淺談航空發(fā)動(dòng)機(jī)高低導(dǎo)面積匹配對(duì)轉(zhuǎn)差影響的研究論文
1 引言
轉(zhuǎn)差不合格是制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的主要問題。平均故障發(fā)動(dòng)機(jī)要反復(fù)排故很多次才能達(dá)到技術(shù)要求。轉(zhuǎn)差問題頑固的發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)試車次數(shù)增多，致使發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)周期過長。
轉(zhuǎn)差問題嚴(yán)重制約了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)進(jìn)度，并額外占用大量企業(yè)資源，增加了不必要的制造成本，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的質(zhì)量技術(shù)瓶頸。本文通過理論與工程實(shí)際相結(jié)合以及大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了高低壓渦輪導(dǎo)向器最佳排氣面積控制區(qū)間和最佳高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片與靜子機(jī)匣間隙兩種方式解決轉(zhuǎn)差不合格率高的技術(shù)難題。采取了上述措施后，航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差不合格率大幅降低，基本解決了轉(zhuǎn)差不合格故障對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的制約。
2 轉(zhuǎn)差的概念及影響轉(zhuǎn)差的因素
2.1 轉(zhuǎn)差的概念
轉(zhuǎn)差是航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制高壓壓氣機(jī)穩(wěn)定工作裕度的關(guān)鍵參數(shù)，即通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差可改變高壓壓氣機(jī)共同工作線在高壓壓氣機(jī)特性圖上的位置。轉(zhuǎn)差直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)在使用中的可靠性，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)收的主要指標(biāo)之一。
2.2 影響轉(zhuǎn)差的因素
一般來說，轉(zhuǎn)差故障解決措施有控制高低壓渦輪導(dǎo)向器最佳排氣面積、控制最佳高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片與靜子機(jī)匣間隙、使用加長轉(zhuǎn)子葉片的高壓壓氣機(jī)及溫度修正試驗(yàn)試車等幾個(gè)方面，本文針對(duì)高低壓渦輪導(dǎo)向器面積匹配對(duì)轉(zhuǎn)差的影響開展一系列研究。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差是：在n1=常數(shù)、噴口面積為常數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律下，在中間狀態(tài)低壓相對(duì)換算轉(zhuǎn)速n 1hs=100.5%的'條件下渦輪前燃?xì)鈸Q算溫度T3hs與高壓相對(duì)換算轉(zhuǎn)速n 2hs之間的關(guān)系，轉(zhuǎn)差△S=f( n 2hs， T3hs)。
當(dāng)A低導(dǎo)、A高導(dǎo)確定后，則反映在一定轉(zhuǎn)差下n 2hs=f(T3hs)的關(guān)系。由此可知發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差線一旦確定之后，高壓轉(zhuǎn)子的共同工作線也即確定，如轉(zhuǎn)差在規(guī)定的范圍內(nèi)，高壓壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度即可以得到保證，同時(shí)也直接保證了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度與高壓轉(zhuǎn)速之間良好的匹配，使發(fā)動(dòng)機(jī)在可靠工作的前提下性能得以充分發(fā)揮。
3 轉(zhuǎn)差隨高、低導(dǎo)向器排氣面積變化的規(guī)律
