到4%以上。清洗后，各個(gè)截面溫度都有所下降，各個(gè)截面壓力有所上升，軸功率、扭矩等參數(shù)增加，燃油消耗量降低。

表2 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化

3.2 90%轉(zhuǎn)速時(shí)的影響分析

表3 為90%轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化。由表可知，90%轉(zhuǎn)速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的變化參數(shù)趨勢(shì)與100%轉(zhuǎn)速時(shí)一致。其中，相對(duì)變化率較大的性能參數(shù)仍為壓氣機(jī)出口總壓與燃燒室出口總壓，相對(duì)變化率均達(dá)到3%以上，各部件的出口總溫以及耗油率的相對(duì)變化率比100%轉(zhuǎn)速時(shí)有所增大，各部件的出口總壓以及軸功率、扭矩的相對(duì)變化率比100%轉(zhuǎn)速時(shí)有所減小。清洗后，各個(gè)截面溫度都有所下降，各個(gè)截面壓力有所上升，軸功率、扭矩等參數(shù)增加，燃油消耗量降低。

表3 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化

3.3 80%轉(zhuǎn)速時(shí)的影響分析

表4 為80%轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化。由表可知，80%轉(zhuǎn)速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的變化趨勢(shì)與其它轉(zhuǎn)速時(shí)一致。其中，相對(duì)變化率較大的性能參數(shù)仍為壓氣機(jī)出口總壓與燃燒室出口總壓，相對(duì)變化率均達(dá)到1%以上，各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的相對(duì)變化率均小于其它轉(zhuǎn)速時(shí)的相對(duì)變化率。

表4 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化

4 性能參數(shù)的相關(guān)性分析

隨著渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，發(fā)動(dòng)機(jī)的各部件的性能均發(fā)生一定程度的衰退，并最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能的衰退。針對(duì)某個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，各個(gè)部件對(duì)其的影響程度不同。本文以某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)部件性能參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出與壓氣機(jī)性能參數(shù)相關(guān)度最高的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，進(jìn)而為視情確定壓氣機(jī)的清洗時(shí)機(jī)提供重要的技術(shù)支撐。

表5 相關(guān)系數(shù)

表6 歸一化后的相關(guān)系數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文以壓氣機(jī)清洗前后的性能數(shù)據(jù)以及渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)性能計(jì)算模型為基礎(chǔ)，計(jì)算得出渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化情況，分析壓氣機(jī)性能的提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。并以渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)與部件性能參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析。研究結(jié)果表明：

（1）清洗后，壓氣機(jī)性能的提高將會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)性能得到改善。發(fā)動(dòng)機(jī)在100%、90%和80%轉(zhuǎn)速時(shí)，清洗后，各個(gè)截面溫度都有所下降，各個(gè)截面壓力有所上升，軸功率、扭矩等參數(shù)增加，燃油消耗量降低，變化量最大的為壓氣機(jī)出口總壓與燃燒室出口總壓，不同轉(zhuǎn)速下，相對(duì)變化率均在1%以上。

（2）經(jīng)過(guò)參數(shù)敏感性分析，相比其它發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)出口總壓、燃燒室出口總壓與性能相關(guān)度較高，可以作為監(jiān)測(cè)參數(shù)，當(dāng)參數(shù)變化1%時(shí)，確定壓氣機(jī)清洗時(shí)機(jī)。