功率提取對啟動機功率選取的影響

崔金輝,閆雨嘉,周玉昭

(中國航發沈陽發動機研究所,遼寧 沈陽 110015)

1 引 言

航空發動機作為飛機的動力裝置,除了提供飛機所需的推力外,向飛機和發動機自身輸出功率也是其基本功能之一。在工作過程中,發動機必須驅動某些發動機附件和飛機附件,使之正常工作以滿足發動機和飛機的要求[1]。

功率提取會對航空發動機性能產生影響,近年來,在功率提取方面的研究越來越多。趙運生等人利用自行開發的性能仿真程序,分析了不同功率提取量對發動機推力、耗油率和穩定裕度的影響,并給出了定量的評定[2]。王占學等人發展了彈用渦扇發動機氣動穩定性影響計算分析模型,定量分析了功率提取對渦扇發動機工作穩定性的影響[3]。馬振基于發動機部件級穩態模型,研究了功率提取對發動機高壓壓氣機喘振裕度的影響[4]。李麗等借助飛行試驗研究了功率提取對發動機艙冷卻系統性能的影響[5]。張鏡洋等研究了功率提取與發動機燃油經濟性的關系,完成了對燃油經濟性影響分析[6]。

以上研究均加深了對功率提取的理解,但有限的資料表明,目前的研究主要集中在功率提取對發動機的影響分析方面,并未涉及到功率提取對啟動機功率需求或啟動機選取的影響。事實上,根據發動機實際使用經驗,功率提取量值和提取時機對啟動機最大輸出功率的選取有著顯著的影響。

啟動機功率選取作為航空發動機啟動性能設計中的一項重要技術活動,具有難度大、影響因素多、跨學科的特點。國內外在啟動機功率選取方面鮮有文獻報道,公開資料顯示,關于啟動機的研究主要包括以下領域,如空氣渦輪啟動機與APU特性的匹配[7]、啟動機可靠性分析[8]、空氣渦輪啟動機包容性研究[9,10]、啟動機故障分析[11]、啟動機改進設計研究與驗證[12]、啟動機試驗方法研究[13]等。

本文以某型新投產的渦扇發動機和某空氣渦輪啟動機為研究對象和計算平臺,根據轉子扭矩平衡方程搭建了啟動機功率選取仿真計算模型,開展了發動機功率提取(提取量值和提取時機)對啟動機功率選取的分析研究。相對之前的啟動機功率選取仿真計算模型[14,15],本文在剩余力矩的計算方面所考慮的因素更加全面、完善,研究結論能夠為后續啟動機的選型提供參考。

2 啟動機功率扭矩特性

啟動機輸出扭矩MST為啟動機轉速N的一次函數,輸出功率PST為啟動機轉速N的二次函數。實際使用中,以啟動機最大輸出功率來衡量啟動機的帶轉能力。最大輸出功率越大,表明啟動機帶轉能力越強。

MST=MST0-kst×N

(1)

(2)

式中,MST為啟動機輸出扭矩(N·m),N為啟動機物理轉速(r/min),MST0為轉速為0時的輸出扭矩(N·m),kst為輸出扭矩函數的斜率,PST為啟動機輸出功率。

以現役成熟的某型啟動機為例,圖1給出了啟動機輸出功率和扭矩的關系。啟動機輸出功率的大小決定了輸出扭矩的高低,從而影響發動機在不同轉速段上的轉速上升率,進而影響發動機的啟動性能。啟動機功率扭矩特性對發動機啟動性能的調整和啟動過程供油控制規律的給定有著明顯的影響,例如當低轉速段啟動機扭矩較大,則在低轉速段上可以降低發動機啟動供油量,進而改善壓縮部件喘振裕度,降低了失速或喘振的風險。

圖1 啟動機功率扭矩特性

3 扭矩平衡法說明

3.1 轉子扭矩平衡方程

扭矩平衡法是啟動機功率選取最為準確的方法。扭矩平衡法主要是基于轉子扭矩平衡方程,建立啟動機功率選取數學模型,通過解方程確定啟動機扭矩大小,進而根據功率和扭矩之間的關系準確確定啟動機所需功率。轉子扭矩平衡方程如下:

