涡轴发动机性能退化数学建模研究.pdf

2 0 1 0 年舞3 6 蠢簟4 期V 0 1 3 6N o 4A u g 2 0 1 0 涡轴发动机性能退化数学建模研究 时瑞军1 ，周剑波1 2 ，张秋贵1 ，皮星1 【1 中国航空动力机械研究所，湖南株洲4 1 2 0 0 2 ； 2 南京航空航天大学能源与动力学院，南京2 10 0 16 ) 时瑞军( 1 9 7 3 ) ，男，博士。高级工程师。 从事推进系统的数学建模和综合控制以及 进排气数值仿真研究。 基金项目：航空科学基金 ( 2 0 0 9 0 6 0 8 0 0 1 ) 资助 收稿日期：2 0 1 0 0 1 2 6 1 引言 直升机通常工作在近地面、 近海平面高度，往往会吸人大量 的砂尘和含盐的海水蒸汽，涡轴发 动机部件经常受到污垢和腐蚀的 影响，工作条件十分恶劣。为了实 现突然攻击，直升机需要迅速从 隐蔽时的低负荷状态过渡到攻击 时的高负荷状态，形成对涡轴发动 机部件频繁的热力、机械等强度 摘要：分析了航空发动机各部件性能退化原理；分别建立了压气机、燃烧室、涡 轮性能退化的部件模型；根据航空自由涡轮式涡轴发动机的工作和使用特点，建立了 性能退化的涡轴发动机数学模型；利用该模型，仿真研究了不同部件性能退化对涡轴 发动机性能参数的影响。结果表明，建立的模型正确反映了部件退化对涡轴发动机的 影响。 关键词：涡轴发动机；性能退化；数学模型；数值仿真 M a t h e m a t i c a IM o d e IS t u d yo nP e r f o r m a n c eD e t e r i o r a t i o no f T u r b o s h a f tE n g i n e S H IR u i - j u n l ，Z H O UJ i a n b 0 1 上Z H A N GQ i u g u i l ，P IX i n 9 1 ( 1 C l a i mA v i a t i o nP o w e r p l a n tR e s e a r c hI n s t i t u t e , Z h u z h o u1 2 0 0 2 ，C h i n a s 2 C o U e g eo f E n e r g ya n dP o w e r , N a m i n go f A e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s , N a u f i u g2 1 0 0 1 6 , C h i n a A b s t r a c t ：T h ep e 咖朋僦ed e t e r i o r a t i o nt h e o r yo fa e o F e n g i n ec o m p o n e n t s1 1 ) 0 3 a n a l y z e d T h em o d e l so fc o m p r e s s o r , c o m b u s t i o nc h a m b e ra n dt u r b i n ew e r er e s p e c t i v e l y e s t a b l i s h e d Ac c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o na n du t i l i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff r e et u r b i n e t u r b o s h a f ie n g i n e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp e 咖m l n ，圮ed e t e r i o r a t i o nf o rt u r b o s h 斫 e ，画，醒W a Se s t a b l i s h e d T h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o m p o