新研民用涡轴发动机起飞状态喘振试验

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28190

航空发动机非定常流固热声耦合专栏

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

新研民用涡轴发动机起飞状态喘振试验

李概奇, 马东阳(), 李杜, 刘少戎, 杨艳美

中国航发湖南动力机械研究所，株洲 412002

收稿日期:2022-10-31 修回日期:2022-11-15 接受日期:2022-12-07 出版日期:2023-07-25 发布日期:2022-12-22
通讯作者: 马东阳 E-mail:mdyaecc@qq.com
基金资助:
发动机型号研制项目

Surge test on newly developing civil turboshaft engine under take⁃off condition

Gaiqi LI, Dongyang MA(), Du LI, Shaorong LIU, Yanmei YANG

AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China

Received:2022-10-31 Revised:2022-11-15 Accepted:2022-12-07 Online:2023-07-25 Published:2022-12-22
Contact: Dongyang MA E-mail:mdyaecc@qq.com
Supported by:
Project for Engine Model Development

摘要/Abstract

摘要：

为了深入研究大功率、高风险状态下喘振对发动机安全工作的影响，以某新研民用涡轴发动机为平台，采用从外部向压气机出口快速引入高压空气的逼喘方法，完成了起飞状态整机喘振试验研究，综合分析了喘振过程非定常流、固、热、声耦合现象。试验结果表明，起飞状态喘振时，发动机出现多次明显的放炮、喷火、冒烟等现象，气流参数大幅波动；受燃气温度较高的影响，起飞状态喘振一旦发生可短时引发数次喘振；发动机控制系统采用合理的燃油控制规律和导叶角度偏离诊断策略，可有效缓解喘振时燃气超温现象，帮助压气机导叶角度快速恢复和发动机退出喘振；喘振时发动机转子基频幅值没有明显变化，机匣径向振动总量未超过限制值。试验验证了发动机具备承受起飞状态喘振的工作能力。

关键词: 喘振试验, 非定常流动, 涡轴发动机, 起飞状态, 控制规律

Abstract:

To further investigate the surge influence on the safe operation of engines under the large power and high risk conditions， we perform the engine surge test under the take-off condition by rapidly inducing external high pressure air at the compressor outlet on a newly developing civil turboshaft engine platform， and comprehensively analyze the unsteady phenomena of fluid-solid-heat-acoustic coupling. The test results show that several obvious blasting， flaming， and smoking phenomena occur with significant fluctuations of engine flow parameters during surge under the take-off condition. Multiple surges may be rapidly excited once surge occurs during take-off due to the high gas temperature. By using the appropriate fuel control law and stator vane deviation diagnosis strategy， the engine control system is able to effectively alleviate the gas over-temperature phenomenon during the surge， and facilitate rapid recovery of the compressor stator vane angel and quit of the engine from surge. The base-frequency amplitude of the engine rotor has no obvious change during the surge， and the radial total vibration values in the engine case do not exceed the limit value. The engine capability of withstanding surge under the take-off condition has been verified.

Key words: surge test, unsteady flow, turboshaft engine, take-off condition, control law

中图分类号:

V231.3

李概奇, 马东阳, 李杜, 刘少戎, 杨艳美. 新研民用涡轴发动机起飞状态喘振试验[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 628190-628190.

Gaiqi LI, Dongyang MA, Du LI, Shaorong LIU, Yanmei YANG. Surge test on newly developing civil turboshaft engine under take⁃off condition[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(14): 628190-628190.

