航空发动机性能仿真和试车调整仿真模型的实际应用

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1、CSAA-·PP一2l航空发动机性能仿真和试车调整仿真模型的实唐海龙罗安阳魏俊义张津际应用北京航空航天大学航空工业总公司二集团第64：,8研究所航空工业总公司二集团第608研究所北京航空航天大学摘要本文从原理和工程可行性上确定了需要调整的某型航空发动机几何截面．在此基础上建立了该型发动机的试车调整仿真模型。通过在实际试车调整中对该模型的应用表明：在比较精确的发动机性能仿真模型的基础上建立的发动机试车调整模型可以定量地反映发动机调整的实际情况，对实际试车调整有一定的指导意义。一关键词性能仿真、几何调整1前言国内研制的某型混排涡扇发动机的高压压气机在高换算转速下出现喘振。为提高压气机高换算转速下

2、的喘振裕度，要求总体性能采取具体的调整措施使压气机特性上的发动机共同工作线下移，同时应保证所要求的设计性能指标。由于该型发动机的很多关键截面不可调，如果调整这些截面都要重新加工相应的发动机部件，并在试车台通过试车来证明调整方案的可行性，会使调整的成本高，周期长。为了节省时间和经费，首先从发动机原理的角度确定可调机构的调整方向和大小，预估发动机工作点的走向以及对整机性能的影响。通过现场对发动机试车调整进行的仿真运算．指出了发动机调整的方向和大致范围．达到了预期目的。2理论分析及调整方案的确定该喘振发动机的捧气温度高、推力大、耗油率高、高压压气机喘振裕度不够。在进行调整前，首先需要进行理论和工程

3、可行性分析。i压气机工作点的走向和高压涡轮导向器喉道面积’、沿程压力损失及高压转子升温比有关。在保持离匝涡轮导向器喉道面积时，减小沿程压力损失、降低升温比有利于提高压气机的稳定裕度。高压转子升温比与高压压气机效率和高压涡轮效率有着反比的关系，提高这两个部件的效率可以直接降低高压转子升温比，进而提高高压压气机的喘振裕度、降低发动机的排气温度和耗油率。但是发动已经进入定型试飞阶段，明显提高部件效率的可行性很小。压气机工作点的位置与升温比的1／2次幂有关，与高压涡轮导向器喉道面积有直接关系，因此放大高压涡轮导向器喉道面积对降低压气机工作点位置的作用应该最明显。但放大高压涡轮导向器喉道面积会使高压涡

4、轮落压比降低，为了维持高压转子的功平衡，会提高涡轮前温度，从而导致耗油率、推力和升温比的增加。这样会减小放大高压涡轮导向器喉道面积的效果并且使发动机整机性能变差。为了在放大高压涡轮导向器喉道面积时维持或降低涡轮前温度，应该同步地放大低压涡轮导向器喉道面积。在维持高压涡轮落压比和高压涡轮喉道面积不变的条件下，放大低压涡轮导向器喉道面积会降低高压涡轮前温度，从而降低升温比，有利于提高高压压气机的裕度。放大113低压涡轮导向器喉道面积会降低低压涡轮落压比，影响低压转予的工作状态。由于在非加力混排涡轮风扇发动机中，风扇工作点的位置直接影响空气流量和喷管可用压比，对发动机的性能有相当的影响。因此，必须

5、尽量保证扇工作点的位置，这样就需要调整尾喷管。对于混合排气涡轮风扇发动机来说，在保持其他几何不变的条件下，放大尾喷管出口面积会增大涵道比、降低风扇工作点：对于亚临界喷管和亚临界低压涡轮，在保持高压转子转速的条件下，放大尾喷管出口面积会增加低压涡轮落压比、降低低压涡轮出口温度、提高低压转子的转速，但对高压转子影响较小。以上定性地分析了几何调整对发动机性能的影响，从分析的结果来看，如果要降低高压压气机上发动机共同工作线的位置，可以从放大大高压涡轮、低压涡轮导向器和尾喷管的喉道面积，至少保持现有高压压气机和高压涡轮的部件效率，减小流道和燃烧室的压力损失这几个方面来考虑。由于纯粹从理论上无法定量地判

6、断调整几何截面对发动机稳定性和发动机性能的影响，必须用仿真模型进行数值模拟以确定几何调整的大小。3仿真模型的建立本文根据厂方提供的发动机结构、设计参数、部件特性以及双方协调得出的发动机调整方案，利用航空发动机性能仿真系统【1’幻建立了仿真模型。仿真模型的方块图如图2所示。模型考虑了高压涡轮、低压涡轮导向器和尾喷管的喉道面积的调整、沿程流路损失以及部件效率对发动机性能和喘振裕度的影响。在应用模型进行调整计算分析前，首先要检验基准模型的精度·表一对节流特性、温度特性和高度速度特性的计算结果和厂方提供的数据进行了比较，结果表明基准仿真模型准确可靠。图2某取轴混排涡扇发动机仿真模型方块闰相对误差的节

7、流特性温度特性高度速度特性均方根H=0km,Ma=0H--6km，Ma=,O．4828推力0．6％1．53％033％0．?97％低压转速0．1l％0．27％024％0．217％涡轮前温度0．14％0．2％018％：一0．217％燃油流量0．21％0．36％05啪D．294％1144调整分析本文在H---O．№=0、标准大气条件下进行了发动机几何调整的仿真计算。用以预测试车调整的效果。图3计算对比了基准状态(调