n e n tp e 咖m l 伽c ed e t e r i o r a t i o no nt h e p e 咖埘l n ，w ep a r a m e t e r so ft u r b o s h a f ie n n e 乱 s t i m u l a t e d T h e r e s u l t ss h o wt h a tt h e e f f e c to f c o m p o n e n td e t e r i o r a t i o no nt h et u r b o s h a f ie n g i n ei sa c c u r a t e l yr e f l e c t e dw i t ht h e m o d e l K e yw o r d s ：t u r b o s h a f fe n g i n e ；p e d o r m a n c ed e t e r i o r a t i o n ；m a t h e m a t i c a l m o c I e l ；n u m e n c a ls i m u l a t i o n 冲击。在这样的条件下长时间工 作，会造成发动机性能退化甚至 损坏。利用准确地反映涡轴发动 机性能退化的数学模型，研究不 同因素对发动机性能退化的影 响，对于改善涡轴发动机控制效 果，实现涡轴发动机故障诊断、延 寿及视情维修具有重要价值。 万方数据 叼璀军篓：涡轴发动卸牲篷退化数字建崾酿窍 美国N A S A 利用卜1 5 验证 机的P W 一1 0 0 11 2 8 发动机，对涡 扇发动机的性能退化进行了大量 的理论、仿真及试飞研究吧国内 高校也开展了某型涡扇发动机的 性能退化研究回。而对于航空涡轴 发动机性能退化研究，相关文献 尚难见到。 本文研究了航空涡轴发动机 性能退化的基本原理，建立了描 述部件性能退化的各部件数学模 型；按照涡轴发动机的共同工作 条件和使用特点，建立了部件级 性能退化的涡轴发动机数学模 型，进而仿真研究了涡轴发动机 性能退化的特点，为开展进一步 研究奠定了基础。 2 部件性能退化特征及影 响分析 2 1 压气机性能退化 压气机性能退化的特征为： 叶片型面磨光，动叶和静叶松动， 流路破裂，机匣磨损，以及机匣偏 心和脱开同。 不考虑损坏，压气机性能退 化的主要原因是污垢和侵蚀。压 气机的污垢主要来自外部尘土的 堆积，其影响是：叶片型面发生变 化，流路减小，机匣偏心，从而使 压气机效率降低( 假定设计型面 效率最高) ，流鼍减小。其特性曲 线向左下方偏移。压气机所受侵 蚀主要来自外部较大颗粒的砂石 的摩擦，含盐较高的海水蒸汽的 腐蚀，以及燃烧室对导向器的烧 蚀，其影响是：叶片型面发生变 化，叶片发生松动，流路面积增 大，机匣偏心等，从而使压气机效 率降低，流量增大。其特性曲线向 右下方偏移。不同因素对压气机 特性线的影响如图1 所示。 图1压气机性能退化特性线 2 - 2 涡轮性能退化 涡轮性能退化的主要特征是： 叶尖间隙增大，叶片型面磨光退化 导向器泄漏，级间封严泄漏鲁印。 造成涡轮性能退化的因素主 要是污垢堆积及侵蚀作用。涡轮的 污垢主要来自外部的灰尘及燃烧 残留物的堆积，其影响是：叶片型面 磨损，流通面积减小，从而使涡轮效 率降低( 假定设计型面效率最高) ， 流量减小。涡轮所受侵蚀主要是叶 尖的摩擦作用，高温烧蚀和金属氧 化也起一定作用，综合影响是：叶片 间隙增大，叶片型面磨损，喷嘴环烧 蚀，封严处泄漏增大，级间泄漏增 大，流通面积增大，从而使涡轮效率 降低。不同因素对涡轮特陛线的影 图2 涡轮性能退化特性曲线 己6 己7 响如图2 所示。 2 3 燃烧室性能退化 火焰筒积炭、变形、裂纹以及 喷嘴积炭、腐蚀，会造成雾化效果 变差，火焰外伸。反映在燃烧室性 能上，就是总压恢复系数减小和 燃烧效率降低。虽然，一定设计形 式的燃烧搴的总压恢复系数一般 保持为常数；不包括慢车状态，燃 烧效率几乎保持1 0 0 不变；除了 最极端的退化情况，燃烧效率也 不随燃烧条件、燃油喷嘴的改变 而改变。但是长时间工作后，燃烧 室性能退化对整个发动机性能退 化还是有一定的影响日I 。 