陳云永, 馬昌友, 孫震宇, 陳志龍
中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司, 上海 201306
高壓壓氣機(jī)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件,其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。壓氣機(jī)效率表示壓氣機(jī)中能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的完善程度,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率、推力等關(guān)鍵指標(biāo)有著較大的影響[1-4],是衡量壓氣機(jī)性能水平的關(guān)鍵指標(biāo),也是評(píng)價(jià)高壓壓氣機(jī)氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是否有效的主要依據(jù)之一。等熵效率仍是目前評(píng)價(jià)高壓壓氣機(jī)效率的主要指標(biāo)[5]。
在高壓壓氣機(jī)性能試驗(yàn)中,根據(jù)實(shí)際消耗功測(cè)量方法的不同,等熵效率可分為溫升效率和扭矩效率:前者側(cè)重于壓氣機(jī)進(jìn)出口溫度測(cè)量,后者側(cè)重于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子輸入扭矩和轉(zhuǎn)速測(cè)量。在壓氣機(jī)級(jí)間不引氣或忽略引氣的情況下,進(jìn)出口流量守恒或接近守恒,效率計(jì)算公式較為簡(jiǎn)潔,只需要測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)出口總溫、總壓,即可得到溫升效率,或通過(guò)測(cè)量壓氣機(jī)流量、轉(zhuǎn)速、扭矩、進(jìn)口總溫和總壓比即可得到扭矩效率。但對(duì)于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)而言,級(jí)間引氣呈現(xiàn)出引氣位置多、總引氣流量占比大等特點(diǎn),這給高壓壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率的準(zhǔn)確測(cè)量增加了困難[6-8]。
近年來(lái),兩種效率測(cè)試方法的準(zhǔn)確性越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[9-14]。任銘林等[11]對(duì)某兩臺(tái)不同設(shè)計(jì)壓比壓氣機(jī)的溫升效率和扭矩效率之間的偏差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,忽略級(jí)間引氣情況下溫升效率一般大于扭矩效率,引入級(jí)間引氣修正后,溫升效率會(huì)下降1個(gè)百分點(diǎn)。強(qiáng)艷等[5]推導(dǎo)了含有級(jí)間引氣參數(shù)的溫升效率和扭矩效率公式,以某設(shè)計(jì)壓比為20、引氣率為15%的高壓壓氣機(jī)為例,對(duì)比分析了引入級(jí)間引氣參數(shù)修正前后的溫升效率變化,引入級(jí)間引氣修正后,溫升效率可能會(huì)偏大或偏小,主要與引氣前后段壓氣機(jī)的效率大小相關(guān)。兩位學(xué)者都認(rèn)為溫升效率和扭矩效率之間的偏差歸根于各自的測(cè)試誤差,未深入研究造成兩者偏差的機(jī)理,也未深入分析級(jí)間引氣位置和引氣率變化對(duì)溫升效率和扭矩效率以及兩者偏差的影響程度。
本文以某十級(jí)高負(fù)荷高壓壓氣機(jī)性能試驗(yàn)件為研究對(duì)象,從氣體實(shí)際消耗功計(jì)算差異性上深入分析溫升效率和扭矩效率兩種效率之間的偏差機(jī)理,進(jìn)而對(duì)引入引氣修正前后溫升效率和扭矩效率的變化規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,探討級(jí)間引氣位置和引氣率變化對(duì)壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率評(píng)價(jià)的影響程度。
壓氣機(jī)效率是氣流的等熵壓縮功和實(shí)際消耗功之比。對(duì)于級(jí)間不引氣的壓氣機(jī)而言,由于壓氣機(jī)進(jìn)出口流量相同,壓氣機(jī)進(jìn)口氣流全部為主流,溫升效率ηT僅與壓氣機(jī)進(jìn)出口氣流參數(shù)相關(guān),計(jì)算公式如下:
(1)