通過查閱資料，參考航空發(fā)動(dòng)機(jī)在熱力計(jì)算模型中得出：A高導(dǎo)每增加1cm2，△S約減小2.21格;A低導(dǎo)每增加1cm2，△S約增加1.21格。本文根據(jù)統(tǒng)計(jì)的多臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高、低導(dǎo)向器排氣面積原始數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)差值，計(jì)算出轉(zhuǎn)差率。當(dāng)不考慮A低導(dǎo)時(shí)，轉(zhuǎn)差△S隨A高導(dǎo)增加而減小;當(dāng)不考慮A高導(dǎo)時(shí)，轉(zhuǎn)差△S隨A低導(dǎo)增加而增加。因?yàn)闊崃τ?jì)算模型的前提條件是在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下并且保證T3不變的情況，而我們統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中沒有考慮T3溫度和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，因此△S隨A低導(dǎo)及A高導(dǎo)變化趨勢(shì)不是很明顯，但也足以說明△S隨A低導(dǎo)及A高導(dǎo)變化的規(guī)律。
根據(jù)轉(zhuǎn)差公式△S=f( n 2hs， T3hs)可知，在T3hs確定后，對(duì)于不同的A高導(dǎo)和A低導(dǎo)值，只要保持A低導(dǎo)/A高導(dǎo)為常數(shù)，則△S基本不變，并隨A低導(dǎo)/A高導(dǎo)的減小，△S下降。通過統(tǒng)計(jì)的多臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高、低導(dǎo)向器的排氣面積的數(shù)據(jù)可看出此規(guī)律性較明顯(個(gè)別點(diǎn)考慮溫度的因素為壞點(diǎn))。△S隨A低導(dǎo)/A高導(dǎo)變化的規(guī)律為△S隨A低導(dǎo)/A高導(dǎo)的增加而增加。另外，按統(tǒng)計(jì)高、低導(dǎo)面積原始值，計(jì)算出A低導(dǎo)/A高導(dǎo)數(shù)值，得出在A低導(dǎo)/A高導(dǎo)=2.427176±0.00573范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差率為△S=0~20合格。如果注意到這一點(diǎn)則調(diào)整的合格率較高。
在實(shí)際允許的導(dǎo)向器面積調(diào)整范圍內(nèi)，設(shè)A10為調(diào)整前的高導(dǎo)排氣面積，A20為調(diào)整前低導(dǎo)排氣面積，A1為調(diào)整后的高導(dǎo)排氣面積，A2為調(diào)整后的低導(dǎo)的排氣面積，轉(zhuǎn)差的變化應(yīng)該有個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：δΔS=α(A2-A20)-β(A1-A10)。分析認(rèn)為：若保證高導(dǎo)面積調(diào)整前后不變而統(tǒng)計(jì)低導(dǎo)面積調(diào)整前后變化與轉(zhuǎn)差率變化的曲線，則得出的斜率即為α值。若保證低導(dǎo)面積調(diào)整前后不變而統(tǒng)計(jì)高導(dǎo)面積調(diào)整前后變化與轉(zhuǎn)差率變化的曲線，則得出的斜率即為β值。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中有轉(zhuǎn)差不合格后調(diào)節(jié)高、低導(dǎo)面積的數(shù)據(jù)。在A1不變，只調(diào)節(jié)A2時(shí)，共統(tǒng)計(jì)了32組數(shù)據(jù)。畫出δΔS隨A2-A20變化而變化的曲線，斜率為0.2656。同時(shí)，在A2不變，只調(diào)節(jié)A1時(shí)，共統(tǒng)計(jì)了7組數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)點(diǎn)太少，沒辦法找出規(guī)律。因此得出轉(zhuǎn)差的變化可按下式估算：δΔS=0.2656(A2-A20)。
在實(shí)際試車中影響轉(zhuǎn)差率的因素非常多，如：噴口出口面積、大氣溫度、大氣含濕量等。若轉(zhuǎn)差不合格時(shí)，為了調(diào)整轉(zhuǎn)差值采取的措施也很多。如：(a)調(diào)整高低導(dǎo)向器排氣面積。(b)控制高渦葉片葉尖間隙，由原1.7~1.84內(nèi)控到1.65~1.75。(c)高壓渦輪導(dǎo)向器外環(huán)涂層采用前端面小間隙，后端面大間隙的坡度結(jié)構(gòu)。(d)控制高渦轉(zhuǎn)子與高壓渦輪導(dǎo)向器五道封嚴(yán)篦齒的間隙值。(e) 控制低壓渦輪外環(huán)和級(jí)間封嚴(yán)環(huán)的尺寸和跳動(dòng)：減小間隙。(f) 串裝高、低渦轉(zhuǎn)子。每次調(diào)節(jié)手段不唯一。因此，統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)由于眾多因素的制約很難得到試驗(yàn)性驗(yàn)證和規(guī)律性。
結(jié)論
(1)當(dāng)不考慮A低導(dǎo)時(shí)，△S隨A高導(dǎo)增加而減小;當(dāng)不考慮A高導(dǎo)時(shí)，△S隨A低導(dǎo)增加而增加。
(2)在A低導(dǎo)/A高導(dǎo)=2.427176±0.00573范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)差率為△S=0~20合格。
(3)如果注意到以上兩點(diǎn)，則調(diào)整的合格率較高。轉(zhuǎn)差的變化可按下式估算：δΔS=0.2656(A2-A20)。
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