CN108254206B - 一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,通过对压气机转速、压气机可调静叶角度、试验器进气节流阀门开度和试验器排气节流阀门开度四个物理参数的组合协同调节,实现对压气机试验工作状态的控制;将压气机工作状态控制在各等转速工作线堵点附近区域进行升速和降速操作;多排静叶单调时,采取升转速时从后往前依次调节和降转速时从前往后依次调节的方法,以满足压气机非设计转速下级间匹配规律寻优调节的需要;本发明基于合理利用压气机试验器进气节流阀门的流阻作用,在进口节流降低压气机功率消耗的同时,通过与试验器排气节流阀门进行组合匹配调节,实现对压气机工作状态的实时精准调控。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机轴流压气机部件气动性能试验研究领域,适用于在地面敞开吸气式压气机试验器上开展的民机大涵道比涡扇发动机高总压比多级轴流压气机变工况性能特性试验,提出了一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法。
背景技术
高总压比多级轴流压气机是民机大涵道比涡扇发动机的核心压缩部件,其设计总压比远高于军用小涵道比涡扇发动机高压压气机。该类型压气机试验件具有驱动功率大、排气压力和温度高、可调节静叶级数多、级件匹配规律复杂等特点,使得高总压比多级压气机的气动设计与性能调试具有很高的技术难度,同时,对压气机试验器的综合试验能力和试验方法均提出了很高的技术要求。目前,总压比接近20的多级轴流压气机研制工作在国内尚处于起步阶段,技术储备严重不足,与国外先进水平相比,综合技术差距非常明显。
针对单排或多排静叶角度可调节的常规多级轴流压气机,国内在对其进行性能试验时,大多采用转速、静叶角度和排气节流阀门联合调节的试验状态控制方法,即先将试验器排气节流阀门固定在某个开度位置,在改变压气机工作转速的同时,按给定的压气机静叶角度调节规律同步调节控制可调静叶角度;当压气机达到目标转速后,保持静叶角度变化,通过调节排气节流阀门开度位置改变压气机出口背压以实现压气机工作状态沿等转速工作线变化,最终完成压气机等转速工作特性曲线的测量。采用上述状态调节方法进行高总压比多级压气机性能试验时,由于压气机非设计转速(尤其是偏离设计转速较远的中、低转速)级间匹配对于静叶角度和工作点位置特别敏感,当转速、静叶角度和工作点位置三个参数不匹配时,压气机非常容易进入旋转失速或喘振等不稳定工作状态,加之高总压比多级压气机失稳后的喘振能量通常较大,在紧急打开排气节流阀门时,压气机在短时间内无法退出不稳定工作状态,给压气机试验件的安全运行带来严重危害。
国外先进航空发动机研究机构(如美国的NASA、GE公司、普惠公司;英国的罗罗公司;德国的MTU公司、Anecom公司;俄罗斯的CIAM等)拥有试验功能强大的压气机试验器,在高总压比多级压气机性能试验调试方面积累了丰富工程经验,先后研制出了多台全工况性能优异的高压压气机,已在多个民用大涵道比涡扇发动机型号上得到应用(如GE公司的E3十级高压压气机,普惠公司为PW6000发动机研制的六级高压压气机等)。针对高总压比多级压气机性能试验状态调节控制方法,目前,通过技术查新、文献检索等途径未发现相关内容信息的详细阐述。
发明内容
本发明的目的:在国内现有多级轴流压气机试验状态调节控制方法的基础上,针对民机大涵道比涡扇发动机高总压比多级压气机特有典型技术特征,提出一种适用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,满足压气机非设计转速下气动性能对静叶角度和工作点位置敏感性要求,保证高总压比多级压气机变工况性能优化试验的顺利开展,降低高总压比多级压气机试验调试运行的技术风险,提高压气机试验研究工作的成功率和有效率。
本发明的技术方案:为了达到上述目的,本发明的技术方案阐述如下:
一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,通过对压气机转速、压气机可调静叶角度、试验器进气节流阀门开度和试验器排气节流阀门开度四个物理参数的组合协同调节,实现对压气机试验工作状态的控制。
所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法包括以下步骤:
步骤1、将试验器进气节流阀门和试验器排气节流阀门均设置在全开位置;
步骤2、提升压气机转速至目标转速;
步骤3、在目标转速下进行性能录取;
步骤4、降低转速。
所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,所述步骤2还包括:
步骤2.1、根据预先给定的压气机可调静叶角度随转速变化的控制规律对压气机可调静叶角度进行实时调节;
步骤2.2、在提升转速过程中,当压气机消耗功率达到试验器动力驱动功率限定值时,调节试验器进气节流阀门位置进行节流;
步骤2.3、当压气机工作点位置偏离计算等转速工作线堵点时,调节试验器排气节流阀门位置保证压气机工作点绝热效率不低于50%;
