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某型發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車靈活性研究

2023-10-31 08:25:36周罡陳廣矚黃彩云國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠
航空維修與工程 2023年10期
關(guān)鍵詞:試車渦輪燃油

■ 周罡 陳廣矚 黃彩云/國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠

0 引言

某型發(fā)動(dòng)機(jī)是一款小型、單軸、不帶加力燃燒室的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī),其壓氣機(jī)由一級(jí)軸流式壓氣機(jī)與一級(jí)離心式壓氣機(jī)組成;燃燒室為環(huán)形燃燒室;渦輪為單級(jí)軸流式渦輪;尾噴管為簡(jiǎn)單收斂式不可調(diào)節(jié)的尾噴管。發(fā)動(dòng)機(jī)在修理維護(hù)中進(jìn)行地面試車,發(fā)現(xiàn)熱態(tài)靈活性(簡(jiǎn)稱熱靈)超差故障現(xiàn)象出現(xiàn)較為頻繁。由于其故障樹復(fù)雜,短期之內(nèi)難以進(jìn)行精準(zhǔn)故障定位,給發(fā)動(dòng)機(jī)的修理維護(hù)工作帶來(lái)極大困擾。因此,有必要針對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車過程,研究發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈與性能參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系,分析熱靈故障的發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化規(guī)律,反推影響發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈故障機(jī)理,為制定發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈故障預(yù)防措施提供依據(jù)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈評(píng)判依據(jù)

發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈是指熱試車停車過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)從某一指定轉(zhuǎn)速到轉(zhuǎn)子完全停止所用的時(shí)間,是評(píng)判發(fā)動(dòng)機(jī)修理質(zhì)量是否滿足要求的重要依據(jù),表征發(fā)動(dòng)機(jī)在熱狀態(tài)下轉(zhuǎn)子阻力的大小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)熱靈超差故障時(shí),說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)在熱狀態(tài)下轉(zhuǎn)子阻力過大,轉(zhuǎn)子部件轉(zhuǎn)動(dòng)有阻滯,嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)轉(zhuǎn)子掉塊、葉片斷裂而造成嚴(yán)重事故。例如,1962 年第2 架鷂式原型機(jī)P.1127(XP972)在試飛過程中壓氣機(jī)葉片碰磨機(jī)匣導(dǎo)致轉(zhuǎn)子靈活性超差故障,最終引發(fā)鈦火,飛機(jī)墜毀[1]。該型發(fā)動(dòng)機(jī)的熱靈要求為發(fā)動(dòng)機(jī)從1783rpm 到轉(zhuǎn)子完成停止的時(shí)間應(yīng)不小于23s,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈小于23s 時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)存在熱靈故障。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車流程及性能分析

發(fā)動(dòng)機(jī)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)與熱靈的關(guān)系,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程進(jìn)行分析。地面熱試車流程如圖1 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車過程中各轉(zhuǎn)速狀態(tài)下渦輪后溫度如圖2 所示,圖中橫坐標(biāo)N1 ~N9 轉(zhuǎn)速狀態(tài)分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車過程從起動(dòng)至停車前的80%轉(zhuǎn)速狀態(tài),縱坐標(biāo)是對(duì)巡航狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化而得。從圖2 中可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速狀態(tài)下渦輪后溫度均在極限溫度之下,滿足試車要求;起動(dòng)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫度較高,是由于起動(dòng)過程中燃油閥門一直處于開啟狀態(tài),造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油堆積,在燃油點(diǎn)燃的瞬間會(huì)產(chǎn)生劇烈燃燒現(xiàn)象,導(dǎo)致起動(dòng)狀態(tài)渦輪后溫度急劇升高。從起動(dòng)狀態(tài)加速至80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫度隨轉(zhuǎn)速增加而下降;從80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)加速至98.5%轉(zhuǎn)速狀態(tài)過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫度隨轉(zhuǎn)速增加而上升;從98.5%轉(zhuǎn)速狀態(tài)降速至80%狀態(tài)過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫度隨轉(zhuǎn)速減小而降低;與加速過程中同轉(zhuǎn)速狀態(tài)相比,渦輪后溫度基本相同。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車流程

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)地面熱試車渦輪后溫度與轉(zhuǎn)速關(guān)系

地面試車要求從80%狀態(tài)停車,是該型發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈故障出現(xiàn)較為頻繁的原因之一。一般在停車過程中,需要發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車轉(zhuǎn)速下冷機(jī)一段時(shí)間后再停車,使發(fā)動(dòng)機(jī)在慢車狀態(tài)下各部件溫度同步下降,產(chǎn)生同步冷縮,防止機(jī)匣冷卻速度比轉(zhuǎn)子部件快,造成外縮內(nèi)脹現(xiàn)象,引發(fā)碰磨危險(xiǎn)。該型發(fā)動(dòng)機(jī)要求從80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)停車,是為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生共振現(xiàn)象,其共振轉(zhuǎn)速在慢車轉(zhuǎn)速狀態(tài)和80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)之間,約為12500rpm。為避免發(fā)動(dòng)機(jī)共振,該型發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)定型時(shí)要求從80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)停車,在停車過程中測(cè)試熱靈。由于發(fā)動(dòng)機(jī)沒有得到很好的冷機(jī),因此在地面試車過程中出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷靈良好而熱靈不滿足工藝要求的現(xiàn)象就較為頻繁。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈故障案例選擇

