崔金輝,閆雨嘉,周玉昭

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所,遼寧 沈陽 110015)

1 引 言

航空發(fā)動機作為飛機的動力裝置,除了提供飛機所需的推力外,向飛機和發(fā)動機自身輸出功率也是其基本功能之一。在工作過程中,發(fā)動機必須驅(qū)動某些發(fā)動機附件和飛機附件,使之正常工作以滿足發(fā)動機和飛機的要求[1]。

功率提取會對航空發(fā)動機性能產(chǎn)生影響,近年來,在功率提取方面的研究越來越多。趙運生等人利用自行開發(fā)的性能仿真程序,分析了不同功率提取量對發(fā)動機推力、耗油率和穩(wěn)定裕度的影響,并給出了定量的評定[2]。王占學(xué)等人發(fā)展了彈用渦扇發(fā)動機氣動穩(wěn)定性影響計算分析模型,定量分析了功率提取對渦扇發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響[3]。馬振基于發(fā)動機部件級穩(wěn)態(tài)模型,研究了功率提取對發(fā)動機高壓壓氣機喘振裕度的影響[4]。李麗等借助飛行試驗研究了功率提取對發(fā)動機艙冷卻系統(tǒng)性能的影響[5]。張鏡洋等研究了功率提取與發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的關(guān)系,完成了對燃油經(jīng)濟性影響分析[6]。

以上研究均加深了對功率提取的理解,但有限的資料表明,目前的研究主要集中在功率提取對發(fā)動機的影響分析方面,并未涉及到功率提取對啟動機功率需求或啟動機選取的影響。事實上,根據(jù)發(fā)動機實際使用經(jīng)驗,功率提取量值和提取時機對啟動機最大輸出功率的選取有著顯著的影響。

啟動機功率選取作為航空發(fā)動機啟動性能設(shè)計中的一項重要技術(shù)活動,具有難度大、影響因素多、跨學(xué)科的特點。國內(nèi)外在啟動機功率選取方面鮮有文獻報道,公開資料顯示,關(guān)于啟動機的研究主要包括以下領(lǐng)域,如空氣渦輪啟動機與APU特性的匹配[7]、啟動機可靠性分析[8]、空氣渦輪啟動機包容性研究[9,10]、啟動機故障分析[11]、啟動機改進設(shè)計研究與驗證[12]、啟動機試驗方法研究[13]等。

本文以某型新投產(chǎn)的渦扇發(fā)動機和某空氣渦輪啟動機為研究對象和計算平臺,根據(jù)轉(zhuǎn)子扭矩平衡方程搭建了啟動機功率選取仿真計算模型,開展了發(fā)動機功率提取(提取量值和提取時機)對啟動機功率選取的分析研究。相對之前的啟動機功率選取仿真計算模型[14,15],本文在剩余力矩的計算方面所考慮的因素更加全面、完善,研究結(jié)論能夠為后續(xù)啟動機的選型提供參考。

2 啟動機功率扭矩特性

啟動機輸出扭矩MST為啟動機轉(zhuǎn)速N的一次函數(shù),輸出功率PST為啟動機轉(zhuǎn)速N的二次函數(shù)。實際使用中,以啟動機最大輸出功率來衡量啟動機的帶轉(zhuǎn)能力。最大輸出功率越大,表明啟動機帶轉(zhuǎn)能力越強。

MST=MST0-kst×N

(1)

(2)

式中,MST為啟動機輸出扭矩(N·m),N為啟動機物理轉(zhuǎn)速(r/min),MST0為轉(zhuǎn)速為0時的輸出扭矩(N·m),kst為輸出扭矩函數(shù)的斜率,PST為啟動機輸出功率。

以現(xiàn)役成熟的某型啟動機為例,圖1給出了啟動機輸出功率和扭矩的關(guān)系。啟動機輸出功率的大小決定了輸出扭矩的高低,從而影響發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速段上的轉(zhuǎn)速上升率,進而影響發(fā)動機的啟動性能。啟動機功率扭矩特性對發(fā)動機啟動性能的調(diào)整和啟動過程供油控制規(guī)律的給定有著明顯的影響,例如當?shù)娃D(zhuǎn)速段啟動機扭矩較大,則在低轉(zhuǎn)速段上可以降低發(fā)動機啟動供油量,進而改善壓縮部件喘振裕度,降低了失速或喘振的風(fēng)險。

圖1 啟動機功率扭矩特性

3 扭矩平衡法說明

3.1 轉(zhuǎn)子扭矩平衡方程

扭矩平衡法是啟動機功率選取最為準確的方法。扭矩平衡法主要是基于轉(zhuǎn)子扭矩平衡方程,建立啟動機功率選取數(shù)學(xué)模型,通過解方程確定啟動機扭矩大小,進而根據(jù)功率和扭矩之間的關(guān)系準確確定啟動機所需功率。轉(zhuǎn)子扭矩平衡方程如下:

