压气机末级引气温度变化对发动机性能的影响研究_顾嫄媛.pdf

年第期压气机末级引气温度变化对发动机性能的影响研究顾嫄媛，周玉昭，李俊，赵红娇（中国航发沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳 ）摘要：本文基于发动机试验数据，建立了压气机末级不同引气温度变化与压气机出口温度的函数关系，并分析了引气温度变化对发动机性能的影响，分析结果表明在综合考虑压气机末级引气温度变化后，高压涡轮进口温度和出口温度均有所升高，相对而言对高压涡轮进口温度的升高影响较小，对高压涡轮出口温度的升高影响较大。关键词：发动机；压气机末级引气；涡轮出口温度中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：顾嫄媛（），女，工程师，硕士研究生，从事航空发动机总体性能设计。引言在航空发动机设计验证过程中，超温问题是发动机性能不达标的主要原因，也是制约发动机性能提升的影响因素，造成发动机超温问题的原因之一为发动机总体性能匹配偏离，这是由于在进行发动机总体性能方案设计时，对总体性能设计模型建立考虑不全面，导致发动机试验性能与设计性能偏差较大，难以满足初始指标要求和最终使用需求。在目前的航空发动机总体性能设计模型建立中，通常用压气机出口温度代表压气机末级各引气流路温度，但在实际空气系统引气中，各路引气能量会发生变化，导致引气温度会明显高于压气机出口温度，这些差别会影响发动机总体性能匹配结果。因此在发动机方案设计阶段，提前考虑真实的引气温度变化后再进行总体性能方案的匹配计算，能够提升发动机总体性能方案设计能力，缩小试验性能与设计性能的偏差。本文基于发动机试验结果，建立了压气机末级不同流路引气温度变化与压气机出口温度的函数关系，分析了引气温度变化对发动机性能的影响。通过本文研究，旨在为总体性能设计模型的完善提供理论依据，提高总体性能方案设计的准确性和合理性。发动机总体性能设计模型发动机总体性能设计模型是针对发动机设计不同阶段需求，形成发动机设计全过程模型，主要包括论证阶段初始模型和方案设计阶段状态模型。其中发动机论证阶段初始模型主要在方案论证阶段，应用于总体性能专业与采购方迭代发动机功能和性能，并综合考虑部件性能实现能力，实现总体性能方案从到的过程，作为发动机各部件和系统的设计输入。本文应用发动机论证阶段初始模型开展压气机末级引气温度变化对发动机性能影响分析，模型的建立过程如下：（）设计点参数：设计点通常为发动机最关注状态，通常选定地面状态作为设计点，发动机初始模型需要确定发动机进口流量、压气机压比、压气机效率、主燃烧室出口温度、主燃烧室总压恢复系数、主燃烧室燃烧效率、高压涡轮效率和高压涡轮落压比等设计参数，以及各部件在通用特性上的基准点；（）部件模型：采用技术水平相近的通用部件特性代表部件性能，采用技术能力相近的发动机二次流系统作为初始的二次流系统，采用固定的机械效率，采用相同形式的喷管通用特性作为喷管特性；（）控制规律：在确定的发动机转速和截面温度限制条件下，初步设计主控制规律和几何控制规律。发动机压气机引气流路简介发动机空气系统引气主要用于支点封严、转子盘通风、高压涡轮导叶冷却、后承力机匣冷却、高压涡轮盘后冷却、高压涡轮转子冷却均温和高压涡轮外环块冷却等，其引气引出位置主要包括压气机中间级引气和压气机末级引气，其引气排出位置主要包括高压涡轮导叶进口、高压涡轮转子进口、高压涡轮出口和高压涡轮后机匣进口。空DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.008内燃机与配件 气系统引气流路如图所示，其中压气机末级引气主要分为路，其排气位置分别为：压气机出口篦齿盘（图所示路）、高压涡轮导叶和缘板（图示 路）、高压涡轮外环（图所示路）、高压涡轮盘前（图所示路）和高压涡轮转子和缘板泄露（图所示路）。图发动机引气流路示意图计压气机末级引气温度与压气机出口温度相关性分析在现有发动机总体性能设计模型中，压气机末级各空气系统流路引气温度均采用压气机出口温度测试值（简称），而在实际空气系统流路中，除压气机出口篦齿盘（图所示路）流路外，其它引气流路的引气温度均与压气机出口温度有所差别，均可通过空气系统测试测点进行测量，分别用 （图所示、路）、（图所示 路）和 （图所示路）代表压气机末级各路引气温度。以发动机试验数据为基础，分别统计不同试验环境下，压气机末级各路引气温度 、和 测试值与压气机出口温度测试值 之间的关系如图所示，可得 、和 温度测试值均与压气机出口温度测试值 呈线性关系，压气机出口温度越高，压气机末级各路引气温度越高，引气能量变化越大，与压气机出口温度的差别越大。