功率提取对启动机功率选取的影响

崔金辉,闫雨嘉,周玉昭

(中国航发沈阳发动机研究所,辽宁 沈阳 110015)

1 引 言

航空发动机作为飞机的动力装置,除了提供飞机所需的推力外,向飞机和发动机自身输出功率也是其基本功能之一。在工作过程中,发动机必须驱动某些发动机附件和飞机附件,使之正常工作以满足发动机和飞机的要求[1]。

功率提取会对航空发动机性能产生影响,近年来,在功率提取方面的研究越来越多。赵运生等人利用自行开发的性能仿真程序,分析了不同功率提取量对发动机推力、耗油率和稳定裕度的影响,并给出了定量的评定[2]。王占学等人发展了弹用涡扇发动机气动稳定性影响计算分析模型,定量分析了功率提取对涡扇发动机工作稳定性的影响[3]。马振基于发动机部件级稳态模型,研究了功率提取对发动机高压压气机喘振裕度的影响[4]。李丽等借助飞行试验研究了功率提取对发动机舱冷却系统性能的影响[5]。张镜洋等研究了功率提取与发动机燃油经济性的关系,完成了对燃油经济性影响分析[6]。

以上研究均加深了对功率提取的理解,但有限的资料表明,目前的研究主要集中在功率提取对发动机的影响分析方面,并未涉及到功率提取对启动机功率需求或启动机选取的影响。事实上,根据发动机实际使用经验,功率提取量值和提取时机对启动机最大输出功率的选取有着显著的影响。

启动机功率选取作为航空发动机启动性能设计中的一项重要技术活动,具有难度大、影响因素多、跨学科的特点。国内外在启动机功率选取方面鲜有文献报道,公开资料显示,关于启动机的研究主要包括以下领域,如空气涡轮启动机与APU特性的匹配[7]、启动机可靠性分析[8]、空气涡轮启动机包容性研究[9,10]、启动机故障分析[11]、启动机改进设计研究与验证[12]、启动机试验方法研究[13]等。

本文以某型新投产的涡扇发动机和某空气涡轮启动机为研究对象和计算平台,根据转子扭矩平衡方程搭建了启动机功率选取仿真计算模型,开展了发动机功率提取(提取量值和提取时机)对启动机功率选取的分析研究。相对之前的启动机功率选取仿真计算模型[14,15],本文在剩余力矩的计算方面所考虑的因素更加全面、完善,研究结论能够为后续启动机的选型提供参考。

2 启动机功率扭矩特性

启动机输出扭矩MST为启动机转速N的一次函数,输出功率PST为启动机转速N的二次函数。实际使用中,以启动机最大输出功率来衡量启动机的带转能力。最大输出功率越大,表明启动机带转能力越强。

MST=MST0-kst×N

(1)

(2)

式中,MST为启动机输出扭矩(N·m),N为启动机物理转速(r/min),MST0为转速为0时的输出扭矩(N·m),kst为输出扭矩函数的斜率,PST为启动机输出功率。

以现役成熟的某型启动机为例,图1给出了启动机输出功率和扭矩的关系。启动机输出功率的大小决定了输出扭矩的高低,从而影响发动机在不同转速段上的转速上升率,进而影响发动机的启动性能。启动机功率扭矩特性对发动机启动性能的调整和启动过程供油控制规律的给定有着明显的影响,例如当低转速段启动机扭矩较大,则在低转速段上可以降低发动机启动供油量,进而改善压缩部件喘振裕度,降低了失速或喘振的风险。

图1 启动机功率扭矩特性

3 扭矩平衡法说明

3.1 转子扭矩平衡方程

扭矩平衡法是启动机功率选取最为准确的方法。扭矩平衡法主要是基于转子扭矩平衡方程,建立启动机功率选取数学模型,通过解方程确定启动机扭矩大小,进而根据功率和扭矩之间的关系准确确定启动机所需功率。转子扭矩平衡方程如下:

(3)

式中,MST表示启动机输出扭矩(N·m);MT为高压涡轮产生的扭矩(N·m);MC表示高压压气机气动阻力矩(N·m),与压气机转速的平方成正比,与压气机设计能力相关;MZ为摩擦阻力矩(N·m),是发动机属性参数;MF为燃滑油附件阻力矩(N·m);MP为因功率提取而产生的扭矩衰减量(N·m);MD为因性能衰减而产生的扭矩衰减量(N·m);J为高压转动轴的转动惯量(kg·m2),是发动机属性参数;n为发动机高压转子物理转速(r/min),dn/dt为高压转速变化率(r/min/s)。

通过解方程求解MST,进而根据扭矩和功率的关系(式(2))获得启动机输出功率。

3.2 启动过程分段方法

扭矩平衡法主要以发动机点火转速、脱开转速为输入,以启动时间为约束边界,计算在相应的转动惯量下,发动机能够成功启动所需的启动机功率。扭矩平衡法对启动过程进行分段求解,将启动过程划分为3个阶段进行计算。

启动的第一阶段为0转速到点火转速之间的阶段。第一阶段由启动机单独带动,涡轮未投入工作,扭矩为0,根据上述公式,可以得到本阶段启动时间表达式为:

(4)

启动的第二阶段为点火转速到启动机脱开转速之间的阶段。第二阶段涡轮投入工作,启动时间表达式如下:

(5)

启动的第三阶段为启动机脱开后到慢车转速阶段。本阶段仅有涡轮剩余扭矩带动转子加速,第三阶段启动时间表达式如下:

(6)

