CN103389212A - 一种带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法，包括以下步骤:(1)将起动机输出最大功率的状态点作为评价点;(2)提出换算功率的物理含义；换算排气温度和燃气发生器转速的物理含义；(3)通过高空模拟试验，分别得出大气压力、进气温度对起动机功率的影响，进而得出功率的换算公式;通过高空模拟试验，分别得出大气温度、功率对起动机排气温度、燃气发生器转速的影响，进而得出排气温度和燃气发生器转速的换算公式;(4)依据得出的排气温度和燃气发生器转速的换算公式，在相同条件、相同输出功率的条件下判断不同台份起动机对要求的符合型，并可对比判定不同台份燃气涡轮起动机的优劣。

Description

一种带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法

技术领域

本发明涉及航空发动机测试技术领域，特别地，涉及一种带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法。

背景技术

目前，现有技术的主要缺点是不符合带自由涡轮的燃气涡轮起动机工作特点，不能直接用来评判起动机的台架性能。原因有以下几条:

(1)现有技术的涡轴发动机典型性能换算公式:

$\stackrel{\‾}{N}=N\×\frac{101325}{\mathrm{Pamb}}\×\sqrt{\frac{288.15}{(273.15+\mathrm{Tamb})}}---\left(\mathrm{kW}\right)$

${\stackrel{\‾}{n}}_g=\mathrm{ng}\×\sqrt{\frac{288.15}{(273.15+\mathrm{Tamb})}}---(r/\min )$

上述三个公式的物理意义可以描述为:通过上述公式得出发动机在海平面、静止、标准大气条件下，发动机的物理转速为

时所发出的功率和排气温度。

上述公式的成立还有一个前提就是发动机的动力涡轮转速保持恒定，燃气发生器转速则随着状态的不同而变化。但燃气起动机往往采用最大供油量或最大燃气发生器转速控制规律，自身起动成功后燃气发生器转速便工作在控制规律限定的最大转速条件下，而自由涡轮转速则是从零到脱开转速，一直处于变化的动态过程中；

(2)现有技术代表的涡轴发动机进行性能分析时，由于有不同的工作状态(对应不同燃气发生器转速)，一次试车就可以利用相似原理求出多组换算参数，并针对换算参数分别绘制出功率、排气温度、燃油流量等换算参数与换算燃气发生器转速有关的曲线，然后用该曲线与指标或其他发动机的对应曲线进行对比，以此来判定符合性或优劣。而燃气涡轮起动机由于工作时间短、状态单一，每次的数据处理只能得到一个点，而不是一条性能曲线，不能进行对比。

(3)对于燃气涡轮起动机来说，想重新建立适应于自身工作特点的一套分析方法，并将该方法的物理意义描述为:通过该分析方法得出起动机在海平面、静止、标准大气、现有控制规律条件下，起动机所能输出的最大功率，以及起动机在该前提下，输出额定功率时所对应的燃气发生器转速和排气温度。

因此，研制一种带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法，以解决自由涡轮转速则是从零到脱开转速，一直处于变化的动态过程中；不同试验条件下对应的转速不一致，不能进行对比等的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架的性能分析方法，包括以下步骤:(1)确定性能评价点，将起动机输出最大功率的状态点作为评价点;(2)确定性能分析思路，提出换算功率的物理含义是指起动机在海平面、标准天、现有控制规律条件下输出的功率；换算排气温度和燃气发生器转速的物理含义是指海平面、标准天、起动机发出额定功率时所对应的排气温度和燃气发生器转速;(3)制定性能分析的方法，通过高空模拟试验，分别得出大气压力、进气温度对起动机功率的影响，进而得出功率的换算公式;通过高空模拟试验，分别得出人气温度、功率对起动机排气温度、燃气发生器转速的影响，进而得出排气温度和燃气发生器转速的换算公式;(4)依据得出的排气温度和燃气发生器转速的换算公式，在相同条件、相同输出功率的条件下判断不同台份燃气涡轮起动机对要求的符合型，并可对比判定不同台份燃气涡轮起动机的优劣。

发动机研制过程中需要进行大量的整机试验，主要包括地面试验、高空模拟试验和飞行试验。其中，地面试验只能获得发动机在地面条件下的工作特性;飞行试验则存在安全性差、测试参数有限、不能充分获取发动机工作特性、对气象条件依赖性强、试验周期长、支持费用高等缺点。高空模拟试验则可以弥补上述两类试验的缺陷。高空模拟试验是将发动机置于一地面密封舱内进行试验，采用一系列技术手段在舱内制造出各种温度、高度的人气条件，并由此获得发动机的空中工作性能。本方案中，通过高空模拟试验分别获得不同大气压力、温度对起动机参数的影响，然后根据分析的思路，归纳整理出相关参数之间的关系。

