CN112253515A - 一种用于双涵道组合式压气机性能试验的状态调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于双涵道组合式压气机性能试验的状态调节方法，包括：将试验器进气节流阀门和内涵排气节流阀门均设置在全开位置；提升压气机转速至目标转速；在目标转速下进行性能录取；降低转速；通过对压气机转速、压气机可调静叶角度、涵道比、试验器进气节流阀门开度和试验器内涵排气节流阀门开度五个物理参数的组合协同调节，实现对双涵道组合式压气机匹配工作状态的实时精确控制；本发明充分考虑了变循环发动机双涵道组合式压气机级间匹配强耦合特性对可调静叶角度、涵道比与工作点位置敏感性的特殊要求，能有效控制变循环发动机双涵道组合式压气机试验调试运行的技术风险，保障双涵道组合式压气机变工况气动性能试验研究的顺利开展。
Description
技术领域
本发明涉及压气机部件气动性能试验技术领域，主要涉及一种用于双涵道组合式压气机性能试验的状态调节方法。
背景技术
先进变循环发动机是新一代战斗机中应用潜力最大的动力装置之一，其技术特点是通过主动改变发动机部件的几何形状、尺寸来调节热力循环参数，使发动机在不同工作条件下都具备最佳的热力循环，很好平衡了亚声速飞行时的低耗油率和超声速飞行时的高单位推力之间的矛盾，获得整个飞行包线范围内的最佳综合性能。在众多变循环方案中，其中受到国内外广泛关注的是带有核心机驱动风扇级(CDFS)的双涵道变循环发动机，而双涵道组合式压气机(核心机驱动风扇级和高压压气机)是其关键压缩部件。
国外先进航空发动机研究机构(如美国的GE公司、普惠公司；英国的罗罗公司；法国SNECMA公司等)从上个世纪60年代开始就致力于变循环发动机技术研究，并进行了多项试验验证，其中GE公司研制了推重比10一级的变循环发动机YF120,分别在YF-22、YF23ATF验证机上成功进行了飞行试验。由于国外在先进军用航空发动机研制上高度技术封锁，目前仅有的文献资料只是公布了试验结果，而针对双涵道组合式压气机试验状态调节控制方法等关键试验技术内容的描述鲜见公开发表。相比之下，目前国内对于变循环发动机的研究仅局限在理论分析和数值模拟方面，虽然国内有研究单位在单轴双涵压气机试验器上开展过风扇/增压级组合试验研究，具备了一定的双涵特性试验经验，但是针对设计总压比指标更高、状态调节参数更多、气动耦合程度更强的变循环发动机双外涵组合式压气机试验研究而言，仍然缺乏行之有效和可供借鉴的试验状态调节控制方法。
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，按照给定的压气机静叶角度调节规律同步调节可调静叶角度；当压气机达到目标转速后，保持静叶角度不变，通过调节排气节流阀门开度改变压气机出口背压从而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和稳定工作边界的测量。相比于带可调静叶的常规多级轴流压气机，双涵道组合式压气机在改变试验状态时除了调节转速、静叶角度和排气节流阀门外，还需要调节涵道比(即外涵流量与内涵流量之比)，当转速、静叶角度、工作点位置与涵道比四个参数同时达到设计要求后，才能开展等转速特性曲线和稳定工作边界的录取。由于状态调节参数增加，使得双涵道组合式压气机比常规多级轴流压气机试验状态调节更为复杂。相比于常规涡扇发动机风扇/增压级组合压缩部件，虽然状态调节参数基本一样，但是由于变循环发动机双涵道组合式压气机上游核心机驱动风扇和下游高压压气机存在更强的耦合匹配特性，其整体气动性能对于可调静叶角度和涵道比两个状态参数的变化非常敏感，使得国内目前已经建立和掌握的风扇/增压级双涵特性试验调节方法并不完全适用。因此，需要针对变循环发动机双涵道组合式压气机的设计特点，提出一种全新的相适应的试验状态调节控制方法。
发明内容
发明目的：本发明针对变循环发动机双涵道组合式压气机特有的典型技术特征，提出一种适用于双涵道组合式压气机性能试验的状态调节方法，满足压气机不同工作转速下气动性能对静叶角度、涵道比和工作点位置的敏感性要求，保证双涵道组合式压气机气动性能试验的顺利开展，降低双涵道组合式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有效率，为国内先进变循环发动机关键压缩部件研制提供试验技术支持。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于双涵道组合式压气机性能试验的状态调节方法，包括以下步骤：
步骤S1、将试验器进气节流阀门和内涵排气节流阀门均设置在全开位置；
步骤S2、提升压气机转速至目标转速；具体包括：
步骤S2.1、根据预设的压气机可调静叶角度和涵道比随转速变化的控制规律对压气机进行实时调节；
步骤S2.2、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，进行物理节流；
步骤S2.3、当压气机工作点位置偏离设计等转速工作线堵点时，调节试验器内涵排气节流阀门位置，使得压气机工作点绝热效率不低于50％；
步骤S3、在目标转速下进行性能录取；具体包括：
步骤S3.1、维持目标转速，保持可调静叶角度不变；
步骤S3.2、通过关小试验器内涵排气节流阀门开度进行工作点位置调节；根据试验器内涵排气节流阀门开度采取调整试验器外涵调压阀门开度或者打开补气阀门开度的任一操作，保证涵道比满足预设要求；当工作点位置和涵道比均满足预设要求时进行性能状态录取；
步骤S3.3、压气机达到稳定工作边界后，打开试验器内涵排气节流阀门进行退喘，同时通过打开试验器外涵排气调压阀门或者关小补气阀门中的任一操作，保证压气机工作点回退至等转速工作线堵点；
