第六章 双轴涡轮喷气发动机

第六章双轴涡轮喷气发动机Twinspoolturbo-jetengine第6.1节双轴涡轮喷气发动机的防喘原理和性能优点AvoidingsurgeoccurredandotheradventagesofTwinspoolturbo-jetengine采用双轴涡轮喷气发动机的主要目的是防止压气机喘振。双轴发动机把一台高设计增压比的压气机分为二台低设计增压比的压气机，分别由各自的涡轮带动。低压压气机与低压涡轮组成低压转子，高压压气机与高压涡轮组成高压转子，双轴发动机的结构方案如图6.1.1。图6.1.1双轴发动机简图为什么双轴发动机在转速降低时有效的防止压气机喘振？这个问题在前面已经讨论过了，现在联系涡轮的工作状态进一步说明如下：单轴的高设计增压比压气机在非设计状态下工作严重恶化，是由于沿压气机气流通道轴向速度的重新分布所引起的，根据压气机进口和出口流量相等的条件，可以得到式中A2、A3、c2z、c3z、ρ2和ρ3分别代表压气机进出口的面积、气流轴向分速度和密度。上式可以改写为由多变压缩过程的关系可得：式中n——多变指数分别用压气机进出口的周向速度u2和u3除上式左边的分子和分母，可得上两式中K1和K2为常数。在速度三角形中cz/u称为耗量系数。由上两式可见，压气机增压比的变化将导致压气机进出口轴向速度之比和耗量系数之比也相应地变化。当发动机相似参数变化时，就会产生这种情况。发动机相似参数的变化可能是由于转速的变化引起的，也可能是在转速不变时压气机进口温度变化引起的，这两种情况没有本质的差别。由压气机的气流速度三角形可以知道，耗量系数的变化影响着速度三角形的形状，使气流流入压气机叶片的攻角发生变化。例如，压气机进口耗量系数c2z降低，将引起第一级压气机叶片的攻角增大；而压气机出口耗量系数c3z增加，将引起末级压气机叶片攻角减小。因此，当发动机转速相似参数降低后，压气机的最前面几级和末后几级都将偏离它们的设计状态，中间各级由于耗量系数cz变化不大，因而工作状态变化不大。压气机前后各级的攻角偏离设计状态，首先使压气机级效率降低，进一步发展将会导致压气机喘振。在非设计状态下前后各级工作不协调的现象对于高设计增压比的压气机将更为严重。通过上述分析，可以知道，要达到在非设计状态下前后各级协调地工作，最有效的方法是使各级的转速相应于各级进口气流轴向速度的重新分布而各自变化，以保证各级耗量系数cz不变。然而这在结构上是不可能的，也不需要这样。在一般情况下只要把压气机分成两组就足够了。这就成为双轴压气机和双轴发动机。当双轴发动机的转速相似参数降低以后，高压转子和低压转子的转速自动地进行调整，使前后各级能够协调工作。为了说明这个现象，再进一步分析压气机和涡轮工作的某些特点。压气机由设计状态降低转速和增压比时，前后各级的气流轴向速度和耗量系数都将重新分布，前几级的耗量系数降低，攻角加大；而后几级的耗量系数加大，攻角减小。攻角的改变将引起各级加功量wc,i的变化。对于前面几级，攻角加大时，工作轮出口的气流相对速度方向基本不变，因而气流转角Δβ加大，扭速Δwu加大。如果是压气机进口温度增加使转速相似参数降低而工作轮切线速度u不变时，级的加功量也加大。对于后面几级，流入角减小时，将使气流转角Δβ减小，扭速Δwu减小，因而级加功量wc,i减小。总之，当压气机增压比降低时，低压压气机的加功量wc,l和高压压气机的加功量wc,h之比将加大，即式中下角注s表示设计状态下的比值。如果低压压气机和高压压气机用同一个比值降低转速(这在双轴发动机上当然是不可能的，但为了便于分析，姑且这样假设)，那末上述加功量比值的变化关系仍然是正确的。因为在较低的转速下，压气机增压比降低，高低压压气机扭速的不同变化使得综上所述，无论是由于压气机进口总温增高或是由于转速下降引起转速相似参数降低，都会引起加功量的重新分配。实验指出：某双轴发动机的压气机当πc*,d=8时，，当转速相似参数降低使πc*降低到1.5时，。