进一步地，步骤(1)中的确定性能评价点步骤为:以起动机输出最大功率对应的自由涡轮转速作为性能评定时的转速，在试验过程中，借助测功器的等转速控制功能控制起动机的自由涡轮转速保持在该转速不变，并以此时的性能参数来进行评定和比较。

进一步地，步骤(2)中的确定性能分析思路步骤包括:针对起动机一启动成功便工作在最大状态，受到最大供油量或最大转速控制规律的限制的这种工作特点，对功率换算思路进行调整，目的是通过换算公式，直接求出起动机在海平面、标准天、等燃油流量或等转速条件下所对应的功率。

进一步地，起动机转速和排气温度的换算思路也作相应调整，目的是通过换算公式，直接求出起动机在海平面、标准天和输出指标所要求的功率时，对应的发动机燃气发生器转速和排气温度。

进一步地，鉴于起动机工作时间不大于1min，工作期间消耗的燃油少，不考虑燃油消耗参数，不涉及燃油消耗量的分析。

进一步地，步骤(3)中制定性能分析的方法包括:

①通过高空模拟试验获取所需的试验数据;

②统计并归纳标准天，不同进气压力对起动机输出功率的影响，统计归纳海平面，不同进气温度对起动机输出功率的影响，最终得出功率换算公式如下:

p_c=P/[1-Al×(P1-101325)]+Bl×(Tl-15)  (1)

Al、Bl分别为公式中的修正系数，通过试验统计得出。

进一步地，步骤(3)中制定性能分析的方法包括:

①通过高空模拟试验获取所需的试验数据;

②统计并归纳海平面，标准天条件下不同输出功率与起动机排气温度的关系，统计并归纳海平面，不同进气温度与排气温度的关系，最终得出排气温度的换算公式如下：

EGT_c=EGT+A2×(Tl-15)+B2×(功率指标-P_c)  (2)

A2、B2分别为公式中的修正系数，通过试验统计得出。

进一步地，步骤(3)中制定性能分析的方法包括:

①通过高空模拟试验获取所需的试验数据;

②统计并归纳海平面，标准天条件下不同输出功率与燃气发生器转速的关系，统计并归纳海平面，不同进气温度与燃气发生器转速的关系，最终得出燃气发生器的换算公式如下:

n_c=n+A3×(Tl-15)+B3×(功率指标-P_C)   (3)

A3、B3分别为公式中的修正系数，通过试验统计得出。

本发明具有以下有益效果：

a、通过该方法评估带自由涡轮的燃气涡轮起动机对台架性能指标的符合性;通过该方法快速直接地对比不同台份燃气涡轮起动机台架性能的优劣。该分析方法的精度在3%之内，具备良好的工程适用性。

b、根据功率分析可以直接得出起动机在海平面、标准天、相应控制规律下的起动机功率，便于与指标进行对比;

c、根据转速和排气温度关系可以直接得出起动机在海平面、标准天、发生指标要求的功率时对应的转速和排气温度，这样很容易且直观地对比不同台份之间的性能优劣。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:

图1是本发明优选实施例的带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法的结构框图，如图1所示，带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架的性能分析方法，包括以下步骤:(1)确定性能评价点，将起动机输出最大功率的状态点作为评价点；(2)确定性能分析思路，提出换算功率的物理含义是指起动机在海平面、标准天、现有控制规律条件下输出的功率;换算排气温度和燃气发生器转速的物理含义是指海平面、标准天、起动机发出额定功率时所对应的排气温度和燃气发生器转速;(3)制定性能分析的方法，通过高空模拟试验，分别得出大气压力、进气温度对起动机功率的影响，进而得出功率的换算公式;通过高空模拟试验，分别得出大气温度、功率对起动机排气温度、燃气发生器转速的影响，进而得出排气温度和燃气发生器转速的换算公式;(4)依据得出的排气温度和燃气发生器转速的换算公式，在相同条件、相同输出功率的条件下判断不同台份燃气涡轮起动机对要求的符合型，并可对比判定不同台份燃气涡轮起动机的优劣。

