（人机与环境工程专业论文）航空燃气涡轮发动机起动过程数值模拟研究.pdf

a b s t r a c t t h ed i g i t a lc o m p u t e rs i m u l a t i o no fs t a r t i n gc o n d i t i o n sf o ra e r og a st u r b i n ee n g i n ei s a l w a y sad i f f i c u l t y i ne n g i n ep e r f o r m a n c en u m e r i c a lm o d e l i n g a tp r e s e n t ，t h ee n g i n e p e r f o r m a n c en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yf o ra b o v ei d l ec o n d i t i o ni sq u i t es u c c e s s f u l h o w e v e r , f o rt h es u b i d l ec o n d i t i o n s ，a sw i t h o u tt h ee n g i n ec o m p o n e n tc h a r a c t e r i s t i c s ， c e n t e r i n ga r o u n de x t e n d i n gt h ec o m p o n e n tm a pf o rl o ws p e e d ，l o wf l o wc o n d i t i o n sa n d s t a r t i n gc o n d i t i o nn u m e r i c a lm o d e l i n g ，w o r ki sc o n t i n u o u s l yb e i n gd o n ea n df a rf r o mo v e r , a f t e rs y n t h e t i c a l l ye x a m i n e ds e v e r a lk i n d so fm e t h o d sf o re x t e n d i n gc o m p o n e n tm a p s i n t ot h el o ws p e e do p e r a t i n gr e g i o nw h i c hc a nb ea v a i l a b l ef r o mt h ep u b l i s h e dl i t e r a t u r e ，a m e t h o dt h a ti sn e w e ra l lo v e rt h ew o r l di su s e d ，w h i c hb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cs i m i l a r i t y l a w sf o rf a na n dp u m pm a c h i n e sa n du s e sa ne x p o n e n ta r i t h m e t i ct oe x t r a p o l a t et h ee n g i n e c o m p o n e n tm a p s ，a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n ds o f t w a r eu s e df o r e x t e n d i n ge n g i n ec o m p o n e n tl o ws p e e dr e g i o nm a p si sd e v e l o p e d t h i sr e s e a r c hr e f e r r e dt ot h eg e n e r a ls i m p l i f i e dc o m p o n e n t l e v e le n g i n es t a r tm o d e l sa n d t h eo n ed i m e n s i o nm o d e l s ，c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r eo ft h ee n g i n ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o n p r o g r a m ，a n dd e v e l o p e da ne n g i n es t a r tm o d e lf o rs i m u l a t i n gt h ee n g i n es t a r t i n gc o n d i t i o n s u s i n gt h i sm o d e la n dt h ee x p a n d e de n g i n ec o m p o n e n tm a p s ，f i n a l l y , a n o t h e rs o