加功量重新分配的结果，将使低压压气机要求较大的力矩才能带动，而高压压气机要求较小的力矩。或者说，带动低压压气机显得很“重”，而带动高压压气机则较“轻”。下面再分析涡轮工作的特点。目前涡轮喷气发动机上所采用的多级涡轮的第一级涡轮导向器一般是在临界或接近临界的工作状态，因此，具有以下特点：①当发动机的尾喷管不可调，并处于临界或超临界状态工作时，各级涡轮膨胀比是不变的。为了证明这种情况，写出涡轮导向器和尾喷管之间的流量连续方程：(6.1-1)式中At,h和At,l分别代表高压涡轮和低压涡轮导向器的出口面积。根据多变过程方程可得式中n'为膨胀过程的多变指数。将此式代入(6.1-1)，可得同理可得式中πt*,h和πt*,l分别代表高压涡轮和低压涡轮的膨胀比。涡轮工作状态变化时，涡轮效率以及多变指数n'变化不大。当尾喷管在临界或超临界状态下工作时，q(λt,h)、q(λt,l)、q(λ9)都是常数。在这种条件下，从上式可以看出，高压涡轮和低压涡轮的膨胀比都不变，即涡轮总膨胀比πt*也不变，即②当发动机的尾喷管不可调，并处于临界或超临界状态工作时，发动机转动降低使各级涡轮前的燃气温度与T4*成正比变化，涡轮功在各级中的分配保持同样的比例。由于发动机工作状态变化时，涡轮效率变化不大，涡轮膨胀比保持常数，根据涡轮功的公式，可得(6.1-2)总的涡轮功为(6.1-3)低压涡轮功为(6.1-4)由(6.1-2)和(6.1-4)式，可得(6.1-5)由(6.1-5)式可以看出，当尾喷管处于临界或超临界状态下工作时，低压涡轮功和高压涡轮功之比等于常数。③当发动机转速相似参数降低，发动机总的可用膨胀比下降，使尾喷管进入亚临界状态工作时，涡轮膨胀比的减小首先发生在涡轮的最后一级，使低压涡轮膨胀比和低压涡轮功下降。只有当发动机转速相似参数降得很低时，高压涡轮的膨胀比才开始降低。因此，当尾喷管在亚临界状态工作时，涡轮功之比将发生变化，即以上分析了发动机转速相似参数降低时，压气机功和涡轮功在高低压转子之间重新分配的特点，它将使高低压转子的转速自动的进行调整。譬如，压气机进口温度T2*不变，发动机转速下降，则先设想高低压转子用机械方法联接在一起，高低压转子转速按相同的比例下降，由于压气机增压比降低，低压压气机的气流攻角加大，而高压压气机的气流攻角减小，低压和高压压气机功之比也增加。低压和高压涡轮功之比则保持不变，当尾喷管处于亚临界状态下工作时涡轮功之比还有所下降。这时候，如果“拆除”高低压转子之间的机械联系，低压转子则由于低压压气机负荷较“重”而进一步降低转速，高压转子则由于高压压气机负荷较“轻”而稍微提高转速。转速的重新调整，保证了低压压气机功与高压压气机功之比达到涡轮所维持的比值。又譬如，发动机转速不变，压气机进口温度T2*增加使发动机相似参数降低时，压气机增压比降低，也将引起低压与高压压气机功之比增加。这时候若保持高压转子转速不变，低压转子转速必将降低，若保持低压转子转速不变，高压转子转速必将有所增加。高低压转子转速的自动调整，正是为改善压气机在非设计状态下工作所需要的。这就使得双轴发动机的压气机前后几级在非设计状态下耗量系数cz和流入角与设计值的偏离比单轴发动机的压气机小得多，这从根本上决定了双轴发动机比单轴发动机在非设计状态下工作时有明显的优越性。双轴发动机与单轴发动机相比，具有如下优点：①双轴发动机与具有相同增压比的单轴发动机相比较，可以使压气机在更广阔的转速相似参数范围内稳定的工作，是防止压气机喘振的有效措施之一。②双轴发动机在低转速下具有较高的压气机效率和较低的涡轮前燃气温度，因此双轴发动机在低转速工作时耗油率要比单轴发动机低得多。③双轴发动机与单轴发动机相比，由于在低转速时具有较低的涡轮前燃气温度，而且压气机不易产生喘振，因而在加速时可以喷入更多的燃料，使双轴发动机具有良好的加速性。④双轴发动机在起动时，起动机只需要带动一个转子，与同样参数的单轴发动机相比，可以采用功率较小的起动机。