步骤S4、降低压气机转速；具体包括：
步骤S4.1、可调静叶角度和涵道比随转速变化进行跟随调节；
步骤S4.2、试验器进气节流阀门和试验器内涵排气节流阀门随转速下降同步打开，使得压气机工作点位置始终处于等转速工作线堵点附近。
进一步地，当压气机采用多排静叶单调时，需单独调节控制各排静叶角度的反馈参数，具体地，所述步骤S2中，先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。
进一步地，当压气机采用多排静叶单调时，需单独调节控制各排静叶角度的反馈参数，具体地，所述步骤S4.1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。
进一步地，所述步骤S3.2中，采用调整试验器进气节流阀门开度来辅助试验器内涵排气节流阀门进行组合匹配调节，保证涵道比满足预设要求。
有益效果：
本发明提出了一种适用于变循环发动机双涵道组合式压气机部件气动性能试验的状态调节方法，与带可调静叶的常规多级轴流压气机试验状态调节方法相比有显著差异。与常规涡扇发动机风扇/增压级组合压缩部件试验状态调节方法相比，充分考虑了变循环发动机双涵道组合式压气机级间匹配强耦合特性对可调静叶角度、涵道比与工作点位置敏感性的特殊要求，能够有效控制变循环发动机双涵道组合式压气机试验调试运行的技术风险，保障双涵道组合式压气机变工况气动性能试验研究的顺利开展，提高试验研究工作的有效率。本发明有力扩展了国内现有压气机试验器的承试能力，具备很好的推广应用价值。本发明所提出的状态调节方法已经多次在双涵道组合式压气机性能试验中进行了充分验证，验证效果表明：该状态调节方法显著缓解和改善了双涵道组合式压气机升速和降速过程中由于可调静叶角度、涵道比与工作点位置不匹配造成的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双涵道组合式压气机性能试验研究的需要，方法简单、易于操作，其适用性和有效性经过了多台双涵道组合式压气机的试验验证，填补了国内相关技术空白，在国内先进军用变循环发动机研制中具有较高的推广应用价值，有望在国内军用变循环发动机高性能压缩系统研制领域产生较好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是本发明提供的多排静叶联调双涵道组合式压气机试验状态调节方法流程图；
图2是本发明提供的多排静叶单调双涵道组合式压气机试验状态调节方法流程图；
图3a是本发明提供的涵道比随转速变化控制规律图；
图3b是本发明提供的压气机可调静叶角度随随转速变化控制规律图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
双涵道组合式压气机性能试验的状态调节方法共涉及五个调节参数：压气机转速、压气机可调静叶角度、涵道比、试验器进气节流阀门开度和试验器内涵排气节流阀门开度。试验过程中，通过对上述五个物理参数的组合协同调节，实现对双涵道组合式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动确定，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(工程中常采用进口零级导叶角度的反馈值进行闭环控制)。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。涵道比的控制是通过调节试验器外涵排气系统调压阀和补气阀等阀门来改变外涵排气背压以控制外涵气流流量来实现。具体调节方法如下：
步骤S1、将试验器进气节流阀门和内涵排气节流阀门均设置在全开位置；
步骤S2、提升压气机转速至目标转速；具体包括：
步骤S2.1、根据预设的压气机可调静叶角度和涵道比随转速变化的控制规律对压气机进行实时调节；所述压气机可调静叶角度和涵道比随着相对换算转速线性变化,具体如图3a-3b所示。
步骤S2.2、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，进行物理节流；
步骤S2.3、当压气机工作点位置偏离设计等转速工作线堵点时，调节试验器内涵排气节流阀门位置，使得压气机工作点绝热效率不低于50％；
步骤S3、在目标转速下进行性能录取；具体包括：
步骤S3.1、维持目标转速，保持可调静叶角度不变；
步骤S3.2、通过关小试验器内涵排气节流阀门开度进行工作点位置调节；根据试验器内涵排气节流阀门开度采取调整试验器外涵调压阀门开度或者打开补气阀门开度的任一操作，采用调整试验器进气节流阀门开度来辅助试验器内涵排气节流阀门进行组合匹配调节，进一步保证涵道比满足预设要求；当工作点位置和涵道比均满足预设要求时进行性能状态录取；
步骤S3.3、压气机达到稳定工作边界后，打开试验器内涵排气节流阀门进行退喘，同时通过打开试验器外涵排气调压阀门或者关小补气阀门中的任一操作，保证压气机工作点回退至等转速工作线堵点；
步骤S4、降低压气机转速；具体包括：
步骤S4.1、可调静叶角度和涵道比随转速变化进行跟随调节；
步骤S4.2、试验器进气节流阀门和试验器内涵排气节流阀门随转速下降同步打开，使得压气机工作点位置始终处于等转速工作线堵点附近。
以下提供两个实施例，分别是多排静叶联调和多排静叶单调情况下本发明方法的具体应用方式。
实施例1：多排静叶联调双涵道组合式压气机试验状态调节方法，如图1所示：