f t w a r ei s f i n i s h e dt om o d e l i n ga e r og a st u r b i n e e n g i n es t a r t i n gc o n d i t i o n s t h i s s o f t w a r ea p p l i e s c o n v e n t i o n a lc o m p o n e n tm a t c h i n gp r i n c i p l e st ot h ee n g i n es t a t i n gm o d e l i n g ，s ot h e k e y a t t e n t i o nt ot h ev a r i a t i o no ft o r q u e ，r o t a t i n gs p e e da n dt u r b i n ei n l e tt e m p e r a t u r ed u r i n g s t a r t i n gp r o c e s sc a nb er e v e a l e d i no r d e rt op r o v et h ev a l i d i t yo ft h es o f t w a r ed e v e l o p e db yt h i sr e s e a r c h ，ah o m e m a d e t u r b o f a nt y p ee n g i n ei su s e da st h ee x a m p l ea n di t ss t a r t i n ga n da c c e l e r a t i n gc o n d i t i o nw a s s i m u l a t e d c o m p a r e dt h es i m u l a t e dd a t aw i t ht h et e s t e dd a t a ，ac o n c l u s i o nc a l lb em a d et h a t t h es o f t w a r ei sv a l i da n dh a sc e r t a i np r e c i s i o n ，s oi tc a nb eu s e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：g a st u r b i n ee n g i n e ，s t a r t i n gp r o c e s s ，l o ws p e e dc o m p o n e n tm a p ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i l 西北工业大学硕士学位论文 符号 符号表 意义 面积 定压比热 质量流量率 物理转速 部件最大转速 参考百分比转速 功率 静压 总压 截面进口总压 气体常数 发动机进口环境温度 扭矩 静温 总温 截面进口总温 功 效率 转子机械效率 压比 v 艏a 岛g 城 巩 k 只p 民 k k l l t t w 叩 肌 西i l s - 业大学硕士学位论文 转子径向速度 p | t “ 密度 t t 锄b 比热比 体积流量 主燃烧室空气载荷系数 转动惯量 部件容积 百分比高压转速 p c n c i d 分别为起动机停止转速和慢车转速 高压换算转速 高压压比 高压压气机效率 拜名c ，w f b w g 4 m 或m a f n z c t 4 d t t i m e u 高压涡轮换算流量 高压涡轮换算转速 高压涡轮膨胀比 高压涡轮焓降 分别为压气机进口空气流量和主燃烧室燃油流量 高压涡轮进口燃气流量 飞行马赫数 发动机净推力 压比函数 高压涡轮进口总温 时间步长 起动过程某一时刻 气体内能 v i 者 c c ： c m h 。 占 p p 艏 q q，v一一眦嗽一一一啪一 西北工业大学硕士学位论文 符号下标注释： 符号意义 c o m b 燃烧室 d 设计点 n e w 新扩展线 r e f参考线上的值 c 压气机 t涡轮 i d e a l 理想的 a c t u a l实际的 r 参考点的值 h p c高压压气机 i n 部件进口 o u t部件出口 s t 起动机参数或起动过程参数 e x t 对外输出 v i l 谣北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 航空燃气涡轮发动机的起动过程是指发动机在起动机的带转下，从零转速加 速到慢车转速的过程。这一过程可分为三个阶段：起动机带动发动机高压转子加 速阶段、起动机和涡轮共同带动发动机高压转子加速阶段、发动机脱离起动机独 立加速阶段。发动机起动性能的总体要求是起动时间尽可能地短，加速过程发动 机工况要稳定，起动点火要可靠。所以就要求起动机质量要轻、尺寸要小、可靠 程度高，能产生使发动机迅速起动并进入慢车状态所需要的短时间的大功率。 1 1 开展发动机起动加速过程研究的意义 通过对发动机的起动能力进行预测，对各种可能影响起动的因素进行必要的 计算和预估，最终获得对发动机起动过程的定量认识，能够为发动机设计者与使 用者提供许多有价值的信息。