发动机研制过程中需要进行大量的整机试验，主要包括地面试验、高空模拟试验和飞行试验。其中，地面试验只能获得发动机在地面条件下的工作特性;飞行试验则存在安全性差、测试参数有限、不能充分获取发动机工作特性、对气象条件依赖性强、试验周期长、支持费用高等缺点。高空模拟试验则可以弥补上述两类试验的缺陷。高空模拟试验是将发动机置于一地面密封舱内进行试验，采用一系列技术手段在舱内制造出各种温度、高度的大气条件，并由此获得发动机的空中工作性能。本方案中，通过高空模拟试验分别获得不同大气压力、温度对起动机参数的影响，然后根据分析的思路，归纳整理出相关参数之间的关系。

其还在于，步骤(1)中的确定性能评价点步骤为:以起动机最大功率对应的自由涡轮转速作为性能评定时的转速，在试验过程中，借助测功器的等转速控制功能控制起动机的自由涡轮转速保持在该转速不变，并以此时的性能参数来进行评定和比较。步骤(2)中的确定性能分析思路步骤包括:针对起动机一启动成功便工作在最大状态，受到最大供油量或最大转速控制规律的限制的这种工作特点，对功率换算思路进行调整，目的是通过换算公式，直接求出起动机花海平面、标准天、等燃油流量或等转速条件下所对应的功率。起动机转速和排气温度的换算思路也作相应调整，目的是通过换算公式，直接求出起动机在标准天和发出指标所要求的功率时，对应的发动机燃气发生器转速和排气温度。鉴于起动机工作时间不大于1min，工作期间消耗的燃油少，不考虑燃油消耗参数，不涉及燃油消耗量的分析。步骤(3)中制定性能分析的方法包括:

①通过高空模拟试验获取所需的试验数据;

②统计并归纳标准天，不同进气压力对起动机输出功率的影响，统计归纳海平面，不同进气温度对起动机输出功率的影响，最终得出功率换算公式如下:

p_c=P/[l-Al×(Pl-101325)]+Bl×(Tl-15)  (1)

Al、Bl分别为公式中的修正系数，通过试验统计得出。

其还在于，步骤(3)中制定性能分析的方法包括:

①通过高空模拟试验获取所需的试验数据;

②统计并归纳海平面，标准天条件下不同输出功率与起动机排气温度的关系，统计并归纳海平面，不同进气温度与排气温度的关系，最终得出排气温度的换算公式如下:

EGT_C=EGT+A2×(Tl-15)+B2×(功率指标-P_c)  (2)

A2、B2分别为公式中的修正系数，通过试验统计得出。

其还在于，步骤(3)中制定性能分析的方法包括:

①通过高空模拟试验获取所需的试验数据;

②统计并归纳海平面，标准天条件下不同输出功率与燃气发生器转速的关系，统计并归纳海平面，不同进气温度与燃气发生器转速的关系，最终得出燃气发生器的换算公式如下:

n_c=n+A3×(Tl-15)+B3×(功率指标-P_c)  (3)

A3、B3分别为公式中的修正系数，通过试验统计得出。

带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架的性能分析方法：

1)确定性能评定点

带自由涡轮的燃气涡轮起动机工作时间很短(约1min)，并且工作时自由涡轮转速一直处于变化的动态过程中，功率也随着自由涡轮转速的变化而变化，对性能的评价不利。

本方案以起动机最大功率对应的自由涡轮转速作为性能评定时的转速，起动机只要在该转速下的最大功率满足指标要求，就能满足大发起动的需要。在试验过程中，人为控制起动机的自由涡轮转速保持在该转速不变，并以此时的性能参数来进行评定和比较。

2)确定性能分析思路

鉴于该类型起动机一起动成功便工作在最大状态，受到最大供油量或最大转速控制规律的限制。针对起动机的这种工作特点，对功率分析思路进行调整，希望能够通过分析，直接得出该类型起动机在海平面、标准天、等燃油流量或等转速条件下所对应的功率。与此同时，转速和排气温度的分析思路也作了相应调整，希望能够通过分析，直接得出该类型起动机在标准天、发出指标所要求的功率时，对应的发动机燃气发生器转速和排气温度，这样就可以方便直接地对比不同台份起动机之间的性能优劣。

由于起动机的工作时间很短，工作期间消耗的燃油很少(1kg左右)，一般都不对该参数提出指标要求，因此本技术方案中不涉及燃油消耗量的分析。

3)制定性能分析的方法

通过高空模拟试验获取所需要的试验数据;

统计并归纳标准天，不同进气压力对起动机输出功率的影响，统计并归纳海平面，不同进气温度对起动机输出功率的影响，最终得出功率的换算公式如下:

