CN117892458B - 一种涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于涡扇发动机测试技术领域，具体涉及一种涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法，包括：步骤一、确定涡扇发动机整机状态下压气机进口流量；步骤二、开展高压涡轮导向器喉部面积、低压涡轮导向器喉部面积联算对涡扇发动机总体性能影响的分析；步骤三、确定高压涡轮导向器喉部面积、低压涡轮导向器喉部面积；步骤四、开展外涵面积对涡扇发动机总体性能影响的分析；步骤五、确定外涵面积；步骤六、实时调整确定风扇可调导叶角度、压气机可调导叶角度、喷管喉道面积、喷管出口面积。

Description

一种涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法

技术领域

本申请属于涡扇发动机测试技术领域，具体涉及一种涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法。

背景技术

涡扇发动机在研制过程中经常面临超温难题，表现为：风扇、压气机和涡轮等部件性能达标，但组合成整机后各个部件在能量守恒、流量平衡及静压平衡等条件约束下，会重新匹配工作到一个新的工作状态，由于发动机内部流路复杂，该工作状态往往偏离设计工作状态，部件工作点偏离设计的高效率区，部件效率降低，整机热效率下降，燃气温度升高，致使涡轮前燃气温度远高于设计值，使涡轮叶片等高温部件无法可靠工作，甚至出现烧蚀故障。

当前，对于涡扇发动机涡轮前温度，多是通过大量的试验进行调试，但由于可调参数多且部分参数的调整需要新设计、加工相应的零件，耗费大量的时间、资源，而且优化结果存在较大的不确定性，很难调整到最优工作状态，有的涡扇发动机由于未能完全解决超温问题不得不降低推力使用。

鉴于上述技术缺陷的存在提出本申请。

发明内容

本申请的目的是提供一种涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法，以克服或减轻已知存在的至少一方面的技术缺陷。

本申请的技术方案是：

一种涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法，包括：

步骤一、确定涡扇发动机整机状态下压气机进口流量；

步骤二、开展高压涡轮导向器喉部面、低压涡轮导向器喉部面积联算对涡扇发动机总体性能影响的分析；

通过涡扇发动机总体性能仿真软件进行计算，分析、获得高压涡轮导向器喉部面积A_th、低压涡轮导向器喉部面积A_tl，等推力条件下，对压气机压比的影响量；

步骤三、确定高压涡轮导向器喉部面积A_th、低压涡轮导向器喉部面积A_tl；

基于步骤一所得涡扇发动机整机状态下压气机进口流量，测量压气机压比，获得压气机测量工作线与设计工作线关系；

如果压气机测量工作线高于设计工作线，则增大高压涡轮导向器喉部面积A_th；如果压气机测量工作线低于设计工作线，则减少高压涡轮导向器喉部面积A_th；

基于高压涡轮喉部在大状态节流膨胀比保持不变的原理，推导出高、低压涡轮导向器喉部面积的关系，确定低压涡轮导向器喉部面积A_tl；

步骤四、开展外涵面积A₁₆对涡扇发动机总体性能影响的分析；

通过涡扇发动机总体性能仿真软件进行外涵面积A₁₆面积变化对整机匹配的影响分析计算，获得外涵面积A₁₆对涵道比的影响量；

步骤五、确定外涵面积A₁₆；

基于外涵面积A₁₆变化对涵道比的影响量，得到外涵面积A₁₆与外涵流量的关联规律，基于外涵流量需求、风扇设计工作点，确定外涵面积A₁₆；

步骤六、实时调整确定风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积α₂、喷管出口面积A₉。

可选的，上述的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法中，步骤一具体为：

基于高压涡轮导向器喉部折合流量在涡扇发动机大工作状态保持不变的特点，给定压气机进口流量初值，取核心机试验时，压气机进口流量的测量值，迭代求解出涡扇发动机整机状态下压气机进口流量。

可选的，上述的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法中，步骤二中基于高压涡轮喉部在大状态节流膨胀比保持不变的原理，推导出高、低压涡轮导向器喉部面积的关系，具体为：