例如，在一个宽广的起动条件范围内加速时所要求 的扭矩，起动所需的时间，并且还能提供压缩系统失速喘振、发动机起动阶段涡 轮超温的迹象等，还可以对发动机可靠起动所需的控制过程进行必要的分析和优 化，提高发动机起动的可靠性。 1 2 国内外对发动机起动研究的状况 目前，对于航空发动机起动过程的研究主要有数值仿真研究和试验研究两个 基本的手段。但是由于单纯的试验研究所需的试验设备及后面的工作往往耗资巨 大，单纯的数值研究不能反映出发动机真实的工作状况，因此，现在多倾向于两 者相结合的手段，即在数值仿真的基础上结合部分试验数据，从而实现对航空发 动机起动加速过程的精确仿真。 发动机起动过程的研究是与其总体性能的数值仿真研究紧密相连的。从历史 发展的角度看，最先出现的是航空燃气涡轮发动机的稳态研宄，然后逐渐在稳态 性能计算程序的基础上添加了过渡态仿真能力，从而获得对发动机加速和减速过 第一章绪论 - ii _ _ l i _ - _ - _ - i _ _ _ - _ l - _ i _ - - _ _ i _ _ - _ i - - - - _ _ - _ - _ - - - _ 程的数值仿真。当慢车转速以上的发动机稳态和过渡态仿真技术逐渐成熟后，又 在此基础上添加了慢车转速以下的起动过程仿真能力，最终获得对发动机起动过 程数值仿真的能力。 1 2 1 国外航空涡轮发动机起动仿真研究状况 国外对航空发动机数值仿真研究是从二十世纪六十年代开始的，在这几十年 里，有很多科研机构从事这方面的研究，而且发展出许多发动机性能仿真工具， 这些都可以从公开发表的文献中查到。这里仅对其中一些最有影响力并具有一定 通用性的研究工作及其发展的仿真工具作以回顾。 二十世纪六十年代末，美国空军航空推进实验室( a f a p l ) 发展出一个名为 s m o t e e 8 j ( s i m u l a t i o no f t u r b o f a ne n g i n e ) 的数字计算机程序，它应用基本的部件匹 配技术模拟涡喷和涡扇发动机稳态性能，而且具有一定的通用性，但是它的仿真 能力仅限于单轴涡喷和双轴涡扇发动机。到了二十世纪七十年代初，美国n a s a l e w i s 研究中心意识到为每一台新发动机专门编制一个仍真程序的费用在急剧增 加，因此，迫切需要开发个通用的仿真工具。该中, t j , f i s h b a c h l h ，和k o e n i g r w 在s m o t e 程序基础上加以扩展和改进，使发动机的类型扩展到单轴和双轴涡喷发 动机以及双轴和三轴涡扇发动机，这就是g e n e n g 6 和后来的g e n e n g i i1 7 程序。 尤其是g e n e n g i i ，它提供了九种发动机类型六个工作模式的仿真能力来限定发 动机模型。动态通用发动机性能程序d y g e n g 【5 1 ( t h ed y n a m i cg e n e r a l i z e de n g i n e p r o g r a m ) 保留了g e n e n g 和g e n e n g i i 对所能处理的所有类型发动机稳态性能的 仿真能力和精度，并在此基础上添加了动态仿真能力。同一时期，美国海军发动 机性能程序n e p c o m p t g 把稳态仿真能力扩展到了任意发动机类型。这一时期，美 国n a s al e w i s 研究中心因参与s c a r 计划( s u p e r s o n i cc r d s ea i r p l a n er e s e a r c h ) ， 与美国海军航空发展中心展开合作，在n e p c o m p 程序基础上添加优化技术和处理 变几何部件的能力，发展成n n e p o o 程序( t h e n a v y ，n a s a e n g i n e p r o g r a m ) 。 后来又发展出一系列n n e p 程序的改进版本，如n n e p e q t 】( 考虑化学反应平衡版 本的n n e p 程序) ，n n e p 8 9 2 】( 能够处理复杂化学组分的n n e p 程序) 。目前， 在n c p 计划( n a t i o n a lc y c l ep r o g r a m ) 支持下，美国n a s a 正致力于数值推进系统 仿真平台n p s s f l 3 i ( n u m e r i c a lp r o p u l s i o ns y s t e ms i m u l a t i o n ) 的研究，其目标是在 西北工业大学硕士学位论文 减少开发新的推力系统所需的时间和资金的基础上，进一步提商可靠度，它将是 一个集成多学科技术的庞大系统。 另外一个有影响力的研究机构是美国的克兰菲尔德技术太学，二十世纪七十 年代中期，该校m a c m i l l a n 发展出t t u r b o m a t c h ”】程序。二十世纪八十年代中 期，该校p a l m e r j r 教授和严成忠发展出t t u r b o t r a n s ”j ，t u r b o t r a n s 程序 具有完全通用的特点，它能够计算任意类型燃气涡轮发动机的动态性能，而且还 增加了有限数量的发动机控制逻辑仿真。 