(3)

式中,MST表示啟動機輸出扭矩(N·m);MT為高壓渦輪產生的扭矩(N·m);MC表示高壓壓氣機氣動阻力矩(N·m),與壓氣機轉速的平方成正比,與壓氣機設計能力相關;MZ為摩擦阻力矩(N·m),是發動機屬性參數;MF為燃滑油附件阻力矩(N·m);MP為因功率提取而產生的扭矩衰減量(N·m);MD為因性能衰減而產生的扭矩衰減量(N·m);J為高壓轉動軸的轉動慣量(kg·m2),是發動機屬性參數;n為發動機高壓轉子物理轉速(r/min),dn/dt為高壓轉速變化率(r/min/s)。

通過解方程求解MST,進而根據扭矩和功率的關系(式(2))獲得啟動機輸出功率。

3.2 啟動過程分段方法

扭矩平衡法主要以發動機點火轉速、脫開轉速為輸入,以啟動時間為約束邊界,計算在相應的轉動慣量下,發動機能夠成功啟動所需的啟動機功率。扭矩平衡法對啟動過程進行分段求解,將啟動過程劃分為3個階段進行計算。

啟動的第一階段為0轉速到點火轉速之間的階段。第一階段由啟動機單獨帶動,渦輪未投入工作,扭矩為0,根據上述公式,可以得到本階段啟動時間表達式為:

(4)

啟動的第二階段為點火轉速到啟動機脫開轉速之間的階段。第二階段渦輪投入工作,啟動時間表達式如下:

(5)

啟動的第三階段為啟動機脫開后到慢車轉速階段。本階段僅有渦輪剩余扭矩帶動轉子加速,第三階段啟動時間表達式如下:

(6)

方程中,nd、nt、nidl分別表示點火轉速、脫開轉速、慢車轉速。

3.3 阻力矩影響分析

在方程(3)中,MC、MZ、MF、MP、MD均可以認為是阻力矩,對啟動有不利的影響,在計算中予以考慮。

壓氣機氣動阻力矩MC是發動機轉速的函數,如式(7)所示,式中的系數k為阻力矩系數,與壓氣機氣動性能有關,可通過壓氣機部件試驗確定。

MC=k×n2

(7)

摩擦阻力矩MZ和燃滑油附件阻力矩MF為發動機屬性參數,一直存在于發動機各傳動系統中,但目前不具備開展測量試驗的條件,無法確定摩擦阻力矩及燃滑油附件阻力矩的大小?？紤]到其數值較小,本文在計算中暫不考慮。

性能衰減是客觀存在的自然規律,隨著使用時間的延長,啟動機自由渦輪的效率降低,同時發動機各部件性能也出現衰減,因此因性能衰減而產生的扭矩衰減量MD也會給啟動機功率選取帶來一定的影響,但目前無法評估因性能衰減導致的扭矩衰減量,因此本文后續計算采用一臺較新的發動機作為計算平臺,認為新機沒有性能衰減,在計算啟動機功率需求時,可暫不考慮性能衰減的影響。

在裝機條件下,飛機使用部門會提出啟動過程加載的需求,導致用于驅動高壓轉子加速的剩余功率降低,即存在因功率提取而產生的扭矩衰減量MP。如果功率提取量值較大,將會導致轉速上升率降低、啟動時間延長甚至超出規定要求。另外,功率提取的時機也會對啟動機功率選取有明顯的影響。功率提取起始轉速越小,對啟動過程轉速上升率的影響越大。本文重點研究該項內容。

4 計算結果與分析

本文以某型新投產的發動機在海平面(高度H=0km)標準大氣條件下的啟動過程為計算平臺,通過調整功率提取量值(0kW、10kW、20kW)和功率提取起始轉速(10%、20%、60%),得到不同輸入條件下的轉速上升率。

