民用涡扇发动机空中启动风车转速研究可编辑民用涡扇发动机空中启动风车转速研究(可编辑) 民用涡扇发动机空中启动风车转速研究 . . 工程与试验 . 民用涡扇发动机空中启动风车转速研究 田 琳,陶 冶,申晓霞 中国飞行试验研究院,陕西 西安 摘 要:研究了 一 民用涡扇发动机空中启动过程中风车转速与飞行高度、速度的关系。结合 支线客机试验机,开展了空中风车启动试验。对多次试验数据来进行总结与分析,得出结论:相同高度下,飞行速度 越大,风车转速越大;相同飞行速度下,高度越高,风车转速越大。阐释了在风车启动性能上双转子发动机相对于 单转子发动机的...

  民用涡扇发动机空中启动风车转速研究(可编辑) 民用涡扇发动机空中启动风车转速研究 . .

  与试验 . 民用涡扇发动机空中启动风车转速研究 田 琳,陶 冶,申晓霞 中国飞行试验研究院,陕西 西安 摘 要:研究了 一 民用涡扇发动机空中启动过程中风车转速与飞行高度、速度的关系。结合 支线客机试验机,开展了空中风车启动试验。对多次试验数据来进行总结与分析,得出结论:相同高度下,飞行速度 越大,风车转速越大;相同飞行速度下,高度越高,风车转速越大。阐释了在风车启动性能上双转子发动机相对于 单转子发动机的优越性和涡扇发动机优于涡喷发动机的物理原因,分析了该型发动机空中启动风车转速特性的原 理,为? 新支线客机动力装置性能特性试飞提供了重要依据。 关键词: 一 ;涡扇发动机;风车启动;风车转速;研究 中图分类号: 文献标识码: : . /.. ? . . . ,, , ’,, : , ? ?? . ? ?, . , , ? .? ? ’ .? . ?.: 一; ; ; ; 动机的空中再启动能力 。 引 言 发动机空中再启动成功受到诸多条件的限制,只 有在一定的飞行高度和马赫数下,主燃烧室内的气流 压力、速度、流量、慢车供油压力和油气比等条件均处 众所周知,航空发动机的空中启动性能对保证 飞机的安全飞行是至关重要的,尤其是单发飞机,~ 于适当的数值范围内,当风车转速达到一定数值时, 才有机会使发动机空中再启动成功 。目前,常用的 旦飞机在空中停车,若无法进行可靠的空中启动, 航空发动机空中再启动

  主要有空中风车启动、交 飞行员就要被迫跳伞,甚至造成机毁人亡的后果。 叉引气辅助启动和引气辅助启动等。发动机空 因此,世界各国航空发动机工程师都致力于提高发 中启动一般都是在风车状态下进行 ,因此,研究 收稿日期 一 ~作者简介 田 琳 ~ ,女,陕西渭南人,助理工程师,硕士,主要是做航空动力装置工作特性与性能飞行试验技术探讨研究工作。田 琳,等:民用涡扇发动机空中启动风车转速研究 中启动风车转速特性及原理,对航空发 风车启动转速,更加有助于试验成功; . 日 行性试飞具备极其重大价值。 发动机处于中间状态时,燃烧室火焰筒壁温 发动机风车状态是指发动机空中停车、燃烧室 度高,冷却时间比较久,空中慢车拉停,在较短时间内 熄火或不工作时,气流通过未点燃的发动机并由空 便可达到试验状态点,节约试验时间; 气动力、转子惯性和阻力矩共同作用而带动发动机空中慢车状态参数较接近于风车状态参数, 轴转动并短时间稳定在某一转速的亚稳定旋转状 故测量量程变化较小,能大大的提升测试精度。 态,该转速称为发动机风车转速或自转转速 。 支线客机试验机空中正常风车启动 从公开发表的文献能够准确的看出,由于涡扇发动机 试验,采用空中慢车状态拉停,以右发动机为例,典 结构较为复杂,建立其风车状态特性的计算模型就更加 型的空中风车启动试验飞行示意图如图 所示。 复杂。涡扇发动机风车特性的理论计算模型,主要 是在涡喷发动机风车特性的计算模型基础上发展 的 ,其不能保证部件间的匹配及混合器进口内 外涵的静压平衡。而且,涡扇发动机进入风车状态 后,各转动部件大多分布在在小转速范围内工作,无论 哪种数值模拟发动机风车特性的方法,都必须依赖 低转速的部件特性,而涡扇发动机转动部件 风扇或 压气机、低压压气机、高压涡轮、低压涡轮 的性能设 计点大多分布在在大转速范围,小转速工作范围的部 件特性难以获得。因此,开展涡扇发动机空中启动 风车转速试验研究,不但可以为理论计算提供必要 的数据,也可以为发动机空中启动相关课