式中,pin、pex分別為壓氣機(jī)進(jìn)口(in)和出口(ex)總壓,kPa;Tin、Tex分別為壓氣機(jī)進(jìn)口和出口總溫,K;k為根據(jù)壓氣機(jī)進(jìn)口和出口總溫求得的一個(gè)等效平均絕熱指數(shù),具體計(jì)算方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]??梢?jiàn),溫升效率僅以氣流為對(duì)象,表征了氣流從壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子獲取的功轉(zhuǎn)化為用于氣流增壓的等熵壓縮功的能力。溫升效率越大,壓氣機(jī)氣動(dòng)損失就越小,因此溫升效率主要體現(xiàn)了壓氣機(jī)葉型、流道等氣動(dòng)設(shè)計(jì)的水平。
與溫升效率相比,扭矩效率ηtor則無(wú)需測(cè)量出口總溫,計(jì)算公式如下:
(2)
式中,Win為壓氣機(jī)進(jìn)口流量,kg/s;M為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子輸入扭矩,N·m;n為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,r/min。扭矩M和轉(zhuǎn)速n的積表征了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子從試驗(yàn)器動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獲取的全部輸入功??梢钥闯觯?jì)算扭矩效率不僅涉及氣流參數(shù),還涉及扭矩、轉(zhuǎn)速的機(jī)械傳動(dòng)參數(shù)。圖1為壓氣機(jī)輸入功傳遞示意圖。轉(zhuǎn)子輸入功傳遞給氣流,需要克服軸承熱效應(yīng)以及盤(pán)腔鼓風(fēng)效應(yīng)等,并不能完全傳遞給氣流做功。其中,軸承熱效應(yīng)引起的輸入功損失通過(guò)試驗(yàn)件軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)以熱量形式排出試驗(yàn)件外。可見(jiàn),壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子輸入功并不能代表氣流的實(shí)際消耗功。
圖1 壓氣機(jī)輸入功傳遞示意圖Fig.1 Compressor input power transfer diagram
由式(1)和(2)可得,溫升效率與扭矩效率之間的關(guān)系為:
ηtor=ηTηM
(3)
其中:
(4)
ηM為壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子給氣流做的功(即氣體實(shí)際消耗功)與轉(zhuǎn)子輸入功的比值,表征轉(zhuǎn)子的機(jī)械傳動(dòng)效率。轉(zhuǎn)子傳動(dòng)效率越大,其機(jī)械傳動(dòng)損失就越小,因此機(jī)械傳動(dòng)效率主要體現(xiàn)了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。由于轉(zhuǎn)子機(jī)械損失一直存在,轉(zhuǎn)子的機(jī)械傳動(dòng)效率永遠(yuǎn)小于1。
綜上所述,扭矩效率是以氣流和壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)為對(duì)象,表征了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子輸入功轉(zhuǎn)化為用于氣流增壓的等熵壓縮功的能力,綜合體現(xiàn)了壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)設(shè)計(jì)的水平,并且壓氣機(jī)扭矩效率總是小于溫升效率。
圖2 帶級(jí)間引氣的十級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)件示意圖Fig.2 Schematic diagram of test piece of ten stage compressor with interstage bleed
(5)
式中,上標(biāo)或下標(biāo)b、i表示第i級(jí)引氣氣流;pb,i為第i級(jí)引氣出口總壓,kPa;Tb,i為第i級(jí)引氣出口總溫,K。kb,i為根據(jù)壓氣機(jī)進(jìn)口氣流總溫和引氣出口氣流總溫求得的等效平均絕熱指數(shù)[5]。
由于引氣所在級(jí)位置不同,主流和各級(jí)間引氣氣流受到壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子不同程度的做功和增壓,壓氣機(jī)總的等熵壓縮功和實(shí)際消耗功分別為各部分氣流的等熵壓縮功和實(shí)際消耗功之和。引入引氣參數(shù)修正的壓氣機(jī)溫升效率η′T計(jì)算公式如下[5]:
η′T=
(6)
式中,δb,i為第i級(jí)引氣出口引氣率,為該級(jí)引氣流量Wb,i占試驗(yàn)件進(jìn)口總流量Win之比??梢钥闯觯c式(1)相比,使用式(6)評(píng)定壓氣機(jī)溫升效率,計(jì)算參數(shù)顯著增多,不僅需要獲取出口引氣參數(shù),而且計(jì)算量顯著增大。
(7)
式中,ζb,i的計(jì)算式如下:
(8)