(3)

式中,MST表示啟動機輸出扭矩(N·m);MT為高壓渦輪產(chǎn)生的扭矩(N·m);MC表示高壓壓氣機氣動阻力矩(N·m),與壓氣機轉(zhuǎn)速的平方成正比,與壓氣機設(shè)計能力相關(guān);MZ為摩擦阻力矩(N·m),是發(fā)動機屬性參數(shù);MF為燃滑油附件阻力矩(N·m);MP為因功率提取而產(chǎn)生的扭矩衰減量(N·m);MD為因性能衰減而產(chǎn)生的扭矩衰減量(N·m);J為高壓轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2),是發(fā)動機屬性參數(shù);n為發(fā)動機高壓轉(zhuǎn)子物理轉(zhuǎn)速(r/min),dn/dt為高壓轉(zhuǎn)速變化率(r/min/s)。

通過解方程求解MST,進而根據(jù)扭矩和功率的關(guān)系(式(2))獲得啟動機輸出功率。

3.2 啟動過程分段方法

扭矩平衡法主要以發(fā)動機點火轉(zhuǎn)速、脫開轉(zhuǎn)速為輸入,以啟動時間為約束邊界,計算在相應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量下,發(fā)動機能夠成功啟動所需的啟動機功率。扭矩平衡法對啟動過程進行分段求解,將啟動過程劃分為3個階段進行計算。

啟動的第一階段為0轉(zhuǎn)速到點火轉(zhuǎn)速之間的階段。第一階段由啟動機單獨帶動,渦輪未投入工作,扭矩為0,根據(jù)上述公式,可以得到本階段啟動時間表達式為:

(4)

啟動的第二階段為點火轉(zhuǎn)速到啟動機脫開轉(zhuǎn)速之間的階段。第二階段渦輪投入工作,啟動時間表達式如下:

(5)

啟動的第三階段為啟動機脫開后到慢車轉(zhuǎn)速階段。本階段僅有渦輪剩余扭矩帶動轉(zhuǎn)子加速,第三階段啟動時間表達式如下:

(6)

方程中,nd、nt、nidl分別表示點火轉(zhuǎn)速、脫開轉(zhuǎn)速、慢車轉(zhuǎn)速。

3.3 阻力矩影響分析

在方程(3)中,MC、MZ、MF、MP、MD均可以認為是阻力矩,對啟動有不利的影響,在計算中予以考慮。

壓氣機氣動阻力矩MC是發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù),如式(7)所示,式中的系數(shù)k為阻力矩系數(shù),與壓氣機氣動性能有關(guān),可通過壓氣機部件試驗確定。

MC=k×n2

(7)

摩擦阻力矩MZ和燃滑油附件阻力矩MF為發(fā)動機屬性參數(shù),一直存在于發(fā)動機各傳動系統(tǒng)中,但目前不具備開展測量試驗的條件,無法確定摩擦阻力矩及燃滑油附件阻力矩的大小?？紤]到其數(shù)值較小,本文在計算中暫不考慮。

性能衰減是客觀存在的自然規(guī)律,隨著使用時間的延長,啟動機自由渦輪的效率降低,同時發(fā)動機各部件性能也出現(xiàn)衰減,因此因性能衰減而產(chǎn)生的扭矩衰減量MD也會給啟動機功率選取帶來一定的影響,但目前無法評估因性能衰減導(dǎo)致的扭矩衰減量,因此本文后續(xù)計算采用一臺較新的發(fā)動機作為計算平臺,認為新機沒有性能衰減,在計算啟動機功率需求時,可暫不考慮性能衰減的影響。

在裝機條件下,飛機使用部門會提出啟動過程加載的需求,導(dǎo)致用于驅(qū)動高壓轉(zhuǎn)子加速的剩余功率降低,即存在因功率提取而產(chǎn)生的扭矩衰減量MP。如果功率提取量值較大,將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速上升率降低、啟動時間延長甚至超出規(guī)定要求。另外,功率提取的時機也會對啟動機功率選取有明顯的影響。功率提取起始轉(zhuǎn)速越小,對啟動過程轉(zhuǎn)速上升率的影響越大。本文重點研究該項內(nèi)容。

4 計算結(jié)果與分析

本文以某型新投產(chǎn)的發(fā)動機在海平面(高度H=0km)標準大氣條件下的啟動過程為計算平臺,通過調(diào)整功率提取量值(0kW、10kW、20kW)和功率提取起始轉(zhuǎn)速(10%、20%、60%),得到不同輸入條件下的轉(zhuǎn)速上升率。

計算輸入條件為:點火轉(zhuǎn)速為17%,脫開轉(zhuǎn)速為53%,慢車轉(zhuǎn)速為65%,啟動時間要求不超過50s。以上特征轉(zhuǎn)速均為無量綱數(shù)據(jù)。

