涡轮导向器面积对某涡桨发动机整机性能影响分析

涡轮导向器面积对某涡桨发动机整机性能影响分析

兰锴

中国航发湖南动力机械研究所 412002

【摘要】针对某涡桨发动机结构组成，通过小偏差方法，对涡轮导向器面积对涡桨发动机整机性能的影响进行了计算分析。

【关键词】涡桨发动机 涡轮流函数 整机性能

整机性能航空燃气涡轮发动机在设计过程中，涡轮导向器面积对发动机性能有着重要的影响。一方面，调整涡轮导向器面积是在发动机正向设计中调整性能的重要手段，另一方面，由于制造、装配等过程中的因素，发动机零组件的实物状态往往与实际设计值存在一定的偏差。分析涡轮导向器面积对发动机整机性能的影响有重要的意义。本文针对某种带动力涡轮的双转子涡桨发动机，完成了燃气涡轮导向器面积对发动机整机性能的影响分析。

1涡桨发动机结构组成

涡轮螺旋桨发动机（简称涡桨发动机）是一种航空燃气涡轮发动机。它是由发动机涡轮发岀的功率驱动螺旋桨，使螺旋桨产生拉力（或推力）驱动飞机产生速度的航空动力装置。涡桨发动机由燃气发生器和动力涡轮组成，燃气发生器由压气机、燃烧室和涡轮部件组成。在发动机运转过程中，远方来流经过压气机对流体做功，提升焓（温度）和压力。在燃烧室，由喷嘴向经过压气机做功后的高温、高压气体喷入航空煤油，燃油在燃烧室定压燃烧提供热量，较大幅度地提高气流的总焓。在涡轮部件，高温高压气流冲击涡轮转子叶片，绝热膨胀输出机械功，通过涡轮和压气机之间的联轴器带动压气机对前端气流做功。动力涡轮与螺旋桨同轴，可能与燃气发生器涡轮同轴转动，也可能独立于燃气发生器，被燃气推动高速旋转，该类动力涡轮为自由涡轮。

2涡轮导向器面积变化的影响原理

某涡桨发动机由燃气发生器、动力涡轮组成。燃气发生器为双转子，本文对双转子涡桨发动机性能受涡轮导向器面积变化的原理进行分析。

2.1高压涡轮导向器面积变化对性能影响的原理

调整高压涡轮导向器面积可以影响发动机整机性能。在发动机采用等动力涡轮转速和等轴功率控制规律时，调大高压涡轮导向器面积，将首先减小高压涡轮落压比，降低高压涡轮单位功，高压转子转速随之下降。因而导致低压压气机的出口流量系数减小，限制了低压压气机的流量，影响低压压气机工作点，使得低压压气机单位负载增大，导致低压转速下降，但同时因高压涡轮落压比降低，将使得低压涡轮进口总温有所增加，导致低压涡轮功上升，低压转速上升。因此双轴涡桨发动机调整高压涡轮导向器面积后，转速的变化受低压涡轮进口总温以及低压压气机负载的耦合影响作用。不同发动机受影响的程度不同，与具体的压气机和涡轮部件特性相关。另外，由于低压涡轮进口总温的增加，动力涡轮进口总温随之增加，有利于动力涡轮做功，动力涡轮单位功将升高，但因燃气发生器流量减少，同样的动力涡轮进口流量减小，在等动力涡轮转速和等轴功率控制时，流量的减少和动力涡轮进口总温的增加同时作用于动力涡轮，动力涡轮做功变化取决于两者的共同作用，与具体的部件特性图密切相关。为维持动力涡轮转速和输出轴功率恒定，若动力涡轮进口流量减少的影响超过了动力涡轮进口温度增加的影响，则控制器需要增大供给燃烧室的燃油流量，因而高压涡轮进口总温、低压涡轮进口总温、动力涡轮进口总温进一步上升，涡轮做功的能力升高，转子转速下降的幅度减少。若动力涡轮进口温度增加的影响超过动力涡轮进口流量减少的影响，则动力涡轮做功能力超出控制器需求能力，控制器将降低供油量，此时高压涡轮进口总温、低压涡轮进口总温、动力涡轮进口总温下降，高低压转速下降的幅度进一步加剧。因此在双转子涡桨发动机实际性能匹配过程中，各转子性能受高压涡轮流函数影响的变化趋势，取决于部件的特性。

2.2低压涡轮导向器面积变化对性能影响的原理

调整低压涡轮导向器面积可以影响发动机整机性能。在发动机采用等动力涡轮转速和等轴功率控制规律时，调大低压涡轮导向器面积，将首先减小低压涡轮落压比，增大高压涡轮落压比，高压涡轮做功能力与落压比相关，将随之增大，高压转速随之上升，高压压气机抽吸能力上升，导致低压压气机出口流量系数增大，低压压气机负载随之降低。低压压气机负载降低，将导致低压涡轮功与低压压气机功不平衡，低压转速上升，低压压气机流量升高。同时，由于高压涡轮做功能力升高，高压涡轮落压比升高，高压涡轮出口总温将降低，低压涡轮进口总温降低，且低压涡轮导向器面积增大后，动力涡轮面积不变，将导致低压涡轮落压比减小，低压涡轮功降低，将导致低压转速下降，低压流量减小。受低压压气机负载减轻、低压涡轮功降低的叠加影响因此，低压转速和进口空气流量变化取决于二者的耦合作用，取决于具体的部件特性；同时，动力涡轮进口总温随低压涡轮进口总温的减小而减小，将不利于动力涡轮做功，且动力涡轮流量受燃气发生器流量限制，如压气机负载减轻、低压涡轮功降低的耦合作用造成的影响为进口空气流量增大，则动力涡轮做功能力增强，若影响为进口空气流量减小，则动力涡轮做功能力降低。因此，动力涡轮的做工能力，受燃气发生器状态、动力涡轮进口总温的耦合影响，取决于部件特性。在控制规律为动力涡轮转速和轴功率不变时，若发动机进口空气流量减小的影响更大，需要增加燃油流量以维持同样的轴功率，因而高压涡轮进口总温上升，高压转速进一步增加，低压涡轮做功能力增大，低压转速下降幅度延缓；若发动机进口空气流量增加，则需要减小发动机供油量，高压涡轮进口总温随之减少，高压转速上升的幅度减少，低压涡轮做功能力降低，低压转速进一步下降。因此在双转子涡桨发动机实际性能匹配过程中，各转子性能受低压涡轮流函数影响的变化趋势，取决于部件特性。

4 计算结果

基于发动机计算模型，考虑可调燃气涡轮导向器面积在实际工程制造中的变化范围，选取以下高低压涡轮导向器流函数变化量进行计算，分析发动机的性能参数高压转速（nh）、低压转速（nl）、排气温度（T5）、燃油流量（Wf）随导向器面积的变化趋势。

1. 高压涡轮导向器流函数：-5%、-3%、-2%、-1%、1%、2%、3%、5%

2. 低压涡轮导向器流函数：-5%、-3%、-2%、-1%、1%、2%、3%、5%

表1 高导流函数对发动机性能的影响

表2 低导流函数对发动机性能的影响

5结论

分析计算结果，可以看出，在增大高压涡轮导向器面积时，发动机进口流量增大的影响超过动力涡轮进口温度升高的影响，燃油流量、排气温度均升高，高压转子较为敏感，转速降低，而低压转速几乎不变。在增大低压涡轮导向器面积时，进口空气流量降低的影响更剧烈，燃油流量、排气温度均升高，高压转速上升，低压转速下降。