為分析發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈故障,分別選取兩臺(tái)地面試車熱靈合格和不合格的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能對(duì)比,發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈值和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)如表1 所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)設(shè)置及狀態(tài)

3.2 推力對(duì)比分析

對(duì)4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力進(jìn)行對(duì)比,如圖3 所示,N1~N5 分別表示80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)、85%轉(zhuǎn)速狀態(tài)、90%轉(zhuǎn)速狀態(tài)、95%轉(zhuǎn)速狀態(tài)、98.5%轉(zhuǎn)速狀態(tài),TF 表示熱靈。從圖中可以看出,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加,發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加;在相同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力基本一致,發(fā)動(dòng)機(jī)推力不受熱靈影響。這是由于試車準(zhǔn)備階段會(huì)檢查發(fā)動(dòng)機(jī),保證其轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、平穩(wěn)、無(wú)噪聲,排除了轉(zhuǎn)動(dòng)阻力大的發(fā)動(dòng)機(jī),以避免轉(zhuǎn)子卡滯等情況,因此熱靈并沒有偏離合格值太多。

從圖3 中還可以看出,在全工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)從80%轉(zhuǎn)速狀態(tài)加速至95%轉(zhuǎn)速狀態(tài)過程中,隨著轉(zhuǎn)速的增加,斜率增大;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)95%轉(zhuǎn)速后,隨著轉(zhuǎn)速的增加,斜率減小??梢?5%轉(zhuǎn)速狀態(tài)是發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作狀態(tài),在該狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能最好。這與該型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)巡航狀態(tài)相符。

3.3 耗油率對(duì)比分析

對(duì)4 臺(tái)熱靈不同的發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率進(jìn)行對(duì)比分析,如圖4 所示。從中可以看出,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加,耗油率降低。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大,壓氣機(jī)增壓比越大,燃油燃燒越充分,因此單位時(shí)間和單位推力消耗的燃油質(zhì)量越少,即發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率隨推力增加而降低。巡航狀態(tài)即95%轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒最充分,超過95%轉(zhuǎn)速狀態(tài)后,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率已達(dá)到極致。從圖4 中還可以看出,在相同轉(zhuǎn)速下,要獲得相同的推力,熱靈越好的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率越低,即熱靈越好,發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間和單位推力條件下消耗的燃油越少。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車耗油率與轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖5 為發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間燃油消耗量與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖。從中可以看出,為使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加,提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力,發(fā)動(dòng)機(jī)需要消耗更多的燃油。相同轉(zhuǎn)速下,發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈越好,單位時(shí)間消耗的燃油質(zhì)量就越少。說(shuō)明熱靈越好的發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能也越好。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車燃油消耗量與轉(zhuǎn)速關(guān)系

3.4 渦輪后溫度對(duì)比分析

圖6 為4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后總溫與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖。從中可以看出,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加,發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫度增加,即發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫度越高,氣體所攜帶的能量越多,高溫高壓的氣流推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪做功,提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,并以動(dòng)能的形式噴射出去,使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得的推力越大;相同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,渦輪后溫度越高的發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的靈活性越低。可見,相同推力情況下熱靈越好的發(fā)動(dòng)機(jī)消耗量的燃油越少,渦輪后溫度越低。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫度與轉(zhuǎn)速關(guān)系

發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件能量傳遞關(guān)系如圖7 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),空氣經(jīng)過壓氣機(jī)后提高壓力和溫度,隨后氣體進(jìn)入燃燒室,與從燃燒室內(nèi)甩油盤噴出的霧化燃油進(jìn)行混合,形成油氣混合物并在回流區(qū)內(nèi)燃燒,氣流溫度迅速提升,燃燒室排出的燃?xì)庠跍u輪內(nèi)膨脹做功,推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng),并帶動(dòng)壓氣旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過渦輪的燃?xì)庠趪姽軆?nèi)加速,將氣體的壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能并高速噴出,形成推力。從能量守恒的角度分析,燃油消耗量越少,說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)通過燃燒室給氣體注入的能量越少,發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫度越低。熱試車過程中,來(lái)自燃燒室的高溫氣體給發(fā)動(dòng)機(jī)加熱,發(fā)動(dòng)機(jī)受熱膨脹,渦輪后溫度越高,說(shuō)明氣體給發(fā)動(dòng)機(jī)的受熱量越多,發(fā)動(dòng)機(jī)溫度越高,發(fā)動(dòng)機(jī)受熱膨脹越大,改變了發(fā)動(dòng)機(jī)的間隙,進(jìn)而改變了發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活性。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件能量傳遞圖

4 結(jié)論

通過分析研究4 臺(tái)不同熱靈的發(fā)動(dòng)機(jī)的性能變化規(guī)律發(fā)現(xiàn),熱試車過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率越高、渦輪后溫度越高的發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈越小。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率增加時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪后溫度會(huì)升高,發(fā)動(dòng)機(jī)受熱膨脹量更大,更易引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)熱靈超差故障。

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