計算輸入條件為:點火轉速為17%,脫開轉速為53%,慢車轉速為65%,啟動時間要求不超過50s。以上特征轉速均為無量綱數據。

4.1 功率提取量值的影響

首先,在上述輸入條件下,不考慮功率提取,計算了發動機能夠在規定的時間內成功啟動所需要的啟動機功率,其值應不小于120kW。

其次,在上述輸入條件下,給定啟動機輸出功率為120kW,功率提取初始轉速暫定為20%,計算了功率提取量對轉速上升率的影響(如圖2所示)。計算結果表明,隨著功率提取量的增加,啟動的轉速上升率下降、啟動時間變長。當功率提取從0kW增加到20kW時,啟動時間延長了14%。

圖2 功率提取量對轉速上升率的影響

因此,為保持發動機啟動性能不受功率提取的影響,需增大啟動機的最大輸出功率,彌補因功率提取造成的啟動性能下降。在本算例中,當功率提取量值從0kW升高至20kW時,為保持啟動時間不變,啟動機的最大輸出功率應從120kW增加到160kW。由此可見,功率提取對啟動機最大輸出功率有較大的影響,即影響了啟動機的選型。因此,需要權衡啟動機設計能力和功率提取量值之間的約束關系,功率提取量值增大,要求的啟動機功率就越大,對啟動機的設計能力會提出更高的要求,增加了啟動機的設計成本和技術難度。

4.2 功率提取初始轉速的影響

在上述輸入條件下,給定啟動機輸出功率為120kW,功率提取量暫定為10kW,計算了功率提取初始轉速對轉速上升率的影響(如圖3所示)?？梢钥闯?隨著功率提取初始轉速的降低,啟動時間越來越長。當功率提取初始轉速從60%降低到10%時,啟動時間增加了11.1%。

圖3 功率提取初始轉速對轉速上升率的影響

為保持發動機啟動過程轉速上升率不受功率提取的影響,需要增大啟動機的最大輸出功率,彌補因功率提取初始轉速降低造成的啟動性能下降。在本算例中,當功率提取初始轉速從60%降低到10%時,為保持啟動時間不變,啟動機最大輸出功率應從120kW增加到145kW。

對于功率提取時機的問題,是由飛機的能力和任務需求確定的。從飛機系統的角度看,希望功率提取時機越早越好,但功率提取初始轉速越低,對啟動機最大輸出功率的要求就越高,這在一定程度上增加了啟動機設計難度。

4.3 小結

在開展啟動機設計工作前,需與飛機使用方協調確定飛機對于功率提取的要求,明確飛機的輸入,確定功率提取量值和功率提取的時機,進而確定啟動機最大輸出功率需求。另外,在進行啟動機選型時,需要考慮一定的功率裕度儲備。由于在進行計算時并未將摩擦阻力矩和燃滑油附件阻力矩考慮在內,同時對于工作時間較長的發動機和啟動機,其性能必然存在衰減,因此啟動機功率的最終確定需要考慮相應的功率裕度儲備,在計算結果的基礎上增加一定的量值。

5 結 論

為研究發動機功率提取對啟動機功率選取的影響,本文以轉子扭矩平衡方程為基礎搭建了啟動機功率選取仿真計算模型,并在模型中增加了功率提取項?；谀Ｐ?計算了功率提取量值和提取時機對啟動過程轉速上升率的影響,得出以下結論:

(1)功率提取量值增加或者功率提取初始轉速降低,啟動過程轉速上升率下降、啟動時間變長,反之也成立。

(2)當功率提取量需求增加或者功率提取初始轉速降低時,為保持啟動時間不變,應采用更大功率級的啟動機。

(3)本文考慮到了摩擦阻力矩、燃滑油附件阻力矩以及性能衰減的影響,但并未對其賦值。雖然摩擦阻力矩、燃滑油附件阻力矩數值較小,但仍會對計算結果產生影響。對于使用時數較長的發動機,性能衰減也是不可忽略的因素。因此,后續需開展研究,明確摩擦阻力矩、燃滑油附件阻力矩的計算方法,同時研究性能衰減對阻力矩的影響規律,并在計算過程中將以上因素考慮在內,提高啟動機功率需求計算的精度。