目前有的双轴发动机同时采用可调导流叶片或压气机放气结构，其压气机设计增压比达到20以上。也有的发动机采用了三轴的结构形式，其工作原理与双轴发动机是相同的。思考题:⑴为什么要采用双轴发动机？第6.2节高低压压气机压缩功的分配和转速的选择Distributionofcompressionworkbetweenhighpressurecompressorandlowpressurecompressor,andselectionofrotorspeed高低压压气机之间压缩功的分配如果相差十分悬殊，必然会失去使用双轴发动机的优越性，而与单轴发动机特性相接近。因此压缩功在高低压压气机之间的分配不应相差太大。压缩功的分配主要根据高压涡轮和低压涡轮的级数以及各级涡轮功的大小来确定。例如，发动机使用二级涡轮，高低压压气机分别由一级涡轮带动，由于高压涡轮在较高的燃气温度下工作，高压涡轮功应该大于低压涡轮功，因此高压压气机的压缩功就应该大于低压压气机的压缩功。又例如，发动机有三级涡轮，低压压气机可以由一级或二级涡轮带动。如用二级涡轮带动低压压气机，那么低压压气机的压缩功将大于高压压气机的压缩功。至于高低压转子转速的大小，分别由其本身的限制条件来确定，如压气机进口叶尖相对Ma数的大小、叶片强度等。由于高压压气机进口空气温度大于低压压气机进口空气温度，而高压涡轮进口燃气温度则大于低压涡轮进口燃气温度，因此高压转子的转速一般都大于低压转子的转速。思考题:⑴高低压压气机之间压缩功怎样分配？高低压转子的转速如何选择？第6.3节稳态下各部件的相互制约Componentsrestrictedeachotheronstablestate可以把双轴发动机的高压转子看成一台单轴发动机，低压压气机出口的气体参数就是这台单轴发动机的进口参数，把低压涡轮导向器最小截面作为这台单轴发动机的尾喷管临界截面。因此对于高压转子各部件工作的相互制约以及在设计状态下的部件匹配等问题与一般单轴发动机完全相同，可以参考第五章中5.1和5.2节的内容。在这里着重讨论低压转子的工作情况。由于在低压压气机和低压涡轮之间存在着高压转子，因此高压转子的工作情况直接影响低压转子的工作。一、低压压气机特性图上共同工作线的位置同样可以把双轴发动机的低压转子看成一台单轴发动机。它与一般单轴发动机所不同的是：在低压压气机与低压涡轮之间本应存在燃烧室的地方却被高压转子所代替，使得气流从低压压气机流出以后在进入低压涡轮之前总压有了进一步升高，其升压比为(下角注25代表高压压气机进口截面，下角注45代表高压涡轮出口截面)。低压转子的低压涡轮导向器截面积的设计是考虑到有这样一个升压比的数值。当双轴发动机关小油门时，高压转子的转速和低压转子的转速同时降低，升压比的数值也随之下降。假设，当发动机转速降低时，高压转子的升压比能够保持不变，那么低压压气机特性图上共同工作线的位置与一般单轴发动机相同。事实上，当发动机转速降低时，升压比的数值降低，由于低压压气机出口的气流在通过高压转子的时候不能得到足够的压缩，致使低压涡轮导向器截面积显得太小，低压压气机出口气流不能“通畅”的流过低压涡轮导向器而显得有所“阻塞”，因此，当低压转子转速降低时，低压压气机在特性图上共同工作线的位置由于受到升压比降低的影响面趋近喘振边界。图6.3.1双轴发动机低压压气机特性图上共同工作线的位置图6.3.1给出了双轴发动机低压压气机特性图上共同工作线的位置，为了进行比较，同样画出了该压气机若用于一般单轴发动机时的共同工作线位置，如图中虚线所示。二、尾喷管临界截面积的大小对双轴发动机工作的影响由于双轴发动机的低压转子和高压转子之间没有机械联系，因此燃油自动调节器只能保证低压转子转速n1或高压转子转速n2二者之一为常数。分析双轴发动机在一定的飞行条件下工作时，若燃油自动调节器保持低压转子转速n1为常数，减小发动机尾喷管临界截面积A8对双轴发动机工作的影响。减小发动机尾喷管临界截面积A8，首先使得低压涡轮膨胀比减小，为了不让低压转子转速