其中，

其中，

π为高压涡轮喉部节流膨胀比；

K₀为高压涡轮喉部节流膨胀比计算常数；

q(λ_tl)为低压涡轮导向器喉部的流量函数；

q(λ_th)为高压涡轮导向器喉部的流量函数；

k为燃气的比热比。

可选的，上述的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法中，步骤六具体为：

通过涡扇发动机总体性能仿真软件分别进行风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉变化对整机匹配的影响分析计算，获得对风扇工作点、压气机工作点、转差、燃气温度的影响量；

获得风扇测量流量与设计流量的关系，如果风扇测量流量高于设计流量，则通过控制系统将风扇可调导叶角度α₁向偏关方向调整；如果风扇测量流量低于设计流量，则通过控制系统将风扇可调导叶角度α₁向偏开方向调整；

根据步骤一所得涡扇发动机整机状态下压气机进口流量，获得压气机测量流量与设计流量的关系，如果压气机测量流量高于设计流量，则通过控制系统将压气机可调导叶角度α₂向偏关方向调整；如果压气机测量流量低于设计流量，则通过控制系统将压气机可调导叶角度α₂向偏开方向调整；

如果风扇测量工作线高于风扇设计工作线，则增大喷管喉道面积A₈；如果风扇测量工作线低于设计工作线，则减少喷管喉道面积A₈；

根据喷管喉道面积A₈和测量得到的喷管进口总压、大气压力，结合拉法尔喷管原理，计算得到喷管出口面积A₉，进行调整。

可选的，上述的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向调试方法中，其特征在于，

步骤六中，获得风扇测量流量与设计流量的关系中，风扇测量流量在进气道上布置测量装置直接测量得到。

可选的，上述的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法中，还包括：

步骤七、在设定范围内调整风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉，进行涡扇发动机整机性能验证，测试相同推力下，确定的风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉下的涡轮前燃气温度是否最小，若否，则重新确定的风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉。

本申请至少存在以下有益技术效果：

提供一种涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法中，设计在确定涡扇发动机整机状态下压气机进口流量的基础上，获得压气机测量工作线与设计工作线关系，由此确定整机状态下高压涡轮导向器喉部面积、低压涡轮导向器喉部面积，进而开展涡扇发动机外涵面积对总体性能影响的分析，分析、确定涡扇发动机外涵面积，再在涡扇发动机整机性能调试时，实时调整确定风扇可调导叶角度、压气机可调导叶角度、喷管喉道面积、喷管出口面积，实现了对涡扇发动机涡轮前燃气温度的正向调试，可避免反复的试凑，节时、省力，能够准确得出优化结果，在满足推力不降低的条件下，降低涡轮前燃气温度，解决了种涡扇发动机的超温难题。

附图说明

图1是本申请实施例提供的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向调试方法的示意图；

图2是本申请实施例提供的涡扇发动机整机状态下压气机测量工作线与设计工作线关系的示意图。

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，此外，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本申请的限制。

具体实施方式

为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计。

此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的表示方位的词语，仅用以表示相对的方向或者位置关系，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变。本申请描述中所使用的“包括”指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。

通过分析可知，涡扇发动机整机性能调试过程中，主要可调参数包括高压涡轮导向器喉部面积A_th、低压涡轮导向器喉部面积A_tl、外涵出口面积A₁₆与零件设计、加工相关的不能够进行实时调节的参数，以及包括风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉能够进行实时调节的参数，以此本申请实施例提供一种涡扇发动机涡轮前燃气温度正向调试方法，如图1所示。

步骤一、确定涡扇发动机整机状态下压气机进口流量。

对于涡扇发动机，其核心机试验时，压气机进口流量是可测量的，进而可通过核心机加温加压试验测量得到高压涡轮导向器喉部折合流量。

当核心机与整机的工作状态均变化很小时，整机试验时的高压涡轮导向器喉部折合流量，在涡扇发动机大工作状态时与核心机测量结果保持一致。

基于高压涡轮导向器喉部折合流量在涡扇发动机大工作状态保持不变的特点，给定压气机进口流量初值，具体可取核心机试验时，压气机进口流量的测量值，迭代求解出涡扇发动机整机状态下压气机进口流量，结合涡扇发动机进口总流量，即可确定涡扇发动机的内外涵流量及涵道比。