ζb,i為第i級(jí)引氣氣流相對(duì)等熵加功量,表示第i級(jí)單位質(zhì)量引氣氣流的等熵壓縮功與單位質(zhì)量主流的等熵壓縮功之比。顯然,0<ζb,i≤1,第1級(jí)引氣氣流相對(duì)等熵加功量最小,最末級(jí)引氣氣流相對(duì)等熵加功量最大,相當(dāng)于主流相對(duì)等熵加功量,即ζb,i=1。可見(jiàn),引氣氣流的相對(duì)等熵加功量反映了引氣所在級(jí)位置。
從式(7)可知,當(dāng)各級(jí)引氣氣流效率都與主流效率相等時(shí),壓氣機(jī)溫升效率與主流效率相等。當(dāng)各級(jí)引氣氣流效率與主流效率不相等時(shí),很難確定壓氣機(jī)溫升效率與主流效率之間的偏差關(guān)系。
為了簡(jiǎn)化兩者之間偏差的評(píng)估,以某第四級(jí)引氣十級(jí)壓氣機(jī)為例進(jìn)行分析。該壓氣機(jī)設(shè)計(jì)壓比為20,相應(yīng)的引氣壓比為5。圖3為引氣效率變化對(duì)壓氣機(jī)溫升效率的影響趨勢(shì),橫坐標(biāo)為引氣效率與主流效率之差,縱坐標(biāo)為壓氣機(jī)溫升效率與主流效率之差,用以表征壓氣機(jī)溫升效率修正前后變化量。
圖3 引氣效率變化對(duì)壓氣機(jī)溫升效率的影響趨勢(shì)Fig.3 Effect of bleed efficiency variation on compressor temperature rise efficiency
圖4 引氣率變化對(duì)壓氣機(jī)溫升效率的影響Fig.4 Effect of bleed rate variation on compressor temperature rise efficiency
由于壓氣機(jī)級(jí)間引氣結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,引氣參數(shù)實(shí)際上與引氣出口測(cè)量截面的位置選取直接相關(guān)。圖5為典型的壓氣機(jī)級(jí)間引氣結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)連接方案[15],為了降低引氣對(duì)主流周向不均勻度的影響,級(jí)間引氣氣流一般通過(guò)機(jī)匣上的環(huán)形引氣縫流入集氣環(huán)腔內(nèi),再?gòu)募瘹猸h(huán)腔外環(huán)上沿周向開(kāi)設(shè)的多個(gè)引氣排出孔排出,經(jīng)軟管匯入引氣集氣裝置后進(jìn)入引氣系統(tǒng),引氣系統(tǒng)對(duì)引氣氣流進(jìn)行測(cè)量和控制后,排入大氣或抽氣機(jī)組。
圖5 壓氣機(jī)引氣結(jié)構(gòu)及測(cè)量位置示意圖Fig.5 Schematic of compressor bleed structure and measurement position
從測(cè)量位置來(lái)看,引氣出口參數(shù)理論上存在5個(gè)測(cè)量位置(如表1所示),依次為級(jí)靜葉前緣、級(jí)出口、引氣縫、引氣管口和引氣系統(tǒng)管道,分別對(duì)應(yīng)圖5中x1~x5截面。由于壓氣機(jī)級(jí)間軸向較為緊湊,引氣縫附近機(jī)匣結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,插入式梳狀探針無(wú)法安裝,級(jí)出口位置(x2)和引氣縫位置(x3)的氣流參數(shù)不易測(cè)量;引氣系統(tǒng)管道(x5)本身不屬于壓氣機(jī)試驗(yàn)件組成部分,且距離壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn),氣流經(jīng)引氣轉(zhuǎn)接軟管等流動(dòng)損失較大,不適合作為引氣出口總壓和總溫參數(shù)測(cè)量位置,僅用于測(cè)量引氣流量??梢?jiàn),級(jí)靜葉前緣(x1)和引氣管口(x4)可作為引氣出口總壓和總溫參數(shù)測(cè)量截面,前者可通過(guò)安裝于級(jí)靜葉前緣的葉型探針進(jìn)行測(cè)量,后者可通過(guò)梳狀探針進(jìn)行測(cè)量。
表1 引氣出口參數(shù)測(cè)量不同位置對(duì)比Table 1 Comparison of different positions for parameter measurement of bleed outlet
若將級(jí)靜葉前緣(x1)作為引氣出口測(cè)量截面,則引氣效率可能高于主流效率,相應(yīng)的壓氣機(jī)溫升效率高于主流效率;若將引氣管口(x4)作為引氣出口測(cè)量截面,由于x1和x4之間存在流動(dòng)損失,且隨著引氣率提高,這部分流動(dòng)損失增大,引氣效率和壓氣機(jī)溫升效率可能略低于主流效率。
綜上所述,對(duì)于帶級(jí)間引氣的壓氣機(jī),引氣效率和引氣率大小分別決定了壓氣機(jī)溫升效率引氣修正前后的變化方向和變化程度。此外,引氣出口測(cè)量位置的選取,也會(huì)影響壓氣機(jī)溫升效率引氣修正后的結(jié)果。但總的來(lái)說(shuō),引氣對(duì)壓氣機(jī)溫升效率修正的影響較小。