  提供重 要参考。 图 空中风车启动典型飞行示意图 结合国产新型喷气式支线客机 ?试 验机装备的 公司

  的 ? 涡扇发动 图 中, 是飞行高度, 是飞行速度, 机 ,通过对多次空中启动试验数据来进行总结与分 是涡轮级间温度, 是环境和温度, 代表慢车状 析,得到 ?涡扇发动机空中启动过程中风 态拉停, 代表空中风车启动。 车转速与飞行高度、速度的关系,并分析该发动机空 该发动机空中风车启动试验的要求如下: 中启动风车转速特性的原理,为相关数值计算模型确保飞机处在试验所需要 的高度、速度和构 的完善和 ?支线客机动力装置性能特性 型状态,保证所有试验要求的飞行机动动作正常完 试飞提供重要依据。 成并确认所有仪器及数据采集设备工作正常; 确保发动机在任何状态进行 空中启动时,在 空中风车启动试验 内达到慢车转速,并在过程中工作正常,无超 限和失速; 发动机空中正常风车启动试验,一般都会采用空中 正常风车启动试验点,测试发 动机应在再启 慢车拉停或者中间状态拉停,高度下降,飞行速度增 动开始后的内点火,在启动过程中发动机加速度 加,当发动机转子处于风车状态时,将油门杆置于慢 应明确显示为正,且没有失速以及 超温显示; 车位置,打开空中点火电门,空速表立即指示上升,试验中,对于能保持稳 定飞行的试验点, 短时间就能上升到慢车转速。 高度误差稳定在?英尺,空速误差稳定在 / 发动机空中慢车状态拉停相对于从中间状态拉 一 节;对于无法保持稳定飞行的试验点,应确保在 停有许多优点: 要求的试验高度以上完成试验,并尽量接近要求的 空中慢车状态流量与风 车状态流量接近,从 试验高度,空速误差稳定在 /一 节。 空中慢车拉停,发动机进口参数变化不大,再点火过 程容易控制,可以在较短时间内达到试验状态点; 试验结果分析 发动机从中间状态拉停,由于惯性作用,转 速下降慢,而从空中慢车状态拉停,短时间即可降至 ?发动机是由 公司研 发生产的高 ‘工程与试验 涵道比双转子涡扇发动机,其主要组成部件包括单 级风扇、 级轴流式低压压气机和 级轴流式高压 / / / . ? 压气机、单级环形燃烧室、单级高压涡轮和 级低压 , / 涡轮。在进行飞行试验时,测得的高、低压转子的转 / / ’ 速数据为相对物理转速 即测得的物理转速和相应 / / :/ 最大转速的比值 。为便于比较该发动机在不同 / / / 条件下的风车转速,有必要进行计算,以得到相对换算 / /, . 风车转速,相应的计算公式为: / / / / /其中, 为相对换算风车转速,/为试验测得的 相对物理转速, 为测得的风扇进口总温。 图 高度 英尺风车转速特性 通过对多次试验数据来进行总结与分析,得到了 ?涡扇发动机空中启动风车 转速与飞行高 。 二: 度、速度的关系,如图 ~图 所示。图中, 代表 , 。? / 低压转子的相对换算风车转速, 代表高压转子的。 ,/ / 相对换算风车转速。: / ‘ ’ 一 ? 【 ./ / 。 ,? , 加 硌 一 / . ? , 一 ./ : / ‘ / / : , 图 高度 英尺风车转速特性 . 相同高度下风车转速与速度的关系 由图 ~图 能够准确的看出,在相同高度下,随着飞 . 行速度的增加,风车转速是增加的,且低压转子的转 图 高度 英尺风车转速特性 速始终大于高压转子的转速。这是由于在风车状态 下,发动机由提供动力的部件变成阻力部件。迎面 气流流过发动机时,其能量被转化为旋转部件的动 一一 能或摩擦消耗,飞行速度越大,来流的能量越大,用 / / 于转换成转子动能的能量也就越多。 / 第一级叶轮风扇最先接触到来流,研究表明, /’/ 一 // 一 /, / 在低马赫数 . ,该飞行试验的马赫数不超过 , / /. 的风车状态下,第一级进口速度三角形与设计 / /// / 状态相似,如图 所示。 / / 是因为,此时叶轮的旋转是由来流带动,叶轮 / 的转速与来流速度?。是匹配的,小的圆周速度 。对应小的轴向速度 。, 因此进气的攻角也与设计 / 攻角相似。气流在通道中不会有多余的损失,而且 图 高度 英尺风车转速特性 亚音速气流通过扩张形的通道还会有少许的增压, 来流的部分动能就转化为叶轮的动能和来流自身压田 琳,等:民用涡扇发动 机空中启动风车转速研究 . 相同速度下风车转速与高度的关系 再比较图 ~图 中相同速度、不同高度情况 下的风车转速。以速度? . / 为例,能够准确的看出,在相同的速度下,随着高度的升高, 转速略有增大。这不同于涡喷发动机随着高度的升 高,风车转速减小的情况。为了