步骤二、开展高压涡轮导向器喉部面积A_th、低压涡轮导向器喉部面积A_tl联算对涡扇发动机总体性能影响的分析。

通过涡扇发动机总体性能仿真软件进行计算，分析、获得高压涡轮导向器喉部面积A_th、低压涡轮导向器喉部面积A_tl，等推力条件下，对压气机压比、转差、涡轮前燃气温度等参数的影响量。

在一个具体的实施例中，涡扇发动机高压涡轮导向器喉部面积A_th放大1％，等推力条件下，对转差基本无影响，低压转子相对物理转速降低0.15％，低压转子相对物理转速降低0.3％，涡轮前燃气温度略有提高，提高0.14％，高压涡轮膨胀比降低1％；涡扇发动机低压涡轮导向器喉部面积A_tl放大1％，等推力条件下，对转差基本无影响，低压转子相对物理转速降低0.13％，低压转子相对物理转速提高0.3％，涡轮前燃气温度略有提高，变化降低0.14％，高压涡轮膨胀比增加1％。

步骤三、确定高压涡轮导向器喉部面积A_th、低压涡轮导向器喉部面积A_tl。

基于步骤一所得涡扇发动机整机状态下压气机进口流量，测量压气机压比，获得压气机测量工作线与设计工作线关系，如图2所示。

由于涡扇发动机中高压涡轮导向器喉部为临界状态，压气机测量工作线是否达到设计工作线，与高压涡轮导向器喉部面积A_th是否适合有直接联系，如果压气机测量工作线高于设计工作线，则增大高压涡轮导向器喉部面积A_th，增大量根据步骤二中分析所得高压涡轮导向器喉部面积A_th对压气机压比的影响确定；如果压气机测量工作线低于设计工作线，则减少高压涡轮导向器喉部面积A_th，减小量根据步骤二中分析所得高压涡轮导向器喉部面积A_th对压气机压比的影响确定。

高压涡轮导向器面积确定后，基于高压涡轮喉部在大状态节流膨胀比保持不变的原理，推导出高、低压涡轮导向器喉部面积的关系，确定低压涡轮导向器喉部面积A_tl，具体如下：

其中，

π为高压涡轮喉部节流膨胀比；

K₀为高压涡轮喉部节流膨胀比计算常数，根据高压涡轮、低压涡轮的流量特征确定；

q(λ_tl)为低压涡轮导向器喉部的流量函数，具体取值根据低压涡轮流量特性确定，通常取值范围为0.8～1；

q(λ_th)为高压涡轮导向器喉部的流量函数，由于高压涡轮处于临界状态，通常可取1；

k为燃气的比热比，通常可取1.4。

如果高压涡轮膨胀比小于设计值，此时需要增大低压涡轮导向器喉部面积A_tl；如果高压涡轮膨胀比大于设计值，此时需要减小低压涡轮导向器喉部面积A_tl，使高压涡轮膨胀比接近设计值。

步骤四、开展外涵面积A₁₆对涡扇发动机总体性能影响的分析。

通过涡扇发动机总体性能仿真软件进行外涵面积A₁₆面积变化对整机匹配的影响分析计算，获得外涵面积A₁₆对风扇工作点、压气机工作点、转差、涵道比、燃气温度等参数的影响量。

在一个具体的实施例中，根据仿真计算结果分析，外涵面积A₁₆是保证涡扇发动机涵道比和外内涵出口压比的关键因素，在核心机工作状态不变的情况下，风扇流量越大，可获得更大的推力、更高的外内涵出口压比和更大的涵道比，但若只有风扇流量增加增推效果较小；提高风扇压比，推力增大较多，但涡轮前燃气温度增加也较多，同时外内涵出口压比降低、涵道比减小，压气机转速提高；相同涡轮前燃气温度下，风扇压比越高推力越大，但压气机压比要降低，风扇压比提高会导致高压转子相对物理转速提高、外内涵出口压比降低、涵道比减小。如果核心机工作状态下移，上述情况可以改善，但核心机工作状态下移也会带来其它问题，如外涵马赫数太高。