此外，美国空军a m o l d i 程发展中心的m c h a p p e l l 长期致力于航空涡轮发动机 数值仿真研究领域，该研究小组推出的a t e s t 埘程序已经发展到3 o 版。 到二十世纪八十年代，已经出现了航空燃气涡轮发动机数值仿真的专用商业 软件，其中比较著名的有g s p 1 6 1 、g a s t u r b 1 7 】等。 但是，由于各种条件的限制，到八十年代末期，发动机动态过程的数字仿真 仍然只限于发动机慢车转速以上工况的动态过程。针对包括起动过程的航空燃气 涡轮发动机的数字模拟研究是从二十世纪八十年代开始的，由于模拟技术水平的 限制，发动机起动过程的研究工作都是采用简化部件水平的发动机起动模型，这 些简化基于慢车转速以下稳态工作线与加速线之问存在的关系，避免了对具体部 件特性图的要求。慢车转速以下稳态工作线与加速线之间的关系使得起动过程研 究容易实现，但却存在不能精确模拟发动机慢车以上过渡态工况的问题。尽管如 此，发动机简化起动模型的成功发展和使用，充分证明了将常规部件匹配原理应 用到发动机起动过程是切实可行的。 在航空涡轮发动机起动研究领域，具有代表性的研究工作有加拿大p w 公司 r k a g r a w a l 和m y u n i s 于1 9 8 2 年提出的通用特性法1 2 】和美国空军a m o l d i 程发展 中心m c h a p p e l l 等人于1 9 9 1 年发展的燃气涡轮发动机从起动到停车连续工况模拟 的软件a t e s tv 3 0 版p j ，以及2 0 0 1 年美国维吉尼亚工业大学w a y n er a n d o l p h s e x t o n 博士【l 】的工作。通用特性法是在从大量不同类型燃气涡轮发动机试验数据 归纳出来的稳态特性基础上，用经验曲线加以修正，得到起动工况的动态特性， 然后用流量平衡方程来匹配压气机和涡轮的工作点。这种方法具有很大的通用性， 但是不同发动机的特性差异还是比较显著，故仿真耩度较差。a t e s tv 3 o 利用扩 展的部件特性，把常规的部件匹配原理应用到涡轮发动机起动过程，能够模拟任 意类型发动机从起动到停车的连续工况。不仅如此，它还兼有模拟发动机风车起 第一章绪论 - i - - _ i _ _ _ _ _ _ _ l _ _ i _ _ _ _ _ i _ - _ i _ _ _ - _ _ _ - _ i o _ _ 。_ - l _ i _ - _ _ - _ 动的能力。a t e s tv 3 0 的仿真结果同实验数据经过对比，证明其具有相当高的仿 真精度。w a y n er a n d o l p hs e x t o n 的工作主要集中在发动机起动过程的控制研究， 但他的工作中所采用的发动机部件特性扩展方法很有新意。他采用m u n s o n 的泵类 机械低转速特性相似理论扩展发动机部件特性的方法从理论上讲更有依据。 综上所述，国外对涡轮发动机起动研究已经相当成熟，而且推出了专门的商 业软件，已经走上技术产业化的道路。 1 2 2 我国航空涡轮发动机起动仿真研究状况 我国从八十年代起，先后开展了多种型号航空燃气涡轮发动机引进和国产化 工作，开展了推重比为8 和推熏比为1 0 的航空发动机预研和型号研制工作，而且 联合行业的研究力量进行了进气道发动机相容性、飞机发动机一体化技术等研究 工作，进行了一定规模的航空燃气涡轮发动机气动热力学关键技术的攻关研究， 取得了一定的成果。 但长期以来，由于国内技术水平的限制，国内航空发动机的研究工作重点一 直是放在发动机关键部件的气动设计技术等方面，在发动机总体设计技术、发动 机动态性能分析等方面投入的经费和研究力量很有限，特别是在发动机起动性能 研究方面投入的力量很小，从而造成在发动机总体设计方面技术发展滞后。目前， 国内在发动机起动性能方面的研究工作大多采用零维模型，即通用特性计算方法， 或者是在引进国外发动机时带进的一些专用发动机总体性能程序。而在发动机起 动过程一维数字模拟( m c h a p p e l l 定义，见a i a a 9 1 2 3 7 3 ) 研究方面，最近几年， 我国的一些研究人员跟踪国外技术发展，只是进行了一些初步的概念性研究工作， 但尚未开展发动机通用一维动态模型的系统研究与试验验证。在涡轮发动机起动 研究方面，国内做出过有影响力的工作的研究机构有西北工业大学动力与能源学 院，该院从二十世纪九十年代以来一直有人从事涡轮发动机总体性能模拟及起动 过程研究。主要的研究工作有二十世纪九十年代末基于通用部件特性对涡轮发动 机起动控制规律的研究f 4 5 】，以及在通用特性基础上，用低压转子跟随性统计数据 代替通用模型中用经验系数修正核心机进口总温总压，对涡扇发动机炮式起动进 行的研究【4 6 】，还有基于管道流动损失理论、压气机特性相似性理论和工作点匹配 性等，参照经典的费德诺夫、聂加耶夫等计算方法将部件特性扩展到零转速的范 4 西北工业大学硕士学位论文 围，并且在起动过程中引进了燃烧稳定性的考虑，能够模拟发动机从零转速到最 大转速连续工况的起动研究【4 7 】，都取得了比较好的仿真精度。