  这个问题,先讨 论该型发动机风车状态各高度核心机里的空气流 量,流量公式为: 一』 图 一级进口速度三角形 其中, 为大气密度, 为飞行速度, 为进 面积。 力。风扇后气流分开,大部分气流进入外涵道,另外 由公式 可知,在飞行速度不变的情况下,飞 一 部分进入了内涵道。内涵道前面的三级低压压气 机所处的高度越高,大气密度越小,发动机进口的空 机和风扇是同轴的,与风扇的转速一致,由于内涵通 气流量应该是越小的,即风扇前空气流量是减小的。 道本身是收敛的 越往后面级,轮盘直径越大,而叶 当气流通过风扇后分为两路,一路进入外涵道,一路 片越短 ,气流的轴向速度慢慢的变大。对于这三级低 进入内涵道即核心机。 压压气机来说,越到后面级,越偏离设计状态,进气 在核心机里,气流流过收敛的通道,轴向速度是 攻角越小,越容易在叶盆发生分离,能量由于耗散的 增加的,且气流密度较大,在高压压气机后面级容易 损失就会越大,空气流动如图 所示。 发生堵塞。由于高度越高密度越小,在通过核心机 时,相对于低空较高密度的气流,高空低密度气流更 容易通过,即高压压气机后面级不容易发生堵塞,气 流在核心机内通畅地流过。由于旋转部件本身对气 流有吸纳的能力,在这种能力有富足的情况下会有 更多的气流流人内涵道,外涵的气流就相对减少,因 此核心机的空气流量随高度增加是增加的,但风扇 进口处的流量是减少的,外涵道对内涵道起到一个 空气流量补充或接纳的作用。由于核心机的空气流 量增加,对核心机内压气机的冲力也增加,因此低压 压气机带动同轴的风扇转速略有增加,同时在核心 机内的高压压气机由于空气流量的增加和流动通道 的通畅转速也就增加了。而涡喷发动机由于不存在 图 压气机级气流示意图 外涵道,在同一速度、不同高度的风车状态,其发动 机进口的空气流量会随着高度的增加而减少,且风 在高压压气机第一级,气流的进口速度三角形 车转速也会随着高度的增加而减小,不利于高空风 又一次近似于设计状态,但是由于气流的能量在前 车启动的实施,这是涡扇发动机优于涡喷发动机的 面已经消耗了很多,转换成转子动能的能力有限,即 地方。 便高压转子的重量小于低压转子,高压转子的转速 依然会小于低压转子的转速,这与发动机正常工作 结 论 时高压转子转速大于低压转子转速的情况是不同 的。 结合国产新型喷气式支线客机 ? 试 能够正常的看到的是,相对于单转子发动机,双转子发 验机装备的 ? 涡扇发动机,开展了空中风 动机由于高低压转子转速不相同,更加有助于稳定发 车启动试验。通过对多次试验数据来进行总结与分 动机内的流场而不至于在后面级发生严重的堵塞, 析,研究了 ?涡扇发动机空中启动过程中 良好的流场性能有利于空中启动点火的实施,这也 下转第 页 是双转子发动机比单转子发动机更为优越的地方。 。

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