P_c=P/[l-Al×(Pl-l01325)]+B1×(Tl-15)  （1)

统计并归纳海平面，标准天条件下不同输出功率与起动机排气温度的关系，统计并归纳海平面，不同进气温度与排气温度的关系，最终得出排气温度的换算公式如下:

EGT_c=EGT+A2×(Tl-15)+B2×（功率指标-P_C)  (2)

统计并归纳海平面，标准天条件下不同输出功率与燃气发生器转速的关系，统计并归纳海平面，不同进气温度与燃气发生器转速的关系，最终得出排气温度的换算公式如下:

n_c＝n+A3×(Tl-15)+B3×(功率指标-P_c)  (3)

注:Al、A2、A3、Bl、B2、B3分别为公式中的修正系数，通过试验统计得出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法，其特征在于，包括以下步骤:

(1)确定性能评价点，将起动机输出最大功率的状态点作为评价点;

(2)确定性能分析思路，提出换算功率的物理含义是指起动机在海平面、标准天、现有控制规律条件下输出的功率;换算排气温度和燃气发生器转速的物理含义是指海平面、标准灭、起动机发出额定功率时所对应的排气温度和燃气发生器转速;

(3)制定性能分析的方法，通过高空模拟试验，分别得出大气压力、进气温度对起动机功率的影响，进而得出功率的换算公式;通过高空模拟试验，分别得出大气温度、功率对起动机排气温度、燃气发生器转速的影响，进而得出排气温度和燃气发生器转速的换算公式;

(4)依据得出的排气温度和燃气发生器转速的换算公式，在相同条件、相同输出功率的条件下判断不同台份燃气涡轮起动机对要求的符合型，并可对比判定不同台份燃气涡轮起动机的优劣。

2.根据权利要求1所述的带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法，其特征在于，步骤(1)中的确定性能评价点步骤为:以起动机输出最大功率对应的自由涡轮转速作为性能评定时的转速，在试验过程中，借助测功器的等转速控制功能控制起动机的自由涡轮转速保持在该转速不变，并以此时的性能参数来进行评定和比较。

3.根据权利要求1所述的带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法，其特征在于，步骤(2)中的确定性能分析思路步骤包括:针对起动机一启动成功便工作在最大状态，受到最大供油量或最大转速控制规律的限制的这种工作特点，对功率换算思路进行调整，目的是通过换算公式，直接求出起动机花海平面、标准天、等燃油流量或等转速条件下所对应的功率。

4.根据权利要求3所述的带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法，其特征在于，起动机转速和排气温度的换算思路也作相应调整，目的是通过换算公式，直接求出起动机在海平面、标准天和输出指标所要求的功率时，对应的发动机燃气发生器转速和排气温度。

5.根据权利要求4所述的带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法，其特征在于，鉴于起动机工作时间不大于1min，工作期间消耗的燃油少，不考虑燃油消耗参数，不涉及燃油消耗量的分析。

6.根据权利要求5所述的带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法，其特征在于，

步骤(3)中制定性能分析的方法包括

①通过高空模拟试验获取所需的试验数据;

②统计并归纳标准天，不同进气压力对起动机输出功率的影响;统计并归纳海平面，不同进气温度对起动机输出功率的影响，最终得出功率换算公式如下:

p_c=P/[l-Al×(Pl-101325)]+Bl×(Tl-15)  (1)

Al、Bl分别为公式中的修正系数，通过试验统计得出。

7.根据权利要求5所述的带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法，其特征在于，

步骤(3)中制定性能分析的方法包括：

①通过高空模拟试验获取所需的试验数据;

②统计并归纳海平面，标准天条件下不同输出功率与起动机排气温度的关系;统计并归纳海平面，不同进气温度与排气温度的关系，最终得出排气温度的换算公式如下:

EGT_c=EGT+A2×(Tl-15)+B2×(功率指标-P_c)  (2)

A2、B2分别为公式中的修正系数，通过试验统计得出。

8.根据权利要求5所述的带自由涡轮的燃气涡轮起动机台架性能分析方法，其特征在于，

步骤(3)中制定性能分析的方法包括

①通过高空模拟试验获取所需的试验数据;

②统计并归纳海平面，标准天条件下不同输出功率与燃气发生器转速的关系;统计并归纳海平面，不同进气温度与燃气发生器转速的关系，最终得出排气温度的换算公式如下:

n_c=n+A3×(Tl-15)+B3×(功率指标-P_c)  (3)

A3、B3分别为公式中的修正系数，通过试验统计得出。

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