摘 要：通过某型涡扇发动机与可移动插板式畸变发生器的联合试验，确定了对某型涡扇发动机进气压力畸变所作稳定性评定的内容、方法、技术和程序。研究了复杂进气流场的分布表示方法和畸变指数的计算分析方法。得到了被测发动机在若干工作状态下抗压力畸变能力的定量数据。可对我国发动机的使用、研制和发展提供支持和服务。
关键词：涡扇发动机，可移动插板式畸变发生器，进气总压畸变，评定技术
美国、俄罗斯及西欧一些国家已经充分认识到发动机稳定性对发动机发展的制约性和关键性，必须在发动机的发展、定型、生产等阶段定量地评定发动机可用稳定裕度与需用稳定裕度的关系，坚持把发动机稳定性评定贯穿于动力装置的研制、生产和维修的全过程。
当前我国在发动机研制、生产过程中，稳定性设计和评定经常采用的是美、英70年代初期使用的方法，与国外的差距大，这给发动机的研制、定型和使用带来隐患。例如，现役的某涡喷系列发动机在使用中喘振停车故障时有发生，只能采取限制飞行使用范围和飞行员的操纵来暂时解决［1］。现在我国正进入新一代战斗机发动机研制的后期，规范发动机稳定性设计与评定是发动机研制过程中不可回避的关键问题，其研究的必要性是不言而喻的。
本文以可移动插板作为压力畸变发生器，以综合畸变指数为评定指标，进行了某型涡扇发动机的进气压力畸变试验及稳定性试验研究。
1 压力畸变试验设备与技术方案
发动机与插板式畸变发生器的联合试验系统简图如图1所示。该系统主要由吊挂式发动机试车台架（最大推力147 kN）、某涡扇发动机、发动机操纵 系统、可移动式插板畸变发生器、等直径进气导流筒体、VXI总线测试系统和试车辅助设备等组成。
为了进一步深入研究插板与发动机进口截面及进气流场测量截面的距离对试验结果的影响，同时也使试验设备能够适应型号发展的需要，导流筒体设计成多段组合式，以根据研究项目的具体情况组合成不同的长度。插板距发动机进口截面的长度（L1）和测量截面与发动机进口的距离（L2）可以根据试验要求改变，其中L1／D＝6．453～1．370，（L2／D）min＝0．354，D＝678 mm为发动机进口直径。
插板式压力畸变发生器由进气罩、导流筒、插板箱、板位移液压控制机构和活动支架等装置组成。
畸变发生器原理如图2所示。气流在导流管内高速流动过程中一旦遇到扰流平板的阻滞，流线发生激烈变化，并在扰流平板后形成一个涡流区，在其后的管道流动中产生畸变流场，并且此流场中的气流有一定的紊流度。本次试验在L1／D＝2．8的位置设置一能上下移动的扰流板，扰流板的最大相对深度是Hmax＝H／D＝0．5。当发动机工作时，通过控制扰流板的高度和扰流截面与发动机进口截面之间的距离，可得到不同畸变强度和气流紊流度的畸变 流场，从而考核发动机抗进气压力畸变的能力。
安装环测量耙安装座数量和分布见图3。由周向均匀分布的6支测量耙形成“水”字型流场测量截面，其堵塞比为2．98％，每支测量耙上包括稳态总压测量点和动态总压测量点。
稳态总压的测量采用每一周向位置沿径向布置5个测量点，共计30个测点；在径向0．9R处布置了1个动态总压测点，动态总压的测量共计6个测点，各点的标记如图3所示。高频响的微型动态压力传感器埋入测量耙的动态测点，直接感受动态压力信号。单支测量耙示意图见图4。
2 试验方法和程序
（1）首先进行发动机基准试车。在不安装畸变发生器情况下，记录发动机在各试验状态转速下的参数。
（2）然后安装连接好插板式畸变发生器，将发 动机调整到某一试验状态，逐渐增大插板深度。
（3）每改变一次插板深度值，稳定一分钟后开始采集各参数。此时注意观察压气机压力信号和排气温度信号，当出现失速和喘振信号时，及时收油门、退插板，同时记录临界状态各参数。
（4）重复上述步骤，直至试验完所有试验状态。
由于该发动机已接近返修期，仅做了nLcor＝80％、85％、90％、95％状态点。这里，nLcor为发动机低压转子换算转速。
3 畸变流场计算与分析
采用俄罗斯的畸变指数处理方法［2］。
（1）发动机（压气机）进口流场的畸变程度用综合畸变指数“W”来度量。
综合畸变指数定义为
由于径向不均匀度的影响是次要的，所以不计入“W”之中。
（2）气流的周向不均匀性。
气流的周向不均匀度定义为
式中，σLPAV是周向低压区的平均总压恢复系数，σAV是测量面平均总压恢复系数。
（3）气流的脉动强度。
进口截面气流的脉动强度定义为
式中，是测量截面总压平均值。
4 气动稳定性分析
（1）稳态总压场不均匀度分析
稳态总压场的周向不均匀度、测量平面上平均总压恢复系数σAV以及低压区范围φ0在各状态下随扰流板深度H的变化如图5、图6和图7所示。
由图可知，随着扰流板深度的增大，周向不均匀Δσ0、周向低压区范围φ0都是增加的，测量面平均总压恢复系数σAV减小。发动机转速对不均匀性指数Δσ0和平均总压恢复系数σAV的影响很明显，结果 是：转速增大使得Δσ0增大，σAV减小；但周向低压区范围φ0的变化并不明显，几乎可以将φ0只看作是扰流板深度的函数，且基本上呈线性关系，这说明低压区的范围主要取决于扰流板的位置。
（2）气流的脉动强度分布
气流的脉动强度ε随着插板深度H的变化如图8所示，其基本规律是平均紊流度随着插板深度的增加而增大，而且是H越大，平均紊流度的增加幅度也越大。在同样的插板位置，发动机转速增高，平均紊流度也随着增大。
（3）综合畸变指数的变化规律
发动机的综合畸变指数W与插板位置H的关系如图9所示，可见，插板的插入度越大，发动机进 口的综合畸变指数也越高。发动机在各状态下临界点的临界插板深度Hcr和临界畸变指数Wcr的数据见表1［3］。其中临界畸变指数Wcr随发动机转速的变化如图10所示，由图可见，该发动机在中等转速范围对进气压力畸变的承受能力是比较弱的，进气压力畸变最低容忍能力发生在nLcor＝89％左右，最低的最大综合畸变指数约为16．3％。这些同样说明该发动机在nLcor＝85％～90％范围内，在同样的压 力畸变水平时，压气机稳定工作裕度损失最大。
5 结 论
通过发动机进气压力畸变及稳定性试验，得到了被测发动机在几种工作状态下抗压力畸变能力的定量数据，为解决进气道与发动机的相容性问题提供了重要的试验基础，可为研究和改进型发动机的进气道／发动机匹配相容性试验提供支持和服务。
参考文献
［1］ 李 军．涡扇发动机进气总压畸变及稳定性试验研究．空军工程大学博士后学位报告，西安，2001
［2］ 程邦勤．涡喷／涡扇发动机进气总压畸变试验研究：［博士论文］．西安：空军工程大学，2000
［3］ 李文峰，王永生，王建华．发动机稳定性试验研究VXI总线测试系统．航空计测技术，2002，22（3）：28～31
来源：西北工业大学学报
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