图压气机末级引气温度与压气机出口温度关系压气机末级引气温度变化敏感性分析 压气机末级引气温度变化对高压涡轮进口温度敏感性分析分别考虑高压涡轮导叶和缘板引气、高压涡轮转子和缘板泄露气、高压涡轮外环引气和高压涡轮盘前排气温度相比压气机出口温度升高 时，对发动机高压涡轮进口温度的影响，如图所示可得：（）高压涡轮导叶和缘板引气温度升高，使发动机高压涡轮进口温度降低 ；（）高压涡轮转子和缘板泄露气温度升高，使发动机涡轮进口温度升高 ；（）涡轮外环引气温度升高，使发动机涡轮进口温度升高 ；（）涡轮盘前排气升高，使发动机涡轮进口温度升高 。压气机末级引气温度变化对高压涡轮出口温度敏感性分析分别考虑高压涡轮导叶和缘板引气、高压涡轮转子和缘板泄露气、高压涡轮外环引气和高压涡轮盘前排气温度相比压气机出口温度升高 时，对发动机高压涡轮出口温度的影响，如图所示可得：（）高压涡轮导叶和缘板引气温度升高，使高压涡轮出口温度升高 ；（）高压涡轮转子和缘板泄露气温度升高，使高压涡轮出口温度升高；（）涡轮外环引气温度升高，高压涡轮出口温度升高 ；（）涡轮盘前排气升高，使高压涡轮出口温度升高 。图引气温度变化对高压涡轮进口温度影响图引气温度变化对高压涡轮出口温度影响压气机末级引气温度变化对发动机性能影响分析在引入高压涡轮导叶和缘板引气实际比例后，这路引气的温升约为 ，考虑这路引气温度升高对发动机总体性能设计模型进行修正后，发动机设计点总体性能参数变化如表所示，考虑高压涡轮导叶和缘板引气温度升高后使高压涡轮进口温度降低 ，高压涡轮出口温度升高 ，对发动机整机温比基本无影响。年第期表高压涡轮导叶和缘板引气对性能影响参数单位性能参数变化参数单位性能参数变化压气机出口总压 高压涡轮出口总压 压气机出口总温无高压涡轮出口总温 压气机压比无高压涡轮落压比无高压涡轮进口总压 发动机温比无高压涡轮处口总温 发动机压比无在引入高压涡轮转子和缘板泄露气实际比例后，这路引气的温升约为 ，考虑这路引气温度升高对发动机总体性能设计模型进行修正后，发动机设计点总体性能参数变化如表所示，考虑高压涡轮转子和缘板泄露气温度升高后，使高压涡轮进口温度升高 ，高压涡轮出口温度升高 ，对发动机整机温比略有影响。表高压涡轮转子和缘板泄露气对性能响参数单位性能参数变化参数单位性能参数变化压气机出口总压 高压涡轮出口总压 压气机出口总温无高压涡轮出口总温 压气机压比无高压涡轮落压比无高压涡轮进口总压 发动机温比 高压涡轮处口总温 发动机压比无在引入高压涡轮外环引气实际比例后，这路引气的温升约为 ，考虑这路引气温度升高对发动机总体性能设计模型进行修正后，发动机设计点总体性能参数变化如表所示，考虑高压涡轮外环冷却气温度升高后，使高压涡轮进口温度升高 ，高压涡轮出口温度升高 ，对发动机整机温比基本无影响。表高压涡轮外环冷却气对性能响参数单位性能参数变化参数单位性能参数变化压气机出口总压 高压涡轮出口总压 压气机出口总温无高压涡轮出口总温 压气机压比无高压涡轮落压比无高压涡轮进口总压 发动机温比无高压涡轮处口总温 发动机压比无在引入高压涡轮盘前排气实际比例后，这路引气的温升约为 ，考虑这路引气温度升高对发动机总体性能设计模型进行修正后，发动机设计点总体性能参数变化如表所示，考虑涡轮盘前排气温度升高后，使高压涡轮进口温度升高 ，高压涡轮出口温度升高 ，对发动机整机温比略有影响。表涡轮盘前排气对性能响参数单位性能参数变化参数单位性能参数变化压气机出口总压 无高压涡轮出口总压 压气机出口总温无高压涡轮出口总温 压气机压比无高压涡轮落压比无高压涡轮进口总压 发动机温比无高压涡轮处口总温 发动机压比无综合考虑压气机末级引气温度变化后对发动机总体性能设计模型进行修正，发动机设计点总体性能参数对比如表所示，发现在考虑压气机末级引气温升后，高压涡轮进口温度升高 、高压涡轮出口温度升高 、发动机整机温比升高 。表压气机末级引气温度对性能综合影响参数单位性能参数变化参数单位性能参数变化压气机出口总压 高压涡轮出口总压 压气机出口总温无高压涡轮出口总温 压气机压比无高压涡轮落压比无高压涡轮进口总压 发动机温比 高压涡轮处口总温 发动机压比无结论本文基于发动机试验结果，研究了引气能量变化对发动机性能的影响，得到如下结论：（）发动机各路引气温度变化与压气机出口温度近似呈线性关系，压气机出口温度越高，引气温度升高越多，引气能量变化越大；（）除高压涡轮导叶和缘板引气温度升高会使高压涡轮进口温度降低外，其它各路压气机末级引气温度升高均会使高压涡轮进口温度升高；（）各路压气机末级引气温度升高均会使高压涡轮出口温度升高；（）在综合考虑各路引气温度变化后，发动机高压涡轮进口温度和出口温度均有所升高，相对而言对高压涡轮进口温度的升高影响较小，对高压涡轮出口温度的升高影响较大。