淺談航空發動機高低導面積匹配對轉差影響的研究論文
淺談航空發動機高低導面積匹配對轉差影響的研究論文
1 引言
轉差不合格是制約航空發動機生產的主要問題。平均故障發動機要反覆排故很多次才能達到技術要求。轉差問題頑固的發動機重複試車次數增多，致使發動機生產週期過長。
轉差問題嚴重製約了航空發動機的生產進度，並額外佔用大量企業資源，增加了不必要的製造成本，成為航空發動機製造的質量技術瓶頸。本文透過理論與工程實際相結合以及大量的試驗驗證，確定了高低壓渦輪導向器最佳排氣面積控制區間和最佳高壓渦輪轉子葉片與靜子機匣間隙兩種方式解決轉差不合格率高的技術難題。採取了上述措施後，航空發動機轉差不合格率大幅降低，基本解決了轉差不合格故障對發動機生產的制約。
2 轉差的概念及影響轉差的因素
2.1 轉差的概念
轉差是航空發動機控制高壓壓氣機穩定工作裕度的關鍵引數，即透過調整發動機的轉差可改變高壓壓氣機共同工作線在高壓壓氣機特性圖上的位置。轉差直接影響發動機在使用中的可靠性，是航空發動機驗收的主要指標之一。
2.2 影響轉差的因素
一般來說，轉差故障解決措施有控制高低壓渦輪導向器最佳排氣面積、控制最佳高壓渦輪轉子葉片與靜子機匣間隙、使用加長轉子葉片的高壓壓氣機及溫度修正試驗試車等幾個方面，本文針對高低壓渦輪導向器面積匹配對轉差的影響開展一系列研究。
航空發動機的轉差是：在n1=常數、噴口面積為常數的調節規律下，在中間狀態低壓相對換算轉速n 1hs=100.5%的'條件下渦輪前燃氣換算溫度T3hs與高壓相對換算轉速n 2hs之間的關係，轉差△S=f( n 2hs， T3hs)。
當A低導、A高導確定後，則反映在一定轉差下n 2hs=f(T3hs)的關係。由此可知發動機的轉差線一旦確定之後，高壓轉子的共同工作線也即確定，如轉差在規定的範圍內，高壓壓氣機的穩定工作裕度即可以得到保證，同時也直接保證了發動機渦輪前溫度與高壓轉速之間良好的匹配，使發動機在可靠工作的前提下效能得以充分發揮。
3 轉差隨高、低導向器排氣面積變化的規律
透過查閱資料，參考航空發動機在熱力計算模型中得出：A高導每增加1cm2，△S約減小2.21格;A低導每增加1cm2，△S約增加1.21格。本文根據統計的多臺航空發動機高、低導向器排氣面積原始資料與轉差值，計算出轉差率。當不考慮A低導時，轉差△S隨A高導增加而減小;當不考慮A高導時，轉差△S隨A低導增加而增加。因為熱力計算模型的前提條件是在標準大氣條件下並且保證T3不變的情況，而我們統計的資料中沒有考慮T3溫度和標準大氣條件，因此△S隨A低導及A高導變化趨勢不是很明顯，但也足以說明△S隨A低導及A高導變化的規律。
根據轉差公式△S=f( n 2hs， T3hs)可知，在T3hs確定後，對於不同的A高導和A低導值，只要保持A低導/A高導為常數，則△S基本不變，並隨A低導/A高導的減小，△S下降。透過統計的多臺航空發動機的高、低導向器的排氣面積的資料可看出此規律性較明顯(個別點考慮溫度的因素為壞點)。△S隨A低導/A高導變化的規律為△S隨A低導/A高導的增加而增加。另外，按統計高、低導面積原始值，計算出A低導/A高導數值，得出在A低導/A高導=2.427176±0.00573範圍內，轉差率為△S=0~20合格。如果注意到這一點則調整的合格率較高。
在實際允許的導向器面積調整範圍內，設A10為調整前的高導排氣面積，A20為調整前低導排氣面積，A1為調整後的高導排氣面積，A2為調整後的低導的排氣面積，轉差的變化應該有個經驗公式：δΔS=α(A2-A20)-β(A1-A10)。分析認為：若保證高導面積調整前後不變而統計低導面積調整前後變化與轉差率變化的曲線，則得出的斜率即為α值。若保證低導面積調整前後不變而統計高導面積調整前後變化與轉差率變化的曲線，則得出的斜率即為β值。統計資料中有轉差不合格後調節高、低導面積的資料。在A1不變，只調節A2時，共統計了32組資料。畫出δΔS隨A2-A20變化而變化的曲線，斜率為0.2656。同時，在A2不變，只調節A1時，共統計了7組資料，此資料點太少，沒辦法找出規律。因此得出轉差的變化可按下式估算：δΔS=0.2656(A2-A20)。
在實際試車中影響轉差率的因素非常多，如：噴口出口面積、大氣溫度、大氣含溼量等。若轉差不合格時，為了調整轉差值採取的措施也很多。如：(a)調整高低導向器排氣面積。(b)控制高渦葉片葉尖間隙，由原1.7~1.84內控到1.65~1.75。(c)高壓渦輪導向器外環塗層採用前端面小間隙，後端面大間隙的坡度結構。(d)控制高渦轉子與高壓渦輪導向器五道封嚴篦齒的間隙值。(e) 控制低壓渦輪外環和級間封嚴環的尺寸和跳動：減小間隙。(f) 串裝高、低渦轉子。每次調節手段不唯一。因此，統計的資料由於眾多因素的制約很難得到試驗性驗證和規律性。
結論
(1)當不考慮A低導時，△S隨A高導增加而減小;當不考慮A高導時，△S隨A低導增加而增加。
(2)在A低導/A高導=2.427176±0.00573範圍內，轉差率為△S=0~20合格。
(3)如果注意到以上兩點，則調整的合格率較高。轉差的變化可按下式估算：δΔS=0.2656(A2-A20)。