此外，空军工程大 学工程学院的江涛、李应红采用动态径向基( r b f ) 神经网络的方法【4 1 ，建立了 航空发动机起动过程动态模型，仿真结果表明，利用该方法建立的发动机模型具 有动态性好、精度高的优点，开辟了发动机中小转速建模的新途径，但是这种方 法不涉及到发动机起动工况中各部件之间的循环匹配，因而绕开了对发动机起动 过程中最为关切的压气机稳定性和涡轮前温度超温迹象的判断，所以工程实用价 值不高。 总之，我国对于航空涡轮发动机起动过程一维数字模拟研究尚处于探索阶段， 离世界先进技术水平还有一段路程要走。 1 3 本文工作简介 本论文基于以上研究背景，在航空涡轮发动机各主要部件低转速部件特性的 扩展、起动过程数值模型的建立和慢车转速以下发动机起动工况的性能模拟方面 开展了研究工作。同时对影响发动机起动的因素进行了分析，希望能够为航空涡 轮发动机起动工况的控制设计提供有价值的信息。 本文参照风机和泵类枫械低转速部件特性相似理论，结合指数外插法这个数 学工具，成功地发展了航空涡轮发动机低转速部件特性扩展方法和软件。其中包 括风扇、压气机、高低压涡轮部件低转速特性的扩展方法和软件，最后，在前面 工作的基础上完成了航空涡轮发动机起动工况仿真软件的编制和验证。 本文参考某型国产涡扇发动机的性能数据，利用所发展的起动工况仿真软件 进行了模拟计算，获得起动过程发动机的共同工作线、高压轴转速、扭矩以及涡 轮前温度变化等起动过程中最为关注的信息，最后同试验数据进行了对比，结果 表明，本文所发展的航空燃气涡轮发动机起动工况仿真软件具有比较好的仿真精 度和一定的工程实用价值。 本论文包括五个章节。第一章“绪论”，主要介绍了开展本论文研究的意义以 及国内外发动机起动仿真研究的发展状况。 第二章“航空燃气涡轮发动机起动过程介绍”，主要介绍航空涡轮发动机的起 动过程和原理。 第一事绪论 第三章“慢车转速以下低转速部件特性的扩展”，介绍本文开展起动仿真研究 的一个重要基础一发动机低转速部件特性扩展方法。 第四章“航空涡轮发动机起动工况模拟的数学模型”，主要介绍起动仿真的零 维模型和一维模型。 第五章“仿真软件的验证和计算结果分析”，用第三章描述的方法，扩展了某 型国产涡扇发动机各主要部件的低转速特性，用气动热力学和转子动力学原理循 环匹配各主要部件，实现发动机起动工况的仿真，最后用所发展的仿真软件对该 型涡扇发动机起动过程进行模拟，并将模拟结果同发动机试车数据进行了对比。 第六章“总结与展望”，是对本论文工作的总结。 6 西北工业大学硕士学位论文 第二章航空燃气涡轮发动机起动过程介绍 绪论中已经提到，航空燃气涡轮发动机起动过程包括三个阶段。本章将从起 动过程数值模拟的需要出发，围绕起动过程每个阶段的特征和彼此间的过渡详细 介绍。 2 1 航空涡轮发动机起动过程 实际的航空燃气涡轮发动机起动过程包括下面几个阶段或状态点： ( 1 ) 起动机带转发动机高压转子( d r yc r a n k i n g ) 这一阶段是从起动机功率输出轴通过联轴器带转发动机高压转子时起，到主 燃烧室点火之前的加速过程。高压转子的加速是由于起动机产生的扭矩大于压气 机所需要的扭矩而产生的。在这个阶段中，高压轴在起动机带转下从零转速开始 加速，高压压气机出口总压总温逐渐升高，为主燃烧室点火创造条件。同时也是 清除发动机气流流通路径上残留的余油的过程，因为发动机上次丌车( 尤其上次 起动失败) 以后会在气流流通路径上留下未燃烧的油，通过加速过程气流的冷吹， 把余油吹到空气中去，避免了残留的余油在主燃烧室点火时同时被点燃，使发动 机受损。 ( 2 ) 点火( l i g h to f f ) 高压转子加速到规定的点火转速n ，后，主燃烧室进口总压、总温达到点火条 件，发动机控制系统及时点火。点火是第一阶段与第二阶段的分界点，点火后涡 轮开始做功。 ( 3 ) 起动机和涡轮共同加速阶段( a c c e l e r a t i o n ) 在这个阶段，高压转子在高压涡轮和起动机共同带 毒下，依靠起动机和涡轮 的总扭矩在扣除掉高压压气机、低压转子、附件等吸收的扭矩之后的剩余扭矩加 t 速。涡轮功率逐渐增大，但在这个阶段开始时还是比压气机所消耗的功率小。由 于主燃油流量持续增加，高压涡轮前温度也持续升高，所以涡轮功率继续增大， 第二章航空燃气涡轮发动机起动过程介绍 i _ l i _ - - - _ - _ _ _ _ _ _ l _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - i _ l _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ - i _ _ - l _ - _ i - _ _ _ i 高压转速也不断增加，到某一转速n 。时涡轮功率与压气机功率相等，理论上此时 发动机可以脱离起动机单独工作，但是为了起动的可靠起见，起动机一直带转到 比n 。转速高一点的1 2 ：转速才脱开( 如图2 - 1 示) 。 ( 4 ) 起动机脱开( s t a r t e rc u t ) 高压转子加速到n ，转速后，涡轮产生的功率已经明显大于压气机所消耗的功 率，在控制系统作用下起动机脱开与发动机高压轴的联接。起动机切断是第二阶 段与第三阶段的分界点。