图/表 19

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

表 2

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

图 17

参考文献 35

1	桂幸民，滕金芳，刘宝杰. 航空压气机气动热力学理论与应用［M］. 上海：上海交通大学出版社， 2014： 170-176.
	GUI X M， TENG J F， LIU B J. Compressor aerothermodynamics and its applications in aircraft engines［M］. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University Press， 2014： 170-176 （in Chinese）.
2	中国民用航空局. 航空发动机适航规定： CCAR33-R2 ［S］. 北京：中国民用航空局， 2011.
	Civil Aviation Administration of China. Aeroengine airworthiness regulations： CCAR33-R2 ［S］. Beijing： Civil Aviation Administration of China， 2011 （in Chinese）.
3	PAN T Y， YAN Z Q， SUN D K， et al. Effect of system response on partial surge initiated instability in a transonic axial flow compressor［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2022， 35（2）： 117-127.
4	COURTIADE N， OTTAVY X. Experimental study of surge precursors in a high-speed multistage compressor［J］. Journal of Turbomachinery， 2013， 135（6）： 061018.
5	PULLAN G， YOUNG A M， DAY I J， et al. Origins and structure of spike-type rotating stall［J］. Journal of Turbomachinery， 2015， 137（5）： 051007.
6	CAMERON J D， MORRIS S C. Analysis of axial compressor stall inception using unsteady casing pressure measurements［J］. Journal of Turbomachinery， 2013， 135（2）： 021036.
7	夏联，顾杨，崔健，等. 多级轴流压气机不同工况下失速/喘振试验研究［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2001， 14（3）： 16-23.
	XIA L， GU Y， CUI J， et al. An experimental investigation of stall/surge of a multistage axial compressor in different conditions［J］. Gas Turbine Experiment and Research， 2001， 14（3）： 16-23 （in Chinese）.
8	杜军，文璧，刘元是. 轴流压气机喘振状态下的声学特征及诊断方法［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2020， 33（5）： 33-37.
	DU J， WEN B， LIU Y S. Study on acoustic characteristics and diagnostic method of axial compressor under surge condition［J］. Gas Turbine Experiment and Research， 2020， 33（5）： 33-37 （in Chinese）.
9	BENNETT L G N， ALLAN W D E. Examination of rotating stall inception in a small high speed axial compressor［C］∥ Proceedings of ASME Turbo Expo 2009： Power for Land， Sea， and Air. New York：ASME， 2010： 155-165.
10	SHENG H L， CHEN Q， ZHANG J， et al. A high-safety active/passive hybrid control approach for compressor surge based on nonlinear model predictive control［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2023，36（1）：396-412.
11	LEE J K， KIM C， YANG S， et al. Surge line measurement of a gas turbine engine by fuel spiking test［C］∥ 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston： AIAA， 2005.
12	屈霁云，马明明，王小峰，等. 某型发动机喘振特征分析及消喘系统验证试验［J］. 航空动力学报， 2010， 25（6）： 1291-1296.
	QU J Y， MA M M， WANG X F， et al. Investigation of surge characteristics and surge eliminating system verification based on a certain engine［J］. Journal of Aerospace Power， 2010， 25（6）： 1291-1296 （in Chinese）.
13	马燕荣，马明明，王小峰. 发动机飞行台插板空中逼喘试验研究［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2010， 23（3）： 18-21.
	MA Y R， MA M M， WANG X F. Investigation on engine surge test in the air with disturbed board in flight bed［J］. Gas Turbine Experiment and Research， 2010， 23（3）： 18-21 （in Chinese）.
14	闫思齐，李本威，王永华，等. 基于台架试验的涡轴发动机喘振发生位置规律［J］. 航空动力学报， 2022， 37（2）： 263-273.
	YAN S Q， LI B W， WANG Y H， et al. Position rule of turboshaft engine surge based on bench test［J］. Journal of Aerospace Power， 2022， 37（2）： 263-273 （in Chinese）.
15	闫思齐，张赟，李本威，等. 基于声压信号的某型涡轴发动机喘振识别［J/OL］. 航空动力学报，（2022-07-26）［2022-10-27］. .
	YAN S Q， ZHANG Y， LI B W， et al. Surge identification of a turboshaft engine based on sound pressure signal［J/OL］. Journal of Aerospace Power，（2022-07-26）［2022-10-27］. （in Chinese）.
16	旷桂兰，姚峥嵘，王道波，等. 某涡轴发动机整机逼喘试验研究［J］. 航空动力学报， 2009， 24（3）： 588-595.
	KUANG G L， YAO Z R， WANG D B， et al. Surge experimentation research for a whole turbine-shaft engine［J］. Journal of Aerospace Power， 2009， 24（3）： 588-595 （in Chinese）.
17	旷桂兰，王道波，吴伟力，等. 分数阶Fourier变换在某型涡轴发动机喘振分析中的应用［J］. 航空动力学报， 2009， 24（8）： 1720-1725.
	KUANG G L， WANG D B， WU W L， et al. Application of fractional Fourier transform in one turbine-shaft engine surge analyse［J］. Journal of Aerospace Power， 2009， 24（8）： 1720-1725 （in Chinese）.
18	ZHENG X Q， ZENG H X， WANG B T， et al. Numeri-cal simulation method of surge experiments on gas turbine engines［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2023，36（3）：107-120.