4.1 功率提取量值的影響

首先,在上述輸入條件下,不考慮功率提取,計算了發(fā)動機能夠在規(guī)定的時間內(nèi)成功啟動所需要的啟動機功率,其值應(yīng)不小于120kW。

其次,在上述輸入條件下,給定啟動機輸出功率為120kW,功率提取初始轉(zhuǎn)速暫定為20%,計算了功率提取量對轉(zhuǎn)速上升率的影響(如圖2所示)。計算結(jié)果表明,隨著功率提取量的增加,啟動的轉(zhuǎn)速上升率下降、啟動時間變長。當功率提取從0kW增加到20kW時,啟動時間延長了14%。

圖2 功率提取量對轉(zhuǎn)速上升率的影響

因此,為保持發(fā)動機啟動性能不受功率提取的影響,需增大啟動機的最大輸出功率,彌補因功率提取造成的啟動性能下降。在本算例中,當功率提取量值從0kW升高至20kW時,為保持啟動時間不變,啟動機的最大輸出功率應(yīng)從120kW增加到160kW。由此可見,功率提取對啟動機最大輸出功率有較大的影響,即影響了啟動機的選型。因此,需要權(quán)衡啟動機設(shè)計能力和功率提取量值之間的約束關(guān)系,功率提取量值增大,要求的啟動機功率就越大,對啟動機的設(shè)計能力會提出更高的要求,增加了啟動機的設(shè)計成本和技術(shù)難度。

4.2 功率提取初始轉(zhuǎn)速的影響

在上述輸入條件下,給定啟動機輸出功率為120kW,功率提取量暫定為10kW,計算了功率提取初始轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)速上升率的影響(如圖3所示)?？梢钥闯?隨著功率提取初始轉(zhuǎn)速的降低,啟動時間越來越長。當功率提取初始轉(zhuǎn)速從60%降低到10%時,啟動時間增加了11.1%。

圖3 功率提取初始轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)速上升率的影響

為保持發(fā)動機啟動過程轉(zhuǎn)速上升率不受功率提取的影響,需要增大啟動機的最大輸出功率,彌補因功率提取初始轉(zhuǎn)速降低造成的啟動性能下降。在本算例中,當功率提取初始轉(zhuǎn)速從60%降低到10%時,為保持啟動時間不變,啟動機最大輸出功率應(yīng)從120kW增加到145kW。

對于功率提取時機的問題,是由飛機的能力和任務(wù)需求確定的。從飛機系統(tǒng)的角度看,希望功率提取時機越早越好,但功率提取初始轉(zhuǎn)速越低,對啟動機最大輸出功率的要求就越高,這在一定程度上增加了啟動機設(shè)計難度。

4.3 小結(jié)

在開展啟動機設(shè)計工作前,需與飛機使用方協(xié)調(diào)確定飛機對于功率提取的要求,明確飛機的輸入,確定功率提取量值和功率提取的時機,進而確定啟動機最大輸出功率需求。另外,在進行啟動機選型時,需要考慮一定的功率裕度儲備。由于在進行計算時并未將摩擦阻力矩和燃滑油附件阻力矩考慮在內(nèi),同時對于工作時間較長的發(fā)動機和啟動機,其性能必然存在衰減,因此啟動機功率的最終確定需要考慮相應(yīng)的功率裕度儲備,在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上增加一定的量值。

5 結(jié) 論

為研究發(fā)動機功率提取對啟動機功率選取的影響,本文以轉(zhuǎn)子扭矩平衡方程為基礎(chǔ)搭建了啟動機功率選取仿真計算模型,并在模型中增加了功率提取項?；谀Ｐ?計算了功率提取量值和提取時機對啟動過程轉(zhuǎn)速上升率的影響,得出以下結(jié)論:

(1)功率提取量值增加或者功率提取初始轉(zhuǎn)速降低,啟動過程轉(zhuǎn)速上升率下降、啟動時間變長,反之也成立。

(2)當功率提取量需求增加或者功率提取初始轉(zhuǎn)速降低時,為保持啟動時間不變,應(yīng)采用更大功率級的啟動機。

(3)本文考慮到了摩擦阻力矩、燃滑油附件阻力矩以及性能衰減的影響,但并未對其賦值。雖然摩擦阻力矩、燃滑油附件阻力矩數(shù)值較小,但仍會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響。對于使用時數(shù)較長的發(fā)動機,性能衰減也是不可忽略的因素。因此,后續(xù)需開展研究,明確摩擦阻力矩、燃滑油附件阻力矩的計算方法,同時研究性能衰減對阻力矩的影響規(guī)律,并在計算過程中將以上因素考慮在內(nèi),提高啟動機功率需求計算的精度。