起动机切断后，由于主燃烧室供油还在增加，所以高压 转速仍将继续保持加速。 ( 5 ) 高压轴加速到慢车转速( a c c e l e r a t i o nt oi d l e ) 由于第二阶段为了发动机快速起动起来，主燃油流量持续增大，造成发动机 工作线向喘振边界逼近，高压转子喘振裕度减小，为了减小发动机进入喘振状态 的危险，主燃浊流量适时降低一些，使发动机工作点远离喘振边界，同时高压转 子加速到慢车状态。起动过程发动机共同工作线示意图如图2 2 和图2 - 3 所示。 m t 。痧? 一j 澎 ， 八 乎 2 薹 五以e q 皇 o 一一 n 胁 0 n l i m m il il 图2 - 1 典型的起动曲线 8 西北工业大学硕士学位论文 p r e s r t i p r e s s r t 1 0 图2 2 典型的压气机部件起动过程动态工作线 图2 3 典型的风扇部件起动过程动态工作线 9 第二章航空燃气涡轮发动机起动过程介绍 2 。2 起动过程控制方程 前面介绍了航空涡轮发动机起动过程，按照上面对起动过程三个阶段的划分， 发动机起动模型也按不同阶段划分为三个部分。 第1 阶段：高压转子由起动机带动，燃烧室中尚未供油燃烧，高压转子的加 速是由于起动机产生的功率大于压气机所需要的功率而产生的，控制方程为： ( 舟n 面d n = n 。i - 防， 式中n 。为起动机的功率，n 。为高压压气机的功率，r ：与高压压气机的机械 效率，j 为高压转予转动惯量。当转速达到点火转速1 1 时在燃烧室中喷入燃油并 点燃，涡轮发出功率，进入下阶段。 第1 1 阶段：发动机转子由起动机和涡轮带动，涡轮前燃气温度为最大允许值， 涡轮功率迅速增大。这时，发动机转予的加速是由于起动机和涡轮产生的功率之 和大于压气机所需要的功率而产生的，控制方程为： 2 ，n i d n = n 。, + n t - - n z ， l 3 0 j d t呀m 当转子加速到最小平衡转速n 。，涡轮产生的功率等于压气机所需要的功率， 这时理论上起动机可以停止工作。但是为了缩短起动时间，并增加起动的可靠性， 一般起动机要辅助加速到n ：= ( 1 5 2 0 ) n 。为缩短时间，起动机的功率和燃烧室 的点火时间必须同时综合考虑。 第1 i i 阶段：起动机已经断开，发动机转子的加速仅由于涡轮产生的功率大于 压气机所需要的功率而产生，控制方程为： 2 j n 塑= n t _ n d t x r m ( 2 _ 3 ) l 3 0 上述三个阶段的起动程序是由相应的控制装置来完成的，该控制装置能保证 依从传感器的信号或依从时间将起动阶段由一种阶段过渡到罗一种阶段。 1 0 西北工业大学硬士学位论文 2 3 航空涡轮发动机起动过程各种因素的影响 航空涡轮发动机起动过程是一个复杂的过程，影响因素比较多。起动机功率 及其随时间的变化特性、高压转子和起动机转子的转动惯量、发动机附件吸收的 功率、发动机部件自身的特性、点火转速、起动机切断转速、慢车转速、起动供 油规律以及部件的容积等都会或多或少地影响发动机的起动性能，限于篇幅，这 里只作简单介绍，具体的分析可参考文献1 3 0 l 。 首先讨论起动机因素。数值仿真和试验研究均表明，增大起动机功率可以有 效地缩短起动所需要的时间，尤其可以大大缩短主燃烧室点火之前的起动机带转 时间。但是起动机功率的增大是以重量的迅速增加为代价的，- 而且起动机带转时 间一般不大于整个起动时间的一半，所以并不是起动机功率越大越好。起动机的 特性是指起动机的功率或扭矩随时间或转速变化的规律，显然，起动机在其工作 时间能保持比较高的功率，则有助于缩短起动时涮。 转动惯量也能在较大程度上影响发动机的起动性能。实践和理论计算表明， 转动惯量只影响起动的时间，再没有其它影响。在起动机未断_ 丌之前，总转动惯 量是高压转子和起动机转子转动惯量之和，起动机断开之后，总转动惯量就是高 压转子的转动惯量。总转动惯量越大，则起动时间越长，反之越短。 发动机附件在发动机工作时通过齿轮轴从高压转子上吸收功率，以驱动发动 机控制和调节系统。相对于起动机发出的功率，附件吸收的均率只是很小的一部 分，所以对发动机起动性能影响也不是很大。 发动机部件自身的特性反映在发动机在起动过程中各部件的效率上。起动过 程中，压缩部件和涡轮部件的效率都比较低，总压损失相对比较大，主燃烧室在 点火之后也由于其进口气流总压、总温比较低而使得燃烧效率大大降低。因此， 在起动过程，虽然发动机各部件大多处在低效率的工作环境中，但是若能在发动 机设计时兼顾到发动机低转速时的性能，使各部件效率不致太低，也能在一定程 度上提高发动机起动性能。 点火转速和起动机断开转速的选取对于发动机起动性能也是很关键的。主燃 烧室必须在其进口气流满足点火条件时适时点火，又必须保证点火的可靠性。起 动机断开转速既要能确保起动机断开后主发动机能够正常工作，又要尽可能早地 第二章航空燃气涡轮发动机起动过程介绍 断开。可见，点火转速和起动机断开转速的选取都存在一个景佳值。 慢车转速是发动机能够维持其正常工作的最低转速。若发动机转速低于慢车 转速，发动机就不大可能建立起持续稳定的工作状态。慢车转速一般是在发动机 设计时确定的，一旦发动机制造出来，其值就是一个常数。