燃气涡轮发动机总体性能

来源：塑胶五金网发布时间：2014-12-04 16:09:38点击率：

　　燃气涡轮发动机总体性能的全面评价所依据的技术性能指标不仅是在设计状态下的，而且还有在偏离设计状态(尤其是过渡态)下的。

　　在评价航空推进装置向飞机提供动力以满足其任务的适合与否方面，有两个重要的因素必须予以考虑;推进装置的稳态性能(即在固定的飞行条件与油门位置时的推力与油耗);推进装置在飞行条件或油门位置或两者都变化之过渡态运行时具有良好的性能。

　　稳态指机械设备正在运行于名义固定不变的某一工作点处。过渡态指人为地使机械设备的运行从一个稳态向另一个稳态的变化。随时间而变化的工作状态称为变工况或过渡态，工作状态随时间而变化的过程称为动态过程或过渡过程。只有深入细致地进行过渡态研究，并在此研究基础上设计出过渡态对燃气涡轮发动机的影响为小的结构，并开发出相应的调节规律与控制系统，才能获得优良的发动机性能。

　　2造成燃气涡轮发动机过渡态的原因引起推进系统产生过渡态的原因分为4类(1)大气与外部环境(如自由流的紊流度、飞机尾迹、导弹发射废气、矢量喷口在地面转向或反向时的炽热废气);(2)飞机飞行状态(如：大攻角飞行、加速或减速、降落机构打开、侧滑、俯仰、横滚);(3)进气系统的工作状态(如：进气道不起动、深度超临界);(4)发动机工作状态(如：猛推油门、加力燃烧室熄火、压气机失速)。

　　现役发动机中，影响过渡态的大多与油门大移动有关。歼击机区别于其它飞机的显著特点是出击、空-空格斗、空-地攻击使用中飞机的大机动性，即飞行任务混频度高(功能变化大)、油门(功率或推力)状态突变与环境变化大。

　　3航空燃气涡轮发动机的过渡态特性发动机过渡态性能主要取决于发动机的构造、控制系统基本原理与机械化、自动化程度与控制精度、压力与温度、以及发动机过渡态初始时的转速。

　　3.1起动特性当发动机的转速很小时，即使在涡轮前保持燃气温度的大允许值T3max，发动机也还是不能起动。这是由于在很小转速下，压气机增压比很低，压气机与涡轮的效率都很低，涡轮产生的功率远小于压气机所需要的功率。只有当发动机转速达到某一转速、T3max，发动机才可以稳定工作，此转速称为小稳定工作转速(其值一般比发动机大转速的10%要高)。当发动机转速超过小稳定工作转速、T时，涡轮功率才大于压气机功率(即涡轮有剩余功率)，于是加速发动机转动。因此，发动机在地面起动时必须利用外界动力源(统称为起动机)将发动机转速带到小稳定工作转速以上。

　　发动机起动特性可以利用时间常数(τ)来描述：时间常数与燃油流量有关。在数值上，通常起动时间等于燃油流量的突变量强加到系统上时转速达到发动机转速63%所需要的时间。对不同的发动机和不同的飞行状态，显然是不同的，所以应将时间常数换算到标准状态，以找到各种因素(发动机状态C发动机输入变量X、发动机相关输入变量Y)对发动机换算时间常数的影响。如果C状态下的时间常数τ(标准)，则称发动机在C状态迟钝。

　　3.2加、减速特性(1)加速特性燃气涡轮发动机在使用中，经常需要从一个稳定工作状态转换到另一个稳定工作状态。例如，在编队飞行、特技飞行或空战时，驾驶员通过不断地改变发动机油门杆位置来操纵飞机。起飞、复飞拉起或空战中，发动机推力对油门变化的响应速率是十分重要的。推力增加的速率通常是根据发动机转速或压比增大的速率(即发动机的加速性)来判断。发动机从慢车状态过渡到大状态的加速时间越短，发动机加速性越好。

　　(2)影响燃气涡轮发动机加速过程及加速性的各种因素影响燃气涡轮发动机加速性的重要因素有：飞行高度与速度(增加飞行高度会使发动机的空气流量下降、涡轮剩余功率下降，不利于加速性;增加飞行速度会使发动机的空气流量增加、涡轮剩余功率增加，有利于加速性)、工作过程的参数、调节方法、发动机的结构尺寸、摩檫和传动附件的扭矩。

　　改善燃气涡轮发动机加速性的措施包括：a改进结构和使用新材料以减小发动机转子的惯性矩;采用气动上更完善的压气机、涡轮部件。b增加尾喷口的小截面积，或调节进口导流叶片以减小发动机进气流量等措施，在保持一定推力条件下增大慢车转速，以缩短加速时间。

