渦扇發動機部件特性擴展在起動模擬中的應用研究

宋興超 齊曉雪

摘要：分析指出了傳統的壓氣機和渦輪特性描述方法在部件特性擴展方面存在的問題并對其進行了改進，補充和擴展了渦扇發動機低轉速部件特性并將其應用到渦扇發動機起動過程數學模型中，計算結果較好得模擬了發動機的起動過程。

關鍵詞：壓氣機；渦輪；部件特性擴展

1 引言

1.1 渦扇發動機起動過程是一個十分復雜的氣動熱力學過程，它涉及到轉子動力學、燃燒學、氣動熱力學、傳熱學等多門學科。起動過程中各轉動部件（風扇或壓氣機、低壓壓氣機、高壓渦輪、低壓渦輪）主要集中在小轉速范圍內工作，數值模擬發動機起動過程的方法，都必須依賴低轉速的部件特性，而渦扇發動機轉動部件在低轉速區域，其流場的氣流速度和攻角變化范圍都遠遠超出設計狀態，且其工作特性受外界隨機因素的影響較大，數值計算和部件試驗都很難獲得準確的低轉速部件特性。因此必須采用可靠有效的計算方法去補充和擴展轉動部件慢車轉速以下的部件特性。

2 發動機部件特性擴展

2.1 經過大量的調研和嘗試，選擇了采用等β線外推的方法，對其加以改進，事先定義好0轉速線對應的特性線，并將原始的效率特性轉換為溫比特性。本文以風扇外涵特性和高壓渦輪特性外推為例，具體介紹所采用的等β線外推法。

2.2 流量-壓比特性外推

2.2.1 壓氣機流量-壓比特性外推

2.3 外推的方法是將壓比和流量沿著等β線的延長線上外推出慢車以下缺失的數據，并確保β值為1的特性線上的終點與（0，1）重合，即0轉速線起始于點（0，1）。外推出的等轉速線不宜過多，否則不利于后期調整修正。外推前后的特性如圖1所示，可以看出，外推出的等轉速線是比較平滑的。

2.3.1 渦輪壓比-流量特性外推

為了便于外推以及模型的特性插值計算，需重新繪制等β線，并按與轉速的n次方成線性的關系給出壓比為1時對應的換算流量，它的作用是將外推變為了內插，提高了外推的準確性。

再按照等β線外推的方法，將每條等β線上的壓比以與轉速的n次方成線性的關系外插至0轉速處的流量，且確保0轉速對應的壓比-流量線起始于圖中的（1，0）點。外推出的結果如圖2所示，圖中綠色部分為原始特性經過重新繪制β線后的特性，紅色部分為根據綠色線部分外推出的特性，然后將β值重新定義為從左往右由0到1均勻間隔的向量，即圖中的藍色線。

3.發動機起動過程模擬

通過傳統的部件級建模方法結合等β線特性外推法實現了起動模型的建立。模型以盡可能提高其保真度的原則，考慮了發動機各部件之間的容腔效應，能夠模擬地面起動過程，模擬結果如圖6所示。

4.結論

本文補充和擴展了渦扇發動機低轉速部件特性，建立了渦扇發動機部件級起動模型，可模擬地面狀態下發動機從轉速為0的初始狀態加速至慢車的整個起動過程，全程采用部件特性計算，可計算起動全程發動機各個截面的熱力學參數。仿真結果表明，該模型具有良好的精度。

參考文獻

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（作者單位：中國航發沈陽發動機研究所）