19	张鑫，范明. 基于喘振信号处理仿真系统的航空发动机判喘参数优化设计［J］. 航空发动机， 2022， 48（2）： 102-108.
	ZHANG X， FAN M. Optimization design of surge judgment parameters of aeroengine based on surge signal processing simulation system［J］. Aeroengine， 2022， 48（2）： 102-108 （in Chinese）.
20	王波，张兴龙，张新非，等. 某航空发动机喘振控制系统设计与验证［J］. 航空动力学报， 2022， 37（5）： 1100-1112.
	WANG B， ZHANG X L， ZHANG X F， et al. Surge control system design and validation for an aero-engine［J］. Journal of Aerospace Power， 2022， 37（5）： 1100-1112 （in Chinese）.
21	雷杰，房剑锋，雷晓波. 基于脉动压力变化率的航空发动机喘振检测方法［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2019， 32（2）： 1-6.
	LEI J， FANG J F， LEI X B. Aero-engine surge detection method based on fluctuating pressure change rate［J］. Gas Turbine Experiment and Research， 2019， 32（2）： 1-6 （in Chinese）.
22	申世才，雷杰，郝晓乐. 一种航空发动机压气机喘振检测方法［J］. 空军工程大学学报（自然科学版）， 2020， 21（4）： 1-6.
	SHEN S C， LEI J， HAO X L. A method for detecting the surge of an aero-engine compressor［J］. Journal of Air Force Engineering University （Natural Science Edition）， 2020， 21（4）： 1-6 （in Chinese）.
23	王玉东. 基于压气机出口静压变化率的喘振检测方法［J］. 航空动力学报， 2020， 35（6）： 1131-1139.
	WANG Y D. Surge detection method based on rate of change of compressor discharge static pressure［J］. Journal of Aerospace Power， 2020， 35（6）： 1131-1139 （in Chinese）.
24	STÖßEL M， BINDL S， NIEHUIS R. Rotating stall inception inside the low pressure compressor of a twin-spool turbofan engine［C］∥ASME Turbo Expo 2013： Turbine Technical Conference and Exposition. New York：ASME，2013.
25	OWEN A K， MATTERN D， BRAUN D C， et al. Forced response testing of an axi-centrifugal turboshaft engine［C］∥32nd Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 1996.
26	NELSON E B， PADUANO J D， EPSTEIN A H. Active stabilization of surge in an axicentrifugal turboshaft engine［J］. Journal of Turbomachinery， 2000， 122（3）： 485-493.
27	姜涛，李应红，李军. 某型发动机压气机最先失速级判定的试验研究［J］. 航空动力学报， 2002， 17（1）： 80-82.
	JIANG T， LI Y H， LI J. An experimental research on identification of the first stall stage of a certain engine［J］. Journal of Aerospace Power， 2002， 17（1）： 80-82 （in Chinese）.
28	李应红，李军，姜涛. 某型发动机喘振综合治理及扩稳试验［J］. 推进技术， 2002， 23（3）： 213-215.
	LI Y H， LI J， JIANG T. Integrated treatments on certain engine surge and experimental study on surge margin enlargement［J］. Journal of Propulsion Technology， 2002， 23（3）： 213-215 （in Chinese）.
29	申世才，郝晓乐，贾一哲. 高空超声速涡扇发动机喘振特征及扩稳措施的飞行试验研究［J］. 燃气涡轮试验与研究， 2016， 29（3）： 7-10.
	SHEN S C， HAO X L， JIA Y Z. Flight test of surge characteristic and measures to enlarge the engine surge margin on a high-altitude supersonic turbofan engine［J］. Gas Turbine Experiment and Research， 2016， 29（3）： 7-10 （in Chinese）.
30	詹洪飞，黄帅. 某型涡轴发动机喘振攻关与验证［J］. 海军航空工程学院学报， 2017， 32（3）： 295-301.
	ZHAN H F， HUANG S. Research on a certain type of turbine shaft engine surge［J］. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University， 2017， 32（3）： 295-301 （in Chinese）.
31	綦蕾，李志平，杨东，等. 航空发动机适航审定喘振与失速影响因素［J］. 航空动力学报， 2020， 35（8）： 1724-1734.
	QI L， LI Z P， YANG D， et al. Destabilizing factors on surge and stall characteristic in aero-engine airworthiness certification［J］. Journal of Aerospace Power， 2020， 35（8）： 1724-1734 （in Chinese）.
32	郭重佳，傅文广，孙鹏，等. 畸变条件下航空发动机喘振/失速适航符合性方法［J］. 航空动力学报， 2022，37（12）：2875-2886.
	GUO C J， FU W G， SUN P， et al. Airworthiness compliance method for aero-engine on surge/stall with distortion conditions［J］. Journal of Aerospace Power， 2022，37（12）：2875-2886.
33	李志平，王孟琦. 进气畸变下航空发动机失速/喘振适航审定方法［J］. 航空学报， 2015， 36（9）： 2947-2957.
	LI Z P， WANG M Q. Airworthiness certification method for aeroengine on stall and surge with inlet distortion［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2015， 36（9）： 2947-2957 （in Chinese）.
34	李志平，朱星宇，张鹏，等. 侧风影响下航空发动机失速/喘振适航审定方法［J］. 航空动力学报， 2020， 35（7）： 1549-1558.
	LI Z P， ZHU X Y， ZHANG P， et al. Aero-engine stall/surge airworthiness certification method under the influence of crosswind［J］. Journal of Aerospace Power， 2020， 35（7）： 1549-1558 （in Chinese）.
35	李志平，陈家辉，朱星宇，等. 压力-温度组合畸变下航空发动机失速/喘振适航审定［J/OL］. 航空动力学报，（2022-08-02）［2022-10-27］. .
	LI Z P， CHEN J H， ZHU X Y， et al. Aero-engine stall/surge airworthiness certification study under combined pressure-temperature distortion［J/OL］. Journal of Aerospace Power，（2022-08-02）［2022-10-27］. （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