发动机的地面起动就 是要在地面状态下把发动机的转速从零转速加速到慢车转速。对大多数航空燃气 涡轮发动机而言，慢车转速大约在发动机最大转速的5 0 至6 0 之间。 发动机起动过程的供油规律能够在很大程度上影响发动机的起动性能。一般 的主燃烧室起动过程供油流量是随高压转速的变化而变化的。供油量的变化能够 影响发动机工作线的走向。在某一转速时，供油太多会使发动机进入不稳定燃烧 区，从而引起主燃烧室熄火或者发动机进入喘振状态，而供油太少又不足以发掘 发动机的起动能力，甚至有可能进入“热悬挂状态”( 指发动机处于低效率工作状 态，燃油流量在增加，但转速却增加缓慢) ，导致发动机遇动失败。 发动机部件容积影响是指发动机处于过渡态工况时会由于气流的可压缩性而 储存气流。部件容积效应对发动机工况的变化非常微小，可以不考虑，但是为了 精确模拟发动机起动过程的性能，又必须考虑部件容积的影响。 1 2 西：l t t 业大学硕士学位论文 第三章慢车转速以下低转速部件特性的扩展 3 1 引言 获得发动机各部件全工况范围的特性数据，对于燃气涡轮发动机起动和低转 速时的发动机性能模拟是至关重要的。但是，大多数的燃气涡轮发动机部件特性 没有给出慢车转速以下的部分。 为了实现燃气涡轮发动机低转速部件特性的补充，本文基于风机和泵类机械 低转速特性的相似理论，采用指数外插的方法，成功地扩展了低转速低流量区的 部件特性。本章将对这种补充涡轮发动机慢车转速以下部件特性的方法作以介绍。 3 2 扩展低转速区涡轮发动机部件特性的外插法 3 2 1 发展外插法的背景 外推发动机低转速工作范围的部件特性，主要基于工程师的经验。工程师不 得不调整大量因素，直到低转速低流量区的发动机部件特性看上去非常相像，但 是这样做就留下很大空间来解释什么是“非常相像”。长期以来，几乎没有人投入 到发动机低转速工作状况的研究，所以几乎没有这一领域的信息至少在公开发 表的文献中没有关于发动机或它的部件处在低转速工况时的信息。在发动机部件 特性外插法中必须考虑的点就是整个机器的物理过程。即使当使用工程性的判 断方法来决定究竟怎样看上去最好或者“非常相像”的时候，也必须首先考虑物 理原理。最重要的是，所使用的判断方法不能违反熟力学第一和第二定律。 在本研究中，作者曾检验了几种可供使用的扩展低转速部件特性的方法，最 终采用的方法就是这些检验过的方法的综合和改进。a g a r w a la n dy u n i s 的通用部 件特性，是运用相似理论，根据一个高转速的参考工作点和经验系数就可以推算 出一个低转速区的工作点。使用这个经验系数和相似理论，每一条转速线都可以 被延长或扩展来预测低转速工作区的发动机特性。只要给定每一条转速线和发动 1 3 第三章慢车转速以下低转速部件特性的扩展 机整个工况的恰当信息，这个方法使用起来很好。然而，每一条转速线上的经验 系数是变化的，而且经验系数值的选取很随意，没有基于物理规律。另一个方法， 就是在风扇和压气机已有的部件特性上加一条零转速零流量和适当效率( 一般取 已有的最低转速线上的效率) 的转速线，在涡轮部件已有的部件特性上加上一条 _ 零流量零烩降的等流量线，同时在每一条等流量线上加一个零转速的点，这样涡 轮、风扇和压气机部件的特性就扩展到了零转速零流量的范围，然而这种方法很 随意，用直线代替了实际过程的曲线，而且效率的取值就更加没有理论依掘。此 外还有相似椭圆法及俄罗额聂加耶夫和费多洛夫法。前者缺少理论依据，完全基 于数学的方法，后者在国内已经有很多人用过，且操作起来比较复杂。 本研究所采用的扩展发动机低转速区部件特性的方法使用了基本的相似理 论。通常被称为泵类机械低转速区特性相似理论1 4 j ，在美国o f i l e y s o n s 公司 m u n s o n ，b r 所著的f u n d a m e n t a l so f f l u i dm e c h a n i c s 一书中有详细介绍。相似理论 把相似的工作特性函数作为转速比的n 次方的函数，指数n 的值与所描述的特性 有关，这些相似方程最有用的部分是： 鱼：f 旦 r i a 2i n2j ( 3 1 ) 熹= f 甜 z ， w 2l n zj 堕p w r 2 = ( 封 ， l n2j 这些物理规律是为不可压缩流体流动的部件发展的，比如在一个水泵里面， 或当压力升高足够小以至于流体的压缩性可以忽略的部件里面，鼓风机部件就是 这样的。不可压流体机械的特性相似理论有两条准则来判断是否是相似工作点。 第一条是相似工作点的效率相等；第二条也是很有用的一条就是相似工作点的速 度三角形自身相似。在燃气涡轮的风扇、压气机和涡轮部件中，不满足相似理论 所要求的不可压流体假设。空气，作为燃气涡轮的主要工作流体，是一种高度可 压的流体，而且发动机各部件工作在高压比和高转速的条件下，因此，流体压缩 性影响不可以忽略。 本研究所采用的部件特性外插法使用一种类似于相似理j 的指数关系。这个 方法不同于本文考虑的其它方法之处在于它所使用的相似理论的指数可以计算出 1 4 西北工业大学硬士学位论文 来。本研究采用的方法为每一个相似方程找出一个新的指数姒引入对流体可压缩 性影响的考虑，在外插相对低的转速、流量时这些指数保持固定值不变。