步骤五、确定外涵面积A₁₆。

基于外涵面积A₁₆变化对涵道比的影响量，得到外涵面积A₁₆与外涵流量的关联规律，基于外涵流量需求、风扇设计工作点，确定外涵面积A₁₆。

步骤六、实时调整确定风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉。

(1)通过涡扇发动机总体性能仿真软件分别进行风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉变化对整机匹配的影响分析计算，获得对风扇工作点、压气机工作点、转差、燃气温度等参数的影响量。

(2)涡扇发动机整机性能调试时，可以在进气道上布置测量装置直接测量得到风扇流量，进而获得风扇测量流量与设计流量的关系。如果风扇测量流量高于设计流量，则通过控制系统将风扇可调导叶角度α₁向偏关方向调整，调整量根据风扇可调导叶角度α₁变化对风扇流量影响量值确定；如果风扇测量流量低于设计流量，则通过控制系统将风扇可调导叶角度α₁向偏开方向调整，调整量根据风扇可调导叶角度α₁变化对风扇流量影响量值确定。

(3)涡扇发动机整机性能调试时，根据步骤一所得涡扇发动机整机状态下压气机进口流量，获得压气机测量流量与设计流量的关系。如果压气机测量流量高于设计流量，则通过控制系统将压气机可调导叶角度α₂向偏关方向调整，调整量根据压气机可调导叶角度α₂变化对风扇流量影响量值确定；如果压气机测量流量低于设计流量，则通过控制系统将压气机可调导叶角度α₂向偏开方向调整，调整量根据压气机可调导叶角度α₂变化对压气机流量影响量值确定。

(4)在高压涡轮导向器喉部面积A_th、低压涡轮导向器喉部面积A_tl、风扇可调导叶角度α₁确定后，风扇测量工作线是否达到设计工作线与喷管喉道面积A₈有直接联系，如果风扇测量工作线高于风扇设计工作线，则需要增大喷管喉道面积A₈；如果风扇测量工作线低于设计工作线，则需要减少喷管喉道面积A₈，调整确定最佳匹配的喷管喉道面积A₈，调整量根据喷管喉道面积A₈变化对风扇工作点的影响量值确定。

(5)根据喷管喉道面积A₈和测量得到的喷管进口总压、大气压力，结合拉法尔喷管原理，计算得到喷管出口面积A₉。

步骤七、在设定范围内调整风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉，进行涡扇发动机整机性能验证，测试相同推力下，确定的风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉下的涡轮前燃气温度是否最小，若否，则重新确定的风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉。

上述实施例公开的一种涡扇发动机涡轮前燃气温度正向调试方法中，设计确定涡扇发动机整机状态下压气机进口流量的基础上，获得压气机测量工作线与设计工作线关系，由此确定整机状态下高压涡轮导向器喉部面积、低压涡轮导向器喉部面积，进而开展涡扇发动机外涵面积对总体性能影响的分析，分析、确定涡扇发动机外涵面积，再在涡扇发动机整机性能调试时，实时调整确定风扇可调导叶角度、压气机可调导叶角度、喷管喉道面积、喷管出口面积，实现了对涡扇发动机涡轮前燃气温度的正向调试，可避免反复的试凑，节时、省力，能够准确得出优化结果，在满足推力不降低的条件下，降低涡轮前燃气温度，解决了种涡扇发动机的超温难题。

实现了发动机整机性能调试过程中由通过“试凑”几何面积反复调试内、外涵流量的传统方法，向由准确设计几何面积的跨越式转变，快速精准实现了各部件协同高效工作，相同推力时燃气温度大幅降低，解决了燃气温度超温的难题。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，领域内技术人员应该理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式，在不偏离本申请的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法，其特征在于，包括：

