核心机试验状态确定方法研究

核心机试验状态确定方法研究

曾强

沈阳发动机研究所，沈阳 110015

Research of Core Engine Test State Determination Method

Zeng Qiang

（ShenYang Engine Research Institute，Shen Yang 110015，China）

摘要：本文利用建立的数学模型，通过仿真分析了核心机进气温度、进气压力和油门杆位置的试验因素的变化对核心机性能指标、台架试验能力和核心机使用限制的影响；对核心机试验项目、目的和性能指标综合分析，确定满足约束条件的核心机试验状态，降低试验风险；最后以某型核心机试验为对象，通过调整获得了合理的试验状态。

关键字：核心机 试验状态 试验因素

1. 引言

航空发动机作为飞机的心脏,是一个由大量部件组成的复杂气动热力学对象，其研制和发展的特点是难度大、耗资多、周期长、风险大[1,2]。发动机核心机在物理概念上是由燃气涡轮发动机高压部分的压气机、燃烧室和涡轮组成的，这三大部件在发动机中处于最恶劣的工作环境（高转速、高压、高温），所以这是评估发动机强度和使用可靠性最为关键的部件[3]，因此核心机技术则是发动机最关键和困难最大的部分,其技术水平的高低基本决定了整台发动机性能和可靠性的优劣，可以说对发动机核心机技术的掌握程度决定了航空发动机发展水平的高低。其中核心机试验测试及测试数据的处理对于发动机性能评估又起着重要作用，对于不同核心机或发动机性能评估产生重大影响[4]。

目前对核心机试验的研究较少，崔金辉等人对核心机起动过程建模和摩擦阻力矩计算等方面开展了较为深入的研究[5,6]，肖蔓对国外核心机试验和评估方法开展了相关研究[7]，李大为等人对于核心机载体发动机特种环境下高原起动进行了深入研究[8]。公开文献中关于核心机状态确定方法研究较少，同时核心机的初期调试是问题和故障容易出现的阶段，因此制定既能够实现试验指标，同时能降低核心机工作负荷的合理试验状态，是核心机初期调试中需要研究的一项重要内容。因此本文开展了核心机试验状态确定方法研究，以期为国内核心机试验调试提供技术支撑。

2. 核心机工作原理

核心机的工作原理类似于涡喷发动机，压气机和涡轮由同一根轴连接，空气连续不断地被吸入压气机，在其中压缩增压后进入燃烧室中，喷油燃烧后成为高温高压燃气，再进入涡轮中膨胀做功，涡轮所做的膨胀功一部分带动压气机压缩空气，其余部分在喷管中继续膨胀[9]。

本文以带某型核心机为研究对象，核心机基本结构示意图见图1，主要部件有进气道、压气机、主燃烧室、高压涡轮、涡轮后机匣、喷管等。该型核心机尾喷管是收敛型喷管。

图1核心机基本结构示意图

3. 核心机性能计算模拟方法

研究使用以部件法建模为主要思想建立的核心机性能计算程序，首先读入部件特性，然后进行设计点计算确定核心机相关截面的尺寸参数，非设计点求解共同工作点。

本文使用的核心机性能计算程序需要求解3个平衡方程：高压涡轮流量平衡方程，高压转子功率平衡方程，尾喷管面积平衡。通过求解以上所述平衡方程建立的共同工作方程组，即可获得核心机处于不同工作状态的相关性能参数。

程序中，油门杆控制核心机换算转速，对核心机物理转速和涡轮前温度进行了限制。

4. 试验状态确定方法研究

核心机初期调试主要开展的试验项目主要有：稳态性能试验、功能试验、推力瞬变试验和专项测试试验等，得到的核心机试验指标为核心机转速、进口空气流量、涡轮进口温度等。

一般来说，核心机试验需在可模拟工作状态的专用试车台开展试验，试车台提供规定的进气加温、加压空气，试车人员通过操纵油门杆改变核心机转速，达到目标状态。因此对核心机状态确定有影响的试验因素主要有进气温度、进气压力和油门杆位置。此外，试车台架能力和核心机使用限制也是影响试验状态确定的重要约束条件。

因此核心机试验状态确定是通过调整不同试验因素，使得核心机达到试验指标并满足约束条件。通过核心机性能计算程序开展各试验因素对核心机性能指标的影响分析以及各试验因素与约束条件的关系。下文中数据均为与初始点的相对值。

4.1.进气温度对核心机性能指标的影响

相同核心机换算转速状态下，核心机进气温度变化对核心机性能指标的影响如图2所示，纵坐标分别为核心机进口物理流量、涡轮进口温度和核心机物理转速，横坐标为核心机进口总温。随着核心机进气温度的升高，核心机进口物理流量减小，涡轮进口温度升高，核心机物理转速升高。