设备	作用	功能及指标
储气装置	储存高压空气	供气压力约13 MPa
压力传感器	测量空气压力	测量范围0~20 MPa，测量精度为±0.5%FS
流量调节电动阀	调节空气流量	公称直径25 mm，远程控制
启停电磁阀	开启或切断空气	远程控制，响应速度20 ms
供气管路	输送空气至发动机2个引气口	适配发动机引气接口

参数符号	测量位置	测量方法	精度
P_s1	压气机进口	壁面静压	±0.5%FS
P_s3	压气机出口	壁面静压	±0.5%FS
P_t3	压气机出口	总压探针	±0.5%FS
T_t3	压气机出口	总温探针	±3.0 ℃
w_f	燃油泵进口前	流量计	±0.5%FS
T_t4.5	燃气涡轮出口	①	±5.0 ℃
n_g		①	±0.2%FS
n_p		①	±0.2%FS
J_y 、J_z	进气机匣安装边	振动传感器（y为径向水平， z为径向垂直）	±5.0%FS
F_y_、F_z	附件机匣安装边		±5.0%FS
T_y	涡轮机匣安装边		±5.0%FS

[1]	王方剑, 解克, 刘金, 宋玉辉, 秦汉, 陈兰. 小展弦比飞翼标模非定常流动及自由摇滚特性[J]. 航空学报, 2023, 44(4): 126449-126449.
[2]	赵红亮, 张文强, 邱佳慧, 张敏, 杜娟, 聂超群. 总温畸变下跨声压气机失速过程非定常模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 628319-628319.
[3]	刘晓东, 刘朋欣, 李辰, 孙东, 袁先旭. 高焓激波/湍流边界层干扰直接数值模拟[J]. 航空学报, 2023, 44(13): 127832-127832.
[4]	王粤, 汪运鹏, 王春, 姜宗林. 一种并联两级入轨飞行器纵向分离方案的数值研究[J]. 航空学报, 2023, 44(11): 127634-127634.
[5]	徐欣, 贾贺, 陈雅倩, 荣伟, 蒋伟, 薛晓鹏. 织物透气性对火星用降落伞气动特性影响机理[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 126289-126289.
[6]	王宏宇, 杨彦广, 胡伟波, 陈植, 冯黎明, 周游天. 高频微秒脉冲放电控制激波/边界层干扰非定常性的实验研究[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 625905-625905.
[7]	沈鹏飞, 刘朋欣, 孙东, 袁先旭. 马赫6柱-裙构型激波/湍流边界层干扰摩阻统计特性[J]. 航空学报, 2022, 43(1): 626005-626005.
[8]	王德鑫, 褚佑彪, 刘难生, 李祝飞, 杨基明. 高背压进气道中内外流耦合作用的大涡模拟[J]. 航空学报, 2021, 42(9): 625754-625754.
[9]	常思源, 白晓征, 刘君. 一种基于聚类分析的二维激波模式识别算法[J]. 航空学报, 2020, 41(8): 123626-123626.
[10]	陈浩, 袁先旭, 毕林, 华如豪, 司芳芳, 唐志共. 基于RANS/LES混合方法的分离流动模拟[J]. 航空学报, 2020, 41(8): 123642-123642.
[11]	贾琳渊, 陈玉春, 程荣辉, 宋可染, 谭甜. 变循环发动机过渡态性能直接模拟方法[J]. 航空学报, 2020, 41(12): 123901-123901.
[12]	龚东升, 顾蕴松, 周宇航, 史楠星. 基于微型涡喷发动机热喷流的无源流体推力矢量喷管的控制规律[J]. 航空学报, 2020, 41(10): 123609-123609.
[13]	钟敏, 华俊, 郑遂, 白俊强, 孙卫平, 黄领才. 大型水陆两栖飞机侧风起降的滑流影响分析[J]. 航空学报, 2019, 40(1): 522372-522372.
[14]	陈龙, 夏健, 田书玲. 旋翼干扰流场数值模拟中的新型Blend低速预处理方法[J]. 航