3 部件性能退化模型 一般而言，仿真部件的性能 退化有2 种方法。1 种方法为流场 计算方法，利用发动机的流场计 算程序，改变部件的尺寸，从而实 现性能退化仿真。另外1 种方法 为退化因子方法，以发动机部件 级数学模型为基础，引入退化因 子参数，从而实现性能退化仿真。 本文采用退化因子方法进行仿真 研究。 压气机的退化因子定义为压 气机换算流量和绝热效率与特性 图上值的相对差，即 8 ，：1 一W a c o t - , a c t u a l W “o r m a p ( 1 ) 占= 卜旦! 型 。 卵。，m 叩 燃气涡轮的退化因子定义为 燃气涡轮换算流量和绝热效率与 特性图上值的相对差，即 F 3 = 卜纽 ：俨一 ( 2 ) 铲1 - 冬趔 田g t , m a p 万方数据 2 0 1 0 3 6 4 月v o J3 6N o4A u g2 0 1 0 动力涡轮的退化凼r 定义为 动力涡轮换算流量和绝热效率与 特性俐r 值的相对差，即 e = I 一生_ r f 3 ) - I 一! _ c “ “ 一” 燃烧室的退化凶f 为燃烧窒 总旭恢复系数和燃烧教书J 特性 图t 值的丰u 对照，即 s ，2 I 口 L 嚣 m “ 】一迪 ” 利H 前呵定义的部件退化横 犁，以某倒涡轴发动机部件级数 学模删为肚础，建世r 满轴发动 机部件级性能进化模型。利用该 模捌，仿真研究r 不同部件小同 退化各数对鹕轴发动机性能的影 响。 枉进 r 仿真计算时，假没涡 轴发功机L 作在高功率状态，动 力涡轮转速恒定；同时假设燃汕 流 恒定 阿3 1 0 为H = 0 M a = 0 ，起E 状态下，压气机燃7L i * 轮动力 涡轮、燃烧室性能参数退化千 为0 0 2 时，z “t 的满轴发动“ 【性 能参数的相对变化世 圈c - I 一9 分刷 示压气机进 n 换算转速，z，7L 机惴振释 度 K 7 t 机n 总I 。n 三7 L 机 进n 7 i 施壮“。涡轮州温度7 ：， 满轮问总压只。、喷管I I 静龃 t 。随之升高：则喷鹤II 总温和 对应r I 挣湍t燃T I 吣耗串s 斤 及输轴功率, F 由图3 易知压气机流艟进化 时，n 。L 减小；参数，一，、 s 丘增大， 蚝原冈在r ，在高功率状态 下，燃7L 涡轮工作在临界状态，涡 轮落压比和技半基本不变，涡轮 的单他功基本小变，田而压7 t 札 换箅转速n 。基奉小变。 压t 机流址的退化必然引起 进u 空。、流量w 减小，由J ：换算_ 转 建基本小变，旭i H L L 怍点近似向 喘振边界移动，喘振裕艘一城小； 由于n 汽机流世退化，其I 。 作点效率降低，凼I n 】m 比碱小，出 f I 压力p ，降低；由J 燃烧室总旭 恢复系数、燃气涡轮蒲压比恒定 冈而涡轮问压Jn 。降低； 山十燃油流址恒定，膻7 t 机 卒气 d 退化时，涡轮进u 单位质 量燃气热焙增大，温度升高，而燃 。C 工作点基丰不变敞j 呙轮问温 度k 随之升高；则喷管m u 总 温和对应f f l n 静温7 ：升高。 由j ：动力满轮的工作点基斗= 不变其单忆功基本恒定，放随着 限( 机流：t 退化进u 牵气量减 小总的输i J j 功率P W 降低，山干 供油榭日定，故耗TH | 率一，提高 娄似j 【刳3 ，可分析图4 J o 易f 、网部什性能参数丝化 目3 气机m m * 响 目4 气m 效辜m 的影响 ? _ ! ? 圄7 燃烧i 恢i 数m m 的影响 三 I 。：_ ! I _ II _ ? I n m I 目8m M i 效$ m 化# 响 n J ” 。：I I J 1 ) 】 _ _ y - I I I I I ，I 动力祸轮流量n 的# 响 - - I “ 竺一一 一 竺 i | l I R ! r M掌：棚；。“ - I， _ _、 I I 1 w嚣。