图2核心机进口总温对性能指标的影响

4.2.进气压力对核心机性能指标的影响

相同核心机换算转速状态下，核心机进气压力变化对核心机性能指标的影响如图3所示，纵坐标分别为核心机进口物理流量、涡轮进口温度和核心机物理转速，横坐标为核心机进口总压。随着核心机进气压力的升高，核心机进口物理流量增加，涡轮进口温度不变，核心机物理转速不变。

图3核心机进口总压对性能指标的影响

可以看出核心机进气总压主要对核心机进口物理流量影响较大，对涡轮进口温度和核心机物理转速基本无影响，因此在试验状态确定中，进气压力可以作为一个单独调整进气流量的因素进行考虑。

4.3.油门杆位置对核心机性能指标的影响

相同进气状态下，油门杆位置变化对核心机性能指标的影响如图4所示，纵坐标分别为核心机进口物理流量、涡轮进口温度和核心机物理转速，横坐标为油门杆位置。随着油门杆位置的提高，核心机进口物理流量增加，涡轮进口温度升高，核心机物理转速升高。

图4油门杆位置对性能指标的影响

4.4.试验因素与台架试验能力的关系

一般来说，台架试验能力可以用进气流量和进气温度的关系以及进气流量和进气压力的关系进行描述，试验因素与某台架试验能力的关系见图5所示，进气流量在增加到20%流量以内，提供的进气温度能保持基本不变，随着进气流量的持续增加，可提供的进气温度相应降低；台架采用气流掺混调节，随着进气流量的增加，提供的进气压力适当提高。因此核心机试验用的进气流量、进气温度和进气压力，均要受到台架试验能力包线的约束。

图5试验因素与台架试验能力的关系

4.5.试验因素与核心机使用限制的关系

核心机初期调试通常会出现硬件加工偏差、设计偏离等问题，这些因素将造成核心机匹配状态偏离，导致核心机存在一些使用上的限制条件。以某型核心机初期调试经验为例，对试验状态的轴向力评估结果见图6所示，其中轴向力高于1.0则为超过使用限制。轴向力超限影响试验安全，因此研究了试验因素对轴向力的影响，见图6所示。可以看出进气压力降低、油门杆位置降低均可使得轴向力降低，因此为了满足核心机使用限制，可以通过调整进气压力和油门杆位置使核心机处于合理的轴向力范围。

图6试验因素对核心机使用限制的影响

5. 实例分析

以某型核心机的试验状态确定为应用案例。某型核心机开展涡轮进口温度水平验证试验，以此核心机性能指标为目标，在台架试验能力和核心机使用限制约束下，对各试验因素开展了分析，最终确定了试验状态：

1)根据核心机设计状态初步确定试验因素，进气温度T25=1.0、进气压力P25=1.0、油门杆位置PLA=1.0，并开展核心机状态评估；

2)核心机状态评估结果显示试验状态存在2项问题：进气条件超出台架试验能力和核心机轴向力超限；

3)开展试验因素的影响分析，以达到涡轮进口温度水平为目标，综合考虑试验因素对性能指标和约束条件的影响，确定降低进气压力P25=0.6，保持进气温度和油门杆位置不变作为新的试验状态，可以看出调整后的试验状态既满足台架能力也满足轴向力使用限制，具体见图7。

图7调整前后的试验状态

6. 结论

通过本文研究，得出了以下结论：

1)核心机试验状态的确定是通过调整不同试验因素，使得核心机达到试验指标并满足一定的约束条件；

2)不同核心机试验因素对核心机性能指标影响不同，为达到相同的试验指标，可以采用不同试验因素组合的试验状态来实现；

3)通过调整不同核心机试验因素，可使核心机工作状态满足台架试验能力和核心机使用限制；

4)以上结论对核心机试验状态确定具有一定指导意义，同时发现单一试验因素会导致核心机试验某方面指标变化而使其他指标相反变化，因此在实际应用时需要考虑多个试验因素的组合调整。

参考文献：

[1]刘大响，程荣辉.世界航空动力技术的现状及发展动向[J].北京航空航天大学学报，2002，

28(5)：490~496.

[2][孙健国，黄金泉，叶志锋等.现代航空动力装置[M].北京：航空工业出版社，2001.

[3]梁海，发动机核心机建模及控制规律仿真研究[D].南京航空航天大学.2016（03）.

[4]李大为，王军，王晨等.大数据技术在航空发动机研发领域的应用探索[J].航空发动机,2021（02）：33-37.

[5]崔金辉，李瑞军，曾强，等.基于辨识法的核心机起动过程数学模型[J].航空发动机，2021，47（5）：6-11.

[6]崔金辉，雷杰.航空发动机起动过程摩擦阻力矩计算分析[J].航空发动机，2021，47（1）：7-11.

[7]肖蔓.国外核心机试验评估方法及启示[J].工程与试验,2016（03）：54-55+93.

[8]李大为，李家瑞，李锋等.航空发动机高原起动性能改善措施[J].航空发动机,2020（02）：47-50.

[9]廉筱纯,吴虎.航空发动机原理[M].西安:西北工业大学出版社,2005:183.