所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,所述步骤3还包括:
步骤3.1、维持目标转速,保持可调静叶角度不变;
步骤3.2、逐步关小试验器排气节流阀门开度进行等转速工作特性曲线录取,使压气机工作点从等转速工作线堵点向稳定工作边界变化;
步骤3.3、压气机达到稳定工作边界后,快速打开试验器排气节流阀门进行退喘,保证压气机工作点回退至等转速工作线堵点附近;
所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,所述步骤4还包括:
步骤4.1、可调静叶角度随转速变化进行跟随调节;
步骤4.2、试验器进气节流阀门和试验器排气节流阀门随转速下降均逐步打开,保证压气机工作点位置始终处于等转速工作线堵点附近。
所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,多排静叶单调时,需要单独调节控制各排静叶角度的反馈参数,所述步骤2.1进一步包括了:根据预先给定的压气机可调静叶角度随转速变化的控制规律从后面级往前面级对各排压气机可调静叶角度依次进行实时调节。
所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,多排静叶单调时,需要单独调节控制各排静叶角度的反馈参数,所述步骤4.1进一步包括了:可调静叶角度随转速变化进行跟随调节,调节顺序为从前面级往后面级依次进行。
所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,在所述步骤3.2中,当调节试验器排气节流阀门开度不能及时准确定位压气机工作点时,通过调整试验器进气节流阀门开度来辅助试验器排气节流阀门进行组合匹配调节。
本发明的有益效果:本发明提出了一种适用于民机大涵道比涡扇发动机高总压比多级压气机部件性能试验的状态调节方法,与传统军机小涵道比涡扇发动机多级轴流压气机试验状态调节方法相比,该状态调节方法对压气机试验***无其他额外要求,无需对国内现有压气机试验器进行硬件改造和功能提升,通过试验状态调节方法的创新,在一定程度上扩展了国内现有压气机试验器的试验能力。本发明所提出的状态调节方法已经多次在压气机性能试验中进行了充分验证,验证效果表明:该状态调节方法有效弥补了传统多级压气机状态调节方法的局限性,显著缓解和改善了高总压比多级压气机升速和降速过程中突发失速和喘振现象,有力降低了压气机试验运行风险,保证了性能试验研究工作的顺利开展。
本发明适用于在地面敞开吸气式压气机试验器上开展民机高总压比多级压气机性能试验研究的需要,方法简单、易于操作,填补了国内相关技术空白,在国内先进民机大涵道比涡扇发动机研制中具有较高的推广应用价值,有望在国内民机大涵道比涡扇发动机研制领域产生较好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明中的多排静叶联调高总压比多级压气机试验状态调节方法流程图;
图2是本发明中的多排静叶单调高总压比多级压气机试验状态调节方法流程图。
具体实施方式:
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明:
高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法共涉及四个调节参数:压气机转速、压气机可调静叶角度、试验器进气节流阀门开度和排气节流阀门开度。试验过程中,通过对上述四个物理参数的组合协同调节,实现对压气机匹配工作状态的实时精确控制。可调静叶角度根据压气机试验件具体结构不同,分为以下两种情况:多排静叶联合调节和多排静叶单独调节。多排静叶联调时,各排可调静叶角度的配比关系由压气机静叶角度调节联动机构自身确定,对于试验操作而言,仅需控制其中任何一排静叶角度反馈参数即可。多排静叶单调时,则需要同时调节控制各排静叶角度的反馈参数。针对高总压比多级压气机非设计转速下级间气动匹配对可调静叶角度与工作点位置的敏感性问题,将压气机工作状态控制在各等转速工作线堵点附近区域进行升速和降速操作。针对多排静叶单调压气机调控参数多,静叶角度实时跟随困难的问题,根据高总压比多级压气机变工况级间匹配特性研究结果,采取升转速时从后往前依次调节和降转速时从前往后依次调节的策略。针对高总压比多级压气机驱动功率大、排气参数高的问题,合理利用压气机试验器进气节流阀门的流阻作用,在进口节流降低压气机功率消耗的同时,通过与试验器排气节流阀门进行组合匹配调节,实现对压气机工作状态的实时精准调控。
以下两个实施例分别是多排静叶联调和多排静叶单***况下本发明方法的具体应用方式:
a)多排静叶联调高总压比多级压气机试验状态调节方法的技术方案表述如下:
1)试验前,将试验器进气节流阀门和排气节流阀门均设置在全开位置;
2)压气机升速过程中,根据预先给定的可调静叶角度随转速变化规律进行实时调节;当压气机消耗功率达到试验器动力驱动功率限定值时,调节试验器进气节流阀门位置进行节流,节流程度根据压气机进气雷诺数确定(保证进气雷诺数大于临界雷诺数);当压气机工作点位置偏离计算等转速工作线堵点时,调节试验器排气节流阀门位置保证压气机工作点绝热效率不低于50%;