對(duì)于帶引氣的壓氣機(jī),繼續(xù)使用式(2)測(cè)量扭矩效率時(shí),等熵壓縮功偏大,會(huì)造成較大誤差。考慮引氣參數(shù)修正后的扭矩效率η′tor計(jì)算公式為[5]:
(9)
由式(2)和(9),可得考慮引氣參數(shù)的壓氣機(jī)扭矩效率修正系數(shù)φtor:
(10)
由于0≤∑δb,i<1,0<ζb,i≤1,故:
1-φtor<∑δb,i
(11)
由式(10)和(11)可見(jiàn),引氣參數(shù)修正后的壓氣機(jī)扭矩效率比修正前降低,降低的程度由各級(jí)引氣的引氣率和相對(duì)等熵加功量共同決定,但相對(duì)下降量小于引氣率總和。進(jìn)一步根據(jù)式(10)繪制出圖2所示某十級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)件扭矩效率修正系數(shù)計(jì)算示意圖,如圖6所示。圖中陰影部分的面積代表修正系數(shù)的大小??梢灾庇^看出,引氣氣流的相對(duì)等熵壓縮功越小、引氣率越大,壓氣機(jī)扭矩效率修正系數(shù)就越小。
圖6 壓氣機(jī)扭矩效率修正系數(shù)計(jì)算示意圖Fig.6 Calculation diagram of compressor torque efficiency correction
可見(jiàn),對(duì)于帶多級(jí)引氣的壓氣機(jī)而言,各級(jí)引氣參數(shù)不同,對(duì)壓氣機(jī)扭矩效率修正的影響程度也會(huì)不同。本文采用修正貢獻(xiàn)量χb,i評(píng)價(jià)第i級(jí)引氣參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)扭矩效率修正的影響程度:
(12)
繼續(xù)以圖2所示的某十級(jí)高負(fù)荷高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)件為例(設(shè)計(jì)壓比20),表2給出了設(shè)計(jì)狀態(tài)點(diǎn)處的第1級(jí)、第4級(jí)和第7級(jí)引氣參數(shù)。扭矩效率修正系數(shù)為0.955,即引氣修正后扭矩效率相對(duì)下降了約4.5%。另外,第7級(jí)引氣率是第1級(jí)引氣率的16.85倍,但第7級(jí)引氣對(duì)壓氣機(jī)扭矩效率修正的貢獻(xiàn)量上只有第1級(jí)的6倍,這主要是因?yàn)榈?級(jí)引氣的相對(duì)等熵加功量較小的緣故。
表2 不同位置引氣對(duì)壓氣機(jī)扭矩效率修正的影響Table 2 Effect of different bleed positions on compressor torque efficiency correction
綜上所述,引氣位置和引氣率對(duì)壓氣機(jī)扭矩效率修正有明顯影響。對(duì)于靠近壓氣機(jī)進(jìn)口的大流量引氣,繼續(xù)采用式(2)計(jì)算壓氣機(jī)扭矩效率,會(huì)引入較大的誤差,計(jì)算結(jié)果偏高,甚至可能會(huì)超過(guò)壓氣機(jī)溫升效率,必須進(jìn)行扭矩效率修正,即應(yīng)按照式(9)計(jì)算帶級(jí)間引氣的壓氣機(jī)扭矩效率。
本文以圖2所示的某十級(jí)高負(fù)荷高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)件開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證(設(shè)計(jì)壓比20)。試驗(yàn)時(shí),需在第1級(jí)、第4級(jí)和第7級(jí)進(jìn)行引氣控制,各級(jí)設(shè)計(jì)引氣率見(jiàn)表2。由表2可知,該試驗(yàn)件設(shè)計(jì)總引氣率達(dá)到了10.31%。引氣流量以引氣系統(tǒng)管道上的孔板流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量;引氣出口總壓和總溫,本文以布置在級(jí)間引氣相同級(jí)位置的靜葉前緣(即圖5的x1截面)葉型探針獲取的平均總壓和總溫替代。
試驗(yàn)在中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司2001高壓壓氣機(jī)試驗(yàn)器上進(jìn)行。試驗(yàn)器主要包括動(dòng)力系統(tǒng)(電機(jī)、增速器、測(cè)扭器及聯(lián)軸器)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、前輔助支撐系統(tǒng),輔助供氣系統(tǒng)、引氣系統(tǒng)、液壓滑油系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、閥門(mén)控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。排氣集氣室由內(nèi)環(huán)和外環(huán)組合形成的集氣室腔體不僅有利于降低排氣容腔,還有利于測(cè)扭器輸出軸通過(guò)集氣室內(nèi)環(huán)直接與試驗(yàn)件輸入軸相連,兩者之間無(wú)傳動(dòng)軸支點(diǎn)和增速傳動(dòng)裝置,測(cè)扭器測(cè)得的扭矩值能夠準(zhǔn)確代表試驗(yàn)件輸入扭矩。