步骤一、确定涡扇发动机整机状态下压气机进口流量；

步骤二、开展高压涡轮导向器喉部面积A_th、低压涡轮导向器喉部面积A_tl联算对涡扇发动机总体性能影响的分析；

通过涡扇发动机总体性能仿真软件进行计算，分析、获得高压涡轮导向器喉部面积A_th、低压涡轮导向器喉部面积A_tl，等推力条件下，对压气机压比的影响量；

步骤三、确定高压涡轮导向器喉部面积A_th、低压涡轮导向器喉部面积A_tl；

基于步骤一所得涡扇发动机整机状态下压气机进口流量，测量压气机压比，获得压气机测量工作线与设计工作线关系；

如果压气机测量工作线高于设计工作线，则增大高压涡轮导向器喉部面积A_th；如果压气机测量工作线低于设计工作线，则减少高压涡轮导向器喉部面积A_th；

基于高压涡轮喉部在大状态节流膨胀比保持不变的原理，推导出高、低压涡轮导向器喉部面积的关系，确定低压涡轮导向器喉部面积A_tl；

步骤四、开展外涵面积A₁₆对涡扇发动机总体性能影响的分析；

通过涡扇发动机总体性能仿真软件进行外涵面积A₁₆面积变化对整机匹配的影响分析计算，获得外涵面积A₁₆对涵道比的影响量；

步骤五、确定外涵面积A₁₆；

基于外涵面积A₁₆变化对涵道比的影响量，得到外涵面积A₁₆与外涵流量的关联规律，基于外涵流量需求、风扇设计工作点，确定外涵面积A₁₆；

步骤六、实时调整确定风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉。

2.根据权利要求1所述的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法，其特征在于，

步骤一具体为：

基于高压涡轮导向器喉部折合流量在涡扇发动机大工作状态保持不变的特点，给定压气机进口流量初值，取核心机试验时，压气机进口流量的测量值，迭代求解出涡扇发动机整机状态下压气机进口流量。

3.根据权利要求1所述的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法，其特征在于，

步骤二中基于高压涡轮喉部在大状态节流膨胀比保持不变的原理，推导出高、低压涡轮导向器喉部面积的关系，具体为：

其中，

π为高压涡轮喉部节流膨胀比；

K₀为高压涡轮喉部节流膨胀比计算常数；

q(λ_tl)为低压涡轮导向器喉部的流量函数；

q(λ_th)为高压涡轮导向器喉部的流量函数；

k为燃气的比热比。

4.根据权利要求1所述的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法，其特征在于，

步骤六具体为：

通过涡扇发动机总体性能仿真软件分别进行风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉变化对整机匹配的影响分析计算，获得对风扇工作点、压气机工作点、转差、燃气温度的影响量；

获得风扇测量流量与设计流量的关系，如果风扇测量流量高于设计流量，则通过控制系统将风扇可调导叶角度α₁向偏关方向调整；如果风扇测量流量低于设计流量，则通过控制系统将风扇可调导叶角度α₁向偏开方向调整；

根据步骤一所得涡扇发动机整机状态下压气机进口流量，获得压气机测量流量与设计流量的关系，如果压气机测量流量高于设计流量，则通过控制系统将压气机可调导叶角度α₂向偏关方向调整；如果压气机测量流量低于设计流量，则通过控制系统将压气机可调导叶角度α₂向偏开方向调整；

如果风扇测量工作线高于风扇设计工作线，则增大喷管喉道面积A₈；如果风扇测量工作线低于设计工作线，则减少喷管喉道面积A₈；

根据喷管喉道面积A₈和测量得到的喷管进口总压、大气压力，结合拉法尔喷管原理，计算得到喷管出口面积A₉，进行调整。

5.根据权利要求1所述的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法，其特征在于，

步骤六中，获得风扇测量流量与设计流量的关系中，风扇测量流量在进气道上布置测量装置直接测量得到。

6.根据权利要求1所述的涡扇发动机涡轮前燃气温度正向设计及调试方法，其特征在于，还包括：

步骤七、在设定范围内调整风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉，进行涡扇发动机整机性能验证，测试相同推力下，确定的风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉下的涡轮前燃气温度是否最小，若否，则重新确定的风扇可调导叶角度α₁、压气机可调导叶角度α₂、喷管喉道面积A₈、喷管出口面积A₉。