部件性能变化对大涵道比发动机台架性能的影响

张生，李长晖，任文成，李泳凡

（沈阳发动机设计研究所，沈阳110015）

1 引言

国际上绝大部分军、民用大型运输机的推进系统都采用直接传动的大涵道比涡轮风扇发动机。与军用小涵道比发动机相比，大涵道比发动机需要具有更高的可靠性和更长的使用寿命。1台使用寿命较长的发动机，由于叶片和机匣的磨损、侵蚀、间隙变化等诸多因素，最终必然导致其性能恶化。而部件效率降低、流路总压损失增大会影响发动机几乎所有部件的共同工作，使发动机工作过程参数和主要性能数据改变，主要表现在在同样推力条件下耗油率和排气温度升高。

本文通过计算分析，确定了部件性能变化对发动机台架性能的影响，为发动机试车数据分析提供依据和改进设计时的匹配方案提供参考，同时也可以对未来产品的返修作指导。

2 计算说明

在大多数情况下，涡轮进口温度与高压压气机转速的平方近似成正比。因此，控制高压转速n2能保持发动机的机械负荷和热负荷不变。因此，对于大多数涵道比不是很大的涡轮风扇发动机，都选择n2作为被控参数；而对于涵道比为4以上大涵道比发动机，大部分推力由外涵产生，主要取决于流过外涵的空气流量和压比，而二者由风扇转速决定，因此，对于大涵道比发动机来说，控制低压转速n1比控制高压转速n2对推力的影响更有效。本文计算按照发动机低压换算转速=const进行控制，参数变化是在同一低压换算转速下进行对比，高压压气机稳定裕度是在同一高压换算转速下进行对比。

计算了发动机在海平面静止状态、标准大气下、台架状态的节流特性。节流范围为低压换算转速50%到起飞点。

各部件效率、流路总压恢复系数均按照降低1%进行分析。

3 影响分析

3.1 风扇外涵效率变化对性能的影响

风扇外涵效率降低1%对台架性能的影响见表1。

表1 风扇外涵效率ηF降低1%对台架性能的影响

高压压气机工作线的位置只与核心机工作效率和表征它的作功系数有关。当风扇效率改变时，高压共同工作线位置不变；但是当高压转速升高，工作点沿工作线上移，使得涡轮进口温度升高，排气温度也升高，从而使得发动机推力稍有增大，耗油率升高。

3.2 风扇内涵+增压级效率变化对性能的影响

风扇内涵+增压级效率降低1%对台架性能的影响见表2。

表2 风扇内涵+增压级效率ηBO降低1%对台架性能的影响

效率降低使内涵工作点靠近稳定边界，但由于高压流通能力增强，综合因素使部件稳定裕度变化很小。

3.3 高压压气机效率变化对性能的影响

高压压气机效率降低1%对台架性能的影响见表3。

表3 高压压气机效率ηHC降低1%对台架性能的影响

由表3可知，当转速=const时，高压压气机效率降低，导致高压压气机功率增加，大于高压涡轮可用功率，则高压转速下降，转差减小。

高压流通能力下降，使得风扇内涵和增压级的压比增大，稳定裕度下降较为明显。

高压压气机效率降低，使得涡轮进口温度和排气温度上升，耗油率升高。涡轮进口温度升高，导致燃气加热比增大，燃烧室和涡轮流通能力降低，高压压气机工作线上移，高压压气机稳定裕度下降。

3.4 高压涡轮效率变化对性能的影响

高压涡轮效率ηHT降低1%对台架性能的影响见表4。

表4 高压涡轮效率ηHT降低1%对台架性能的影响

3.5 低压涡轮效率变化对性能的影响

由表4可知，高压涡轮效率对部件共同工作和发动机主要参数的影响与高压压气机效率的影响类似，影响机理没有差别，对排气温度的影响比高压压气机效率的影响更严重。

低压涡轮效率降低1%对台架性能的影响见表5。

表5 低压涡轮效率ηLT降低1%对台架性能的影响

由表5可知，低压涡轮效率降低会导致低压涡轮可用功率小于低压压缩系统所需要的功率。若要保持=const，则需高压转速提高，高压压气机工作点沿工作线上移，排气温度升高，发动机推力增大，耗油率升高。

3.6 中介机匣内涵总压恢复系数

而高压转速提高，则流通能力增强，风扇增压级的稳定裕度略有提高。

中介机匣内涵总压恢复系数降低1%对台架性能的影响见表6。

由表6可知，中介机匣内涵损失增大，则高压压气机进口总压减小，当量高压进口喉道面积减小，风扇增压级工作线上移。

低压涡轮膨胀比减小，转差增大。在同一低压转速下，高压转速提高，使得内涵流通能力增强，综合作用的结果是风扇内涵+增压级的稳定裕度略有降低。

表6 中介机匣内涵总压恢复系数σC降低1%对台架性能的影响

3.7 涡轮后机匣总压恢复系数

在中介机匣内涵损失增大和高压转速提高的综合作用下，发动机推力基本不变。

涡轮后机匣总压恢复系数降低1%对台架性能的影响见表7。

表7 涡轮后机匣总压恢复系数σT降低1%对台架性能的影响

由表7可知，涡轮后机匣总压损失增加，导致喷口进口前总压减小，低压涡轮涡轮膨胀比减小，转差增大。当n¯1R=const时，高压转速提高，排气温度和耗油率升高。

在涡轮后机匣损失增大和高压转速提高的综合作用下，发动机推力基本不变。

3.8 外涵道总压恢复系数

外涵道总压恢复系数σF降低1%对台架性能的影响见表8。

由表8可知，外涵道总压损失增加，导致外涵流道的流通能力降低，风扇外涵工作线上移，稳定裕度减小。风扇外涵流量减小，内涵流量增大。

表8 外涵道总压恢复系数σF降低1%对台架性能的影响

3.9 发动机台架性能影响

从以上各部件效率、流路损失对发动机推力、耗油率以及排气温度的影响分析可知，虽然各因素变化量都是1%，但是对发动机性能影响的程度存在很大差异。图1～3分别为各因素对发动机推力、耗油率、排气温度的影响程度对比。

4 结论

对大涵道比涡轮风扇发动机：

（2）外涵道总压损失对发动机推力影响较大，总压恢复系数降低1%，对应的发动机推力在n¯1R=const时减小1%～2%；

（3）在起飞点附近，风扇外涵总压恢复系数、低压涡轮效率对发动机耗油率影响较大，1%的变化使耗油率升高约1.2%；

（4）核心机部件的效率对发动机排气温度影响较大，其中高压涡轮效率降低1%，将使发动机排气温度△T495升高约9～10 K；

（5）只有核心机部件的效率对高压压气机的稳定裕度产生了影响，其中高压压气机、高压涡轮的效率降低1%使高压稳定裕度损失约1%；核心机部件效率降低对风扇内涵+增压级的稳定裕度影响较大。

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