某型发动机风车特性试验研究分析

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1、某型发动机风车特性试验研究分析　　0引言　　飞行中动力装置可能会由于不稳定工作导致空中停车，此时，发动机燃烧室不供油，不点火燃烧，由于飞行速度因素，发动机低压压气机和风扇在进口气流的气动力作用下以及转子惯性矩的作用下仍在继续旋转，发动机转子转动的能源是进口气流(空气)的能量，这种状态被称为发动机的风车状态。发动机风车特性对于研究发动机高空燃烧室可靠点火，设计空中可靠起动边界，具有重大意义。　　发动机在空中发生停车之后进入风车状态，风扇和高、低压转子在远离设计状态的较低的转速下运转，因此，发动机主燃烧室进口气动参数随飞

2、行马赫数的变化规律，发动机各主要参数变化规律，对于研究发动机能否成功重新点火，进行空中起动，具有重大意义。　　1试验方法　　1.1风车特性的定义　　发动机风车特性指风车状态下转子转速、燃烧室进口参数(压力、温度、气流速度和空气流量)和压气机增压比、温升比以及发动机内部阻力等随飞行高度、M数的变化关系，也称风车状态的高度速度特性。根据文献描述，在风车状态，如果雷诺数Re在自行模化区对发动机各部件的特性没有影响(特别对效率)，转子没有功率消耗，没有空气渗漏等，这对任何结构形式的发动机所有换算参数都是单值的，它们仅取决于飞

3、行M数，而与飞行高度无关。如上述条件不能满足，换算参数便与飞行高度有关。　　1.2试验方法描述　　被试发动机为分开排气的涡扇发动机。飞行高度分别为3km、6km、8km、9km，飞行速度分别为300km/h、350km/h、400km/h、450km/h、500km/h、550km/h、600km/h，被试发动机停车，飞机保持高度、速度稳定平飞至被试发动机参数完全稳定后测定风车特性。　　2试验结果分析　　风车状态是发动机一种特殊的工作状态，而且与燃烧状态运转的物理本质截然不同。由发动机原理可知，旋转的压气机和涡轮部件

4、从本质上看都是制动器，也就是只有供给其能量并消耗能量，才会转动。也就是说，发动机在无动力状态下(风车状态)，转子转动的能源只能来自于飞行速度，即飞行速度转变成发动机前制止气流的动能并被转子所吸收，再转换成机械能来驱使转子转动。从做功角度讲，由飞行速度带来的迎面气流给压气机叶轮做功(正常工作时压气机叶轮消耗涡轮功而转动)，同样迎面气流也作用于涡轮，当气流流过涡轮收敛通道时，膨胀加速涡轮做功，并将大部分功率传给压气机。　　飞行中当发动机停车后，首先经过状态衰减即冷转过程，最后进入平衡的风车状态，因此，发动机风车状态必须满

5、足功或功率的平衡条件:　　Nk+NT=Nm+Nf　　其中:Nk:迎面滞止气流给压气机的功率;NT:涡轮发出功率;Nm:摩擦而消耗的功率;Nf:保证发动机附件运转所提取的功率。　　在风车状态下，发动机由动力核心变为阻力部件。当迎面气流流过进气道和发动机时，流过有阻尼元件的管道(阻尼元件是指旋转部件如压气机和涡轮，非旋转部件如进气道、燃烧室、尾喷管等)，其气流的能量被这些阻尼元件所消耗而产生总压损失，因此发动机内部阻力增加，并使飞机总阻力增加。当飞行高度一定，随飞行速度增加，内部阻力增大，当飞行速度一定，随飞行高度增加，

6、内部阻力减小。这是因为内阻取决于力的冲量，当飞行M数增加，进气道冲量增加导致内阻急剧增加，当高度增加时，因大气压力降低导致内阻减少。　　2.1发动机转速变化　　在高度3km～9km，随飞行M数变化的曲线。当飞行高度一定时，随着飞行M数增加，风车转速快速增加，当飞行M数一定时，随着飞行高度增加，风车转速降低，但降低数不大。这是因为在稳定的风车状态下，对于被试发动机高、低压转子，作用在转子上的气动力矩和摩擦力矩保持平衡，即:　　Mm=Mk+MT　　其中:Mm:发动机转子转动摩擦力矩;Mk:作用于压气机的气动力矩;MT:作

7、用于涡轮的气动力矩。　　因此，在风车状态下，当飞行高度一定，随飞行M数增加，发动机进气动能和冲压能力增大，由此形成的Mk和MT力矩变大，而在转子力矩平衡中传动摩擦阻力矩的比率相对减小，因此风车转速增加。当飞行M数一定，随飞行高度增加大气密度降低，发动机进气动能和冲压能力以及由此形成的Mk和MT力矩变小，而在转子力矩平衡中传动摩擦阻力矩的比率相对增大，因此风车转速减小。　　分别给出了风车状态下，被试发动机低压转子换算转速(n1r)及高压转子换算转速(n2r)在高度3km～9km，随飞行M数变化的曲线。该型发动机低压转子

8、换算转速与飞行M数基本为单值关系，随飞行M数增加，低压换算转速亦增加，与飞行高度无关。由图4可见，该型发动机高压转子换算转速与飞行M数及飞行高度均有关系，同其物理转速一样，当飞行高度一定时，随着飞行M数增加，高压换算转速快速增加，当飞行M数一定时，随着飞行高度增加，高压换算转速降低，但降低数不大。这是因为，外界大气通过旋转的风扇进入发动机，在风