3)当压气机达到目标转速后,保持可调静叶角度不变,逐步关小试验器排气节流阀门开度进行等转速工作特性曲线录取(必要时可通过关小进气节流阀门开度控制压气机工作点具***置);当压气机达到稳定工作边界后,通过快速打开排气节流阀门进行退喘,保证压气机工作点回退至等转速工作线堵点附近;
4)压气机降速过程中,可调静叶角度随转速变化进行跟随调节,同时,试验器进气节流阀门和排气节流阀门随转速下降均逐步打开,保证压气机工作点位置始终处于各等转速工作线堵点附近。
b)多排静叶单调高总压比多级压气机试验状态调节方法的技术方案表述如下:
1)试验前,将试验器进气节流阀门和排气节流阀门均设置在全开位置;
2)压气机升速过程中,根据预先给定的可调静叶角度随转速变化规律从后面级往前面级依次进行调节(即按照Sn>Sn-1>S1>S0的顺序);当压气机消耗功率达到试验器动力驱动功率限定值时,调节试验器进气节流阀门位置进行节流,节流程度根据压气机进气雷诺数确定(保证进气雷诺数大于临界雷诺数);当压气机工作点位置偏离计算等转速工作线堵点时,调节试验器排气节流阀门位置保证压气机工作点绝热效率不低于50%;
3)当压气机达到目标转速后,保持可调静叶角度不变,逐步关小试验器排气节流阀门开度进行等转速工作特性曲线录取(必要时可通过关小进气节流阀门开度控制压气机工作点具***置);当压气机达到稳定工作边界后,通过快速打开排气节流阀门进行退喘,保证压气机工作点回退至等转速工作线堵点附近;
4)压气机降速过程中,可调静叶角度随转速变化进行跟随调节,调节顺序为从前面级往后面级依次进行(即按照S0>S1>Sn-1>Sn的顺序),如果出现多级可调静叶角度滞后于转速变化情况时,重点保证第一排可调静叶角度;同时,试验器进气节流阀门和排气节流阀门随转速下降逐步打开,保证压气机工作点位置始终处于各等转速工作线堵点附近。
Claims (6)
1.一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,其特征在于,通过对压气机转速、压气机可调静叶角度、试验器进气节流阀门开度和试验器排气节流阀门开度四个物理参数的组合协同调节,实现对压气机试验工作状态的控制;包括以下步骤:
步骤1、将试验器进气节流阀门和试验器排气节流阀门均设置在全开位置;
步骤2、提升压气机转速至目标转速,具体是:
步骤2.1、根据预先给定的压气机可调静叶角度随转速变化的控制规律对压气机可调静叶角度进行实时调节;
步骤2.2、在提升转速过程中,当压气机消耗功率达到试验器动力驱动功率限定值时,调节试验器进气节流阀门位置进行节流;
步骤2.3、当压气机工作点位置偏离计算等转速工作线堵点时,调节试验器排气节流阀门位置保证压气机工作点绝热效率不低于50%;
步骤3、在目标转速下进行性能录取;
步骤4、降低转速。
2.根据权利要求1所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,其特征在于,所述步骤3还包括:
步骤3.1、维持目标转速,保持可调静叶角度不变;
步骤3.2、逐步关小试验器排气节流阀门开度进行等转速工作特性曲线录取,使压气机工作点从等转速工作线堵点向稳定工作边界变化;
步骤3.3、压气机达到稳定工作边界后,快速打开试验器排气节流阀门进行退喘,保证压气机工作点回退至等转速工作线堵点附近。
3.根据权利要求1所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,其特征在于,所述步骤4还包括:
步骤4.1、可调静叶角度随转速变化进行跟随调节;
步骤4.2、试验器进气节流阀门和试验器排气节流阀门随转速下降均逐步打开,保证压气机工作点位置始终处于等转速工作线堵点附近。
4.根据权利要求1所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,其特征在于,多排静叶单调时,需要单独调节控制各排静叶角度的反馈参数,所述步骤2.1进一步包括了:根据预先给定的压气机可调静叶角度随转速变化的控制规律从后面级往前面级对各排压气机可调静叶角度依次进行实时调节。
5.根据权利要求3所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,其特征在于,多排静叶单调时,需要单独调节控制各排静叶角度的反馈参数,所述步骤4.1进一步包括了:可调静叶角度随转速变化进行跟随调节,调节顺序为从前面级往后面级依次进行。
6.根据权利要求2所述的一种用于高总压比多级压气机性能试验的状态调节方法,其特征在于,在所述步骤3.2中,当调节试验器排气节流阀门开度不能及时准确定位压气机工作点时,通过调整试验器进气节流阀门开度来辅助试验器排气节流阀门进行组合匹配调节。
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多级轴流压气机多排可转导/静叶联合调节规律研究;廖吉香 等;《推进技术》;20170228;第38卷(第2期);第334-340页 * |
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