浅谈航空发动机高低导面积匹配对转差影响的研究论文

　　1 引言
　　转差不合格是制约航空发动机生产的主要问题。平均故障发动机要反复排故很多次才能达到技术要求。转差问题顽固的发动机重复试车次数增多，致使发动机生产周期过长。
　　转差问题严重制约了航空发动机的生产进度，并额外占用大量企业资源，增加了不必要的制造成本，成为航空发动机制造的质量技术瓶颈。本文通过理论与工程实际相结合以及大量的试验验证，确定了高低压涡轮导向器最佳排气面积控制区间和最佳高压涡轮转子叶片与静子机匣间隙两种方式解决转差不合格率高的技术难题。采取了上述措施后，航空发动机转差不合格率大幅降低，基本解决了转差不合格故障对发动机生产的制约。
　　2 转差的概念及影响转差的因素
　　2.1 转差的概念
　　转差是航空发动机控制高压压气机稳定工作裕度的关键参数，即通过调整发动机的转差可改变高压压气机共同工作线在高压压气机特性图上的位置。转差直接影响发动机在使用中的可靠性，是航空发动机验收的主要指标之一。
　　2.2 影响转差的因素
　　一般来说，转差故障解决措施有控制高低压涡轮导向器最佳排气面积、控制最佳高压涡轮转子叶片与静子机匣间隙、使用加长转子叶片的高压压气机及温度修正试验试车等几个方面，本文针对高低压涡轮导向器面积匹配对转差的影响开展一系列研究。
　　航空发动机的转差是：在n1=常数、喷口面积为常数的调节规律下，在中间状态低压相对换算转速n 1hs=100.5%的条件下涡轮前燃气换算温度T3hs与高压相对换算转速n 2hs之间的关系，转差 S=f( n 2hs， T3hs)。
　　当A低导、A高导确定后，则反映在一定转差下n 2hs=f(T3hs)的关系。由此可知发动机的转差线一旦确定之后，高压转子的共同工作线也即确定，如转差在规定的范围内，高压压气机的`稳定工作裕度即可以得到保证，同时也直接保证了发动机涡轮前温度与高压转速之间良好的匹配，使发动机在可靠工作的前提下性能得以充分发挥。
　　3 转差随高、低导向器排气面积变化的规律
　　通过查阅资料，参考航空发动机在热力计算模型中得出：A高导每增加1cm2， S约减小2.21格;A低导每增加1cm2， S约增加1.21格。本文根据统计的多台航空发动机高、低导向器排气面积原始数据与转差值，计算出转差率。当不考虑A低导时，转差 S随A高导增加而减小;当不考虑A高导时，转差 S随A低导增加而增加。因为热力计算模型的前提条件是在标准大气条件下并且保证T3不变的情况，而我们统计的数据中没有考虑T3温度和标准大气条件，因此 S随A低导及A高导变化趋势不是很明显，但也足以说明 S随A低导及A高导变化的规律。
　　根据转差公式 S=f( n 2hs， T3hs)可知，在T3hs确定后，对于不同的A高导和A低导值，只要保持A低导/A高导为常数，则 S基本不变，并随A低导/A高导的减小， S下降。通过统计的多台航空发动机的高、低导向器的排气面积的数据可看出此规律性较明显(个别点考虑温度的因素为坏点)。 S随A低导/A高导变化的规律为 S随A低导/A高导的增加而增加。另外，按统计高、低导面积原始值，计算出A低导/A高导数值，得出在A低导/A高导=2.427176 0.00573范围内，转差率为 S=0~20合格。如果注意到这一点则调整的合格率较高。
　　在实际允许的导向器面积调整范围内，设A10为调整前的高导排气面积，A20为调整前低导排气面积，A1为调整后的高导排气面积，A2为调整后的低导的排气面积，转差的变化应该有个经验公式：δΔS=α(A2-A20)-β(A1-A10)。分析认为：若保证高导面积调整前后不变而统计低导面积调整前后变化与转差率变化的曲线，则得出的斜率即为α值。若保证低导面积调整前后不变而统计高导面积调整前后变化与转差率变化的曲线，则得出的斜率即为β值。统计数据中有转差不合格后调节高、低导面积的数据。在A1不变，只调节A2时，共统计了32组数据。画出δΔS随A2-A20变化而变化的曲线，斜率为0.2656。同时，在A2不变，只调节A1时，共统计了7组数据，此数据点太少，没办法找出规律。因此得出转差的变化可按下式估算：δΔS=0.2656(A2-A20)。
　　在实际试车中影响转差率的因素非常多，如：喷口出口面积、大气温度、大气含湿量等。若转差不合格时，为了调整转差值采取的措施也很多。如：(a)调整高低导向器排气面积。(b)控制高涡叶片叶尖间隙，由原1.7~1.84内控到1.65~1.75。(c)高压涡轮导向器外环涂层采用前端面小间隙，后端面大间隙的坡度结构。(d)控制高涡转子与高压涡轮导向器五道封严篦齿的间隙值。(e) 控制低压涡轮外环和级间封严环的尺寸和跳动：减小间隙。(f) 串装高、低涡转子。每次调节手段不唯一。因此，统计的数据由于众多因素的制约很难得到试验性验证和规律性。
　　结论
　　(1)当不考虑A低导时， S随A高导增加而减小;当不考虑A高导时， S随A低导增加而增加。
　　(2)在A低导/A高导=2.427176 0.00573范围内，转差率为 S=0~20合格。
　　(3)如果注意到以上两点，则调整的合格率较高。转差的变化可按下式估算：δΔS=0.2656(A2-A20)。