1)试验前，将试验器进气节流阀门和内涵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和涵道比随转速变化规律进行实时调节；当压气机消耗功率接近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物理节流，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设计等转速工作线堵点时，调节试验器内涵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，首先逐步关小试验器内涵排气节流阀门开度进行工作点位置调节(必要时可通过关小进气节流阀门开度辅助控制)，然后逐渐关小试验器外涵调压阀门开度或者打开补气阀门开度控制涵道比的变化，当工作点位置和涵道比满足要求后进行性能状态录取；当压气机达到稳定工作边界后，通过快速打开试验器内涵排气节流阀门进行退喘，同时打开试验器外涵排气系统调压阀门或者关小补气阀门，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，可调静叶角度和涵道比随转速变化进行跟随调节，如果出现可调静叶角度和涵道比同时滞后于转速变化情况时，优先保证涵道比；同时，试验器进气节流阀门和内涵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。
实施例2：多排静叶单调双涵道组合式压气机试验状态调节方法，如图2所示：
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＞＞＞的顺序)；同时，根据预先给定的涵道比随转速变化规律进行实时调节；当压气机消耗功率接近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设计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，首先逐步关小试验器内涵排气节流阀门开度进行工作点位置调节(必要时可通过关小进气节流阀门开度辅助控制)，然后逐渐关小试验器外涵调压阀门开度或者打开补气阀门开度控制涵道比的变化，当工作点位置和涵道比满足要求后进行性能状态录取；当压气机达到稳定工作边界后，通过快速打开试验器内涵排气节流阀门进行退喘，同时打开试验器外涵排气系统调压阀门或者关小补气阀门，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，可调静叶角度和涵道比随转速变化进行跟随调节，其中，可调静叶角度调节顺序为从前面级往后面级依次进行(即按照＞＞＞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，如果出现可调静叶角度和涵道比同时滞后于转速变化情况时，优先保证涵道比；同时，试验器进气节流阀门和内涵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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于双涵道组合式压气机性能试验的状态调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将试验器进气节流阀门和内涵排气节流阀门均设置在全开位置；
步骤S2、提升压气机转速至目标转速；具体包括：
步骤S2.1、根据预设的压气机可调静叶角度和涵道比随转速变化的控制规律对压气机进行实时调节；
步骤S2.2、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，进行物理节流；
步骤S2.3、当压气机工作点位置偏离设计等转速工作线堵点时，调节试验器内涵排气节流阀门位置，使得压气机工作点绝热效率不低于50％；
步骤S3、在目标转速下进行性能录取；具体包括：
步骤S3.1、维持目标转速，保持可调静叶角度不变；
步骤S3.2、通过关小试验器内涵排气节流阀门开度进行工作点位置调节；根据试验器内涵排气节流阀门开度采取调整试验器外涵调压阀门开度或者打开补气阀门开度的任一操作，保证涵道比满足预设要求；当工作点位置和涵道比均满足预设要求时进行性能状态录取；
步骤S3.3、压气机达到稳定工作边界后，打开试验器内涵排气节流阀门进行退喘，同时通过打开试验器外涵排气调压阀门或者关小补气阀门中的任一操作，保证压气机工作点回退至等转速工作线堵点；
步骤S4、降低压气机转速；具体包括：
步骤S4.1、可调静叶角度和涵道比随转速变化进行跟随调节；
步骤S4.2、试验器进气节流阀门和试验器内涵排气节流阀门随转速下降同步打开，使得压气机工作点位置始终处于等转速工作线堵点附近。
2.根据权利要求1所述的一种用于双涵道组合式压气机性能试验的状态调节方法，其特征在于，当压气机采用多排静叶单调时，需单独调节控制各排静叶角度的反馈参数，具体地，所述步骤S2中，先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。
3.根据权利要求1所述的一种用于双涵道组合式压气机性能试验的状态调节方法，其特征在于，当压气机采用多排静叶单调时，需单独调节控制各排静叶角度的反馈参数，具体地，所述步骤S4.1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。
4.根据权利要求1所述的一种用于双涵道组合式压气机性能试验的状态调节方法，其特征在于，所述步骤S3.2中，采用调整试验器进气节流阀门开度来辅助试验器内涵排气节流阀门进行组合匹配调节，保证涵道比满足预设要求。
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