　　涡喷发动机的加速过渡态性能受到下述因素的影响：压气机部件不同膨胀率所引起的压气机叶尖间隙的变化、因气冷高压涡轮静止叶片热响应滞后而产生的涡轮导向器温度变化、涡轮金属材料受燃气作用而引起的非绝热膨胀、压气机冷却状态下的非绝热压缩、工作点与喘振边界的裕度等。

　　发动机不稳定工作状态与稳定工作状态之间的根本区别是涡轮及压气机功率互不相等，也即涡轮产生的扭矩与压气机需要的扭矩不相等。在加速过程中，涡轮所产生的扭矩必然等于压气机和各传动附件及克服摩檫所需要的扭矩。这要求：a多喷油燃烧以提高T的提高受到以下因素的限制：涡轮叶片强度大转速下离心力大，该问题突出。压气机喘振边界中等转速下该问题突出。供油量或T的大值应保证压气机的稳定工作裕度燃烧室稳定性加速过程中供油量过大，燃烧室内的余气系数α减少，发动机趋于“富油熄火”。高空起动时，该问题尤为突出。

　　b增加尾喷口出口面积(对于可调喷口)以增加涡轮的膨胀比π加速时间直接与转子惯性矩成正比，与大转速下的空气流量成反比，并与压气机的增压比和T的设计值有关。在加速过程中，如果T或供油量保持由上述3个限制条件所确定的大允许值，那么就可以获得短的加速时间，这样的供油曲线即为供油曲线。

　　(3)减速特性减少发动机供油量，会使T下降、涡轮功率减小，从而使发动机转速下降。如果迅速将油门杆从大油门位置拉回到慢车位置，发动机仍处于很高过渡态对歼击机燃气涡轮发动机的影响的转速，燃油流量的突然减少可能引起燃烧室“贫油熄火”而导致发动机停车。这个问题在高空尤为突出。为避免这种情况，燃油系统应采取相应的安全装置，以保证飞行员迅速拉油门杆时燃油流量不致突然减小。在减速过程中，自动调节器将相应地改变发动机的某些几何可调机构的工作位置。

　　3.3喷口特性燃气涡轮发动机的特性极大地取决于发动机部件之间的气动相容性。重要的气动干扰是喷口(尾喷口或涡轮导向器)对压气机工作的影响。在发动机中，压气机工作的目的是力图沿流动方向产生压力升，两端的压差引起由高压向低压流动。如果压气机叶片不能完成所规定的任务，就会出现部分或全部回流，即压气机失速或喘振。

　　对于涡轮喷气发动机来说，压气机的工作线为其后的尾喷口所控制。如果喷口的大小可以改变，就可以实现贴近控制。出于需要，歼击机常常采用带加力的发动机，以便在紧急情况下对涡轮后的燃气补充喷油燃烧，在短时间内藉增加喷口的排气速度来增加推力。为了保证加力效果，有必要对喷口作某种变化。在大功率状态下，这种喷口处于堵塞状态，其中WT/AP是固定的。如果喷口面积不变，那么加力所引起的温度增加使得压力增加，这在发动机燃油量不变的情况下会引起压气机失速。因此，为了防止压气机失速，应将喷口打开。在相同条件下，为保持发动机工作，通常近似按加力燃烧室出口温度/加力燃烧室进口温度增加喷口面积(空气流量与压力将分别随加力燃油量的增加而增加与减少)。改变尾喷口面积主要对压力有影响，温度的变化远小于压力的变化。

　　4过渡态对燃气涡轮发动机的影响过渡态对战斗机燃气涡轮发动机的影响主要体现在稳定性和可操纵性、效率、耐久性与寿命的影响上。

　　4.1过渡态对燃气涡轮发动机工作稳定性的影响重要的过渡态有两种：不加力发动机功率过渡态工况;加速过渡态工况。非加力状态改变需要通过增加(减少)发动机燃油流量来提高(减少)涡轮扭矩，以高(低)于定常工况时的水平来加(减)速发动机转速、增加(减少)推力。加速所需要增加的燃油流量引起压气机排气压力高于定常工况，造成喘振裕度降低/工作线升高。喘振裕度降低工作线升高的程度取决于供油量的大小，如果供油量过大，那么压气机将进入喘振。因此，对于涡喷发动机的压气机或涡扇发动机的高压压气机来说，加速是降稳因子。

　　对涡扇发动机来说，由于高、低压压气机之间的转速失配，惯性较低的高压压气机迅速减速造成流通能力下降，使低压压气机后压力增加，这种背压效应促使发动机减速而引起稳定性问题。通常是在高、低压转子之间旁路放气来消除这一问题。

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