圖7 壓氣機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)Fig.7 Compressor test status
圖8 引氣修正前后壓氣機(jī)效率特性對(duì)比Fig.8 Comparison of compressor efficiency characteristics before and after bleed correction
圖9 引氣修正前后壓氣機(jī)溫升效率、扭矩效率的變化量Fig.9 Variation of temperature rise efficiency and torque efficiency of compressor before and after bleed correction
修正后的溫升效率略微提高,主要源于采用式(6)計(jì)算時(shí),各級(jí)引氣出口參數(shù)選的是相應(yīng)級(jí)靜葉進(jìn)口平均總壓和總溫,不包含引氣縫和引氣集氣環(huán)腔等的流動(dòng)損失,使得引氣效率高于主流效率。修正后壓氣機(jī)扭矩效率顯著下降,主要源于采用式(9)計(jì)算時(shí),僅對(duì)等熵壓縮功進(jìn)行了修正,且該壓氣機(jī)設(shè)計(jì)引氣率較大,修正變化量較為明顯。
表3為引氣關(guān)閉前后壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率變化情況。引氣關(guān)閉后,各級(jí)引氣率為0,壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率分別采用式(1)和(2)計(jì)算,無(wú)需進(jìn)行修正。從表中可以看出,由于壓氣機(jī)不引氣,不僅換算流量下降,壓氣機(jī)效率也明顯下降。從溫升效率與扭矩效率之間的偏差量來(lái)看,不引氣時(shí)狀態(tài)點(diǎn)B處為2.15%,與引氣修正后狀態(tài)點(diǎn)A處的2.53%基本相近,且都是扭矩效率低于溫升效率,而狀態(tài)點(diǎn)A處修正前的扭矩效率高于溫升效率1.54%。
表3 引氣關(guān)閉前后壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率變化Table 3 Change of temperature rise efficiency and torque efficiency of compressor before and after bleed off
可見(jiàn),對(duì)于帶級(jí)間引氣的壓氣機(jī)而言,扭矩效率必須考慮引氣參數(shù)修正,否則試驗(yàn)結(jié)果誤差較大。
本文在總結(jié)壓氣機(jī)溫升效率和扭矩效率之間差異性和關(guān)聯(lián)性基礎(chǔ)上,對(duì)帶級(jí)間引氣的高壓壓氣機(jī)兩種等熵效率評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究,探討了級(jí)間引氣參數(shù)對(duì)壓氣機(jī)兩種等熵效率修正的影響程度,并開(kāi)展了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:
1) 溫升效率僅以氣流為對(duì)象,主要體現(xiàn)了壓氣機(jī)葉型、流道等氣動(dòng)設(shè)計(jì)水平,而扭矩效率是以氣流和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子為對(duì)象,綜合體現(xiàn)了壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平。由于存在轉(zhuǎn)子機(jī)械傳動(dòng)損失,壓氣機(jī)扭矩效率總是低于溫升效率。
2) 引氣效率和引氣率大小分別決定了壓氣機(jī)溫升效率的變化方向和變化程度;引氣出口測(cè)量位置的選取,也會(huì)對(duì)壓氣機(jī)溫升效率有影響;但總的來(lái)說(shuō),壓氣機(jī)級(jí)間引氣對(duì)溫升效率評(píng)價(jià)影響較小,當(dāng)引氣出口參數(shù)不便測(cè)量時(shí),可不考慮溫升效率的修正。
3) 引氣位置和引氣率對(duì)壓氣機(jī)扭矩效率變化有明顯影響,考慮級(jí)間引氣參數(shù)修正后的壓氣機(jī)扭矩效率明顯降低,降低程度與引氣率、引氣所在級(jí)位置相關(guān),但相對(duì)下降幅度不超過(guò)總引氣率之和。
4) 當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口側(cè)進(jìn)行較大流量的級(jí)間引氣時(shí),應(yīng)采用考慮引氣參數(shù)的扭矩效率計(jì)算公式進(jìn)行評(píng)價(jià),否則可能出現(xiàn)扭矩效率大于溫升效率的現(xiàn)象。