方程中,nd、nt、nidl分别表示点火转速、脱开转速、慢车转速。

3.3 阻力矩影响分析

在方程(3)中,MC、MZ、MF、MP、MD均可以认为是阻力矩,对启动有不利的影响,在计算中予以考虑。

压气机气动阻力矩MC是发动机转速的函数,如式(7)所示,式中的系数k为阻力矩系数,与压气机气动性能有关,可通过压气机部件试验确定。

MC=k×n2

(7)

摩擦阻力矩MZ和燃滑油附件阻力矩MF为发动机属性参数,一直存在于发动机各传动系统中,但目前不具备开展测量试验的条件,无法确定摩擦阻力矩及燃滑油附件阻力矩的大小。考虑到其数值较小,本文在计算中暂不考虑。

性能衰减是客观存在的自然规律,随着使用时间的延长,启动机自由涡轮的效率降低,同时发动机各部件性能也出现衰减,因此因性能衰减而产生的扭矩衰减量MD也会给启动机功率选取带来一定的影响,但目前无法评估因性能衰减导致的扭矩衰减量,因此本文后续计算采用一台较新的发动机作为计算平台,认为新机没有性能衰减,在计算启动机功率需求时,可暂不考虑性能衰减的影响。

在装机条件下,飞机使用部门会提出启动过程加载的需求,导致用于驱动高压转子加速的剩余功率降低,即存在因功率提取而产生的扭矩衰减量MP。如果功率提取量值较大,将会导致转速上升率降低、启动时间延长甚至超出规定要求。另外,功率提取的时机也会对启动机功率选取有明显的影响。功率提取起始转速越小,对启动过程转速上升率的影响越大。本文重点研究该项内容。

4 计算结果与分析

本文以某型新投产的发动机在海平面(高度H=0km)标准大气条件下的启动过程为计算平台,通过调整功率提取量值(0kW、10kW、20kW)和功率提取起始转速(10%、20%、60%),得到不同输入条件下的转速上升率。

计算输入条件为:点火转速为17%,脱开转速为53%,慢车转速为65%,启动时间要求不超过50s。以上特征转速均为无量纲数据。

4.1 功率提取量值的影响

首先,在上述输入条件下,不考虑功率提取,计算了发动机能够在规定的时间内成功启动所需要的启动机功率,其值应不小于120kW。

其次,在上述输入条件下,给定启动机输出功率为120kW,功率提取初始转速暂定为20%,计算了功率提取量对转速上升率的影响(如图2所示)。计算结果表明,随着功率提取量的增加,启动的转速上升率下降、启动时间变长。当功率提取从0kW增加到20kW时,启动时间延长了14%。

图2 功率提取量对转速上升率的影响

因此,为保持发动机启动性能不受功率提取的影响,需增大启动机的最大输出功率,弥补因功率提取造成的启动性能下降。在本算例中,当功率提取量值从0kW升高至20kW时,为保持启动时间不变,启动机的最大输出功率应从120kW增加到160kW。由此可见,功率提取对启动机最大输出功率有较大的影响,即影响了启动机的选型。因此,需要权衡启动机设计能力和功率提取量值之间的约束关系,功率提取量值增大,要求的启动机功率就越大,对启动机的设计能力会提出更高的要求,增加了启动机的设计成本和技术难度。

4.2 功率提取初始转速的影响

在上述输入条件下,给定启动机输出功率为120kW,功率提取量暂定为10kW,计算了功率提取初始转速对转速上升率的影响(如图3所示)。可以看出,随着功率提取初始转速的降低,启动时间越来越长。当功率提取初始转速从60%降低到10%时,启动时间增加了11.1%。

图3 功率提取初始转速对转速上升率的影响

为保持发动机启动过程转速上升率不受功率提取的影响,需要增大启动机的最大输出功率,弥补因功率提取初始转速降低造成的启动性能下降。在本算例中,当功率提取初始转速从60%降低到10%时,为保持启动时间不变,启动机最大输出功率应从120kW增加到145kW。

对于功率提取时机的问题,是由飞机的能力和任务需求确定的。从飞机系统的角度看,希望功率提取时机越早越好,但功率提取初始转速越低,对启动机最大输出功率的要求就越高,这在一定程度上增加了启动机设计难度。

4.3 小结

在开展启动机设计工作前,需与飞机使用方协调确定飞机对于功率提取的要求,明确飞机的输入,确定功率提取量值和功率提取的时机,进而确定启动机最大输出功率需求。另外,在进行启动机选型时,需要考虑一定的功率裕度储备。由于在进行计算时并未将摩擦阻力矩和燃滑油附件阻力矩考虑在内,同时对于工作时间较长的发动机和启动机,其性能必然存在衰减,因此启动机功率的最终确定需要考虑相应的功率裕度储备,在计算结果的基础上增加一定的量值。

5 结 论

为研究发动机功率提取对启动机功率选取的影响,本文以转子扭矩平衡方程为基础搭建了启动机功率选取仿真计算模型,并在模型中增加了功率提取项。基于模型,计算了功率提取量值和提取时机对启动过程转速上升率的影响,得出以下结论:

(1)功率提取量值增加或者功率提取初始转速降低,启动过程转速上升率下降、启动时间变长,反之也成立。

(2)当功率提取量需求增加或者功率提取初始转速降低时,为保持启动时间不变,应采用更大功率级的启动机。

(3)本文考虑到了摩擦阻力矩、燃滑油附件阻力矩以及性能衰减的影响,但并未对其赋值。虽然摩擦阻力矩、燃滑油附件阻力矩数值较小,但仍会对计算结果产生影响。对于使用时数较长的发动机,性能衰减也是不可忽略的因素。因此,后续需开展研究,明确摩擦阻力矩、燃滑油附件阻力矩的计算方法,同时研究性能衰减对阻力矩的影响规律,并在计算过程中将以上因素考虑在内,提高启动机功率需求计算的精度。