指数值 的计算是通过已知的热力学关系，流体力学和可压缩流的关系计算出来的。这个 方法很容易使用，因为对于每一条新转速线，计算出来的指数被假设是不变的。 3 2 2 风扇和压气机部件特性的扩展 风扇部件特性的扩展和压气机部件特性的扩展方法是一样的，故这里仅以压 气机为例介绍。根据泵特性相似理论，风扇和压气机特性补充的外插法需要先选 定一个参考点。这里选定的参考转速线是特性图上最低的百分比参考转速线，因 为最低转速线和其它更低的转速线最为相似。这里的百分比参考转速定义为： n 洲”m = 芒 a ， 万 首先，用压气机功方程( 3 - 5 ) 计算出沿着参考转速线的理想功参数。 k ：( p r r e ，) 等一1 (35)tc p 1 m 、耻r ， 则沿着参考转速线上的实际功参数可由压气机百分比参考转速线上各点的效率计 算出来，如方程( 3 6 ) 示。 鳖：f 鳖1 上( 3 - 6 ) c p cc ，r c ， 用功率相似方程外插新的百分比参考转速线上各点的实际功参数，如方程( 3 - 7 ) 所示。 鼍f = ( 等c ) ( 畿：) 2 ， c p klp k 八n m d 。 用方程( 3 - 8 ) 计算新的外插转速线上的压比。 = ( + 静 商 b s ， 研究发现，流量相似方程中的指数使用不可压流动时的指数r 等于1 ) 外插低转速 区风扇和压气机参考流量，也会取得比较好的结果。新的百分比参考转速线上的 第三章慢车转速以下低转速部件特性的扩展 参考流量用方程( 3 - 9 ) 计算。 f 血拓1 11 烈：f 型婴业 ( 3 - 9 ) r 血万1l n r f 。，j 。4 i j j r e ， 根据外插的压比和参考流量，风扇和压气机的新的压比特性图就被发展出来。 风扇和压气机特性图用方框符号表示原来已有的特性线，用箭头符号表示外插的 新特性线。图3 - 1 是风扇压比特性图。图3 - 3 给出了高压压气机压比特性图。高压 压气机和风扇的部件特性图在整体布局上是相似的：都是给出了不同等百分比参 考转速下参考流量作为压比的函数的关系曲线。 使用压气机流量和功的相似方程，就运用了相似理论中相似效率相等的判断 标准。总体上说，风扇和压气机的效率随着转速的降低而降低。为了考虑这个模 型中部件效率的变化，而不改动参考流量和压比的特性关系，扭矩相似方程中的 指数就要变化。下一步就要计算沿着压缩部件参考转速的换算扭矩。参考转速线 上的物理转速( 单位是r p m ) 用方程( 3 - 1 0 ) 计算 n n r = n ”u r + 了n 霞m 颡a x 拓 ( 。一，。) 、” 参考转速线上的质量流量由方程( 3 - 1 1 ) 计算得到 一0 ( 乩 净 为了计算沿参考转速线的扭矩，沿参考转速线的功率必须要计算出来，沿参考转 速线各点压气机的功率可以由压气机压比、质量流量和压缩效率根据方程( 3 - 1 2 ) 计算得到。 p = f i a n f c r , ( _ l r c r z rm 钆) l 沿参考转速线各点的换算扭矩可以用方程( 3 - 1 3 ) 计算得到。 ! 虹：6 0 * p w r 呵 ( 3 - 1 3 ) 占 2 2 8 + n “f 当沿着参考转速线各点的换算扭矩已经得到，功率相似方程被简化以便找出 扭矩相似方程。研究发现，扭矩相似方程的转速比的指数是2 ，如果使用这个指数， 1 6 西北工业大学硕士学位论文 新转速线上相似点的效率就与参考转速上相似点的效率保持相等。然而，为了反 映压缩效率随转速降低而降低的物理规律，本研究通过改变扭矩相似方程( 方程 3 - 1 4 ) 中的指数r l ，实现了不同外插转速线上效率的差异。 单；辈f 警 ”( 这里槐1 7 5 ) ( 3 - 1 4 ) 6 占 l n r f r d r e fj 风扇和压气机效率用方程 u 击 石 盅 z 罡 f a ni n l e tc o r r e c t e dm a s sf l o w 图3 2 扩展后的风扇部件效率特性图 c o m p r e s s o ri n l e tc o r r e c t e dm a s sf l o w 图3 3 扩展后的压气机部件压比特性图 1 8 o一卜q叱山芷3叱l zo山卫l量ou 西北工业大学硕士学位论文 图3 4 扩展后的压气机部件效率特性图 3 2 3 高低压涡轮部件特性的扩展 本研究采用的扩展涡轮部件低转速特性的方法，是通过在零转速和慢车转速 之间选取一系列百分比参考转速值来外插新的特性线。因此，需要找一个数学方 法根据已有的慢车转速以上的部件特性外插低转速区部件特性。这个新的外插法， 叫做指数外插法，是个两步走的方法。第一步需要找相似工作点以考虑流体的可 压缩性对最低的两条已知转速线的影响，获得相似方程的指数；第二步根据考虑 压缩性影响修正后的相似方程，选取一条参考转速线和一条颏的低转速线，在新 的低转速线上寻找参考转速线上每一个点的相似工作点，从而得到新的低转速线 上的涡轮特性值。 通常选取一个固定的百分比转速线作为参考转速线，所有的低转速特性都要 根据它来外插。选择特性图上合适的转速线作为参考转速线对于指数计算是很重 要的。这个方法中的部件特性图是以等百分比转速线表示的，外插的转速线走向 顺着参考转速线的