=景 万方数据 张生舞：霸件眭隆变化羽大涵宣吐发动朝台架畦蓬的匏晴 ：力略有增大； ( 2 ) 外涵道总压损失对发动机 ：推力影响较大，总压恢复系数降低 1 ，对应的发动机推力在 f = c o 啮t ：时减小1 一2 ；H J v o ( 3 ) 在起飞点附I 近，风扇外涵 - 、J 一J ， ：总压恢复系数、低压涡轮效率对 、7 x r 1 1 图3 各部件效率和各流路损失 ：发动机耗油率影响较大，l 的变 对发动机排气温度的影响 ：化使耗油率升高约1 2 ； 4结论 ( 4 ) 核心机部件的效率对发 ：动机排气温度影响较大，其中高 对大涵道比涡轮风扇发动机： 压涡轮效率降低l ，将使发动 ( 1 ) 当n 。= c o n s l 时，任何部件：机排气温度k 升高约9 1 0 K ； 效率的降低、流路的损失增大都：( 5 ) 只有核心机部件的效率 将导致发动机耗油率和排气温度：对高压压气机的稳定裕度产生了 升高。除了外涵道损失增大以外，：影响，其中高压压气机、高压涡轮 其他的影响因素都将使发动机推：的效率降低l 使高压稳定裕度 ( 上接第2 8 页) 图1 0动力涡轮效辜退化的影晌 时，整机性能参数的变化均符合 涡轴发动机的工作原理。 5 结束语 建立了各部件退化模型，按 其共同工作条件建立了涡轴发动 机性能退化模型。仿真研究表明， 部件退化模型能够正确描述部件 的性能退化；涡轴发动机性能退 化模型能够正确反映涡轴发动机 的性能退化特征。 参考文献 】J 樊恩齐，徐芸华航窄推进系统控制 f M l 西安：西北1 二业大学出版社， 1 9 9 5 【2 】吴丹航空推进系统非线性性能寻优 控制研究【D 】西安：西北工业大学， 2 0 ( ) 4 【3 l L a m b e r tHH AS i m u l a t i o nS t u d yo f T u r b o f a n E n g i n e D e t e r i o r a t i o n E s t i m a t i o n U s i n g K , d m a n F i l t e r i n g T e c h n i q u e s J 1 N A S A T e c h n i c a l M e m o r a n d u m1 0 4 2 3 3 ，1 9 9 1 4 M a t h i o u d a k i s K ，K a m b o u k o sPH 。 S t a m a t i sA T u d m f a nP e r f o r m a n c e D e t e r i o r a t i o nT r a c k i n gU s i n gN o n l i n e a r M o d e l sa n dO p t i m i z a t i o nT e c h n i q u e s J J o u r n a lo fT u r b o m a c h i e r y 。T r a n s a c t i o n o f A S M E 。2 0 0 2 ，1 2 4 己4 己5 损失约1 ；核心机部件效率降低 对风扇内涵+ 增压级的稳定裕度 影响较大。 参考文献 【l 稿效节能发动机文集编委会。高效节 能发动机文集( 第二分册) 【M 】北京： 航空工业出版社，1 9 9 1 【2 慷小纯，航空燃气轮机原理 M I - 西安： 西北工业大学出版社，2 0 0 0 【3 J 航空发动机设计手册编委会航空发 动机设计手册( 第5 册) 【M 】北京：航 空工业出版社。2 0 0 1 【4 1 库拉金BB 航空发动机及动力装置 理论计算和设湃M l 北京：机械制造 出版社，2 0 0 3 【5 瘃苏诺夫BA 。且普金BM 肮宅发动 机和动力装置的原理、计算及设计 I z 】莫斯科国立航空学院，2 0 0 3 5 S p - e r u dE ，B r e k k eO ，A x i a lC o m p r e s s o r D e t e r i o r a t i o nC a u s e d b y S a l t w a t e r I n g e s t i o n 册A S M E2 0 0 5 - G T - - 6 8 7 0 1 ， 2 0 0 5 【6 C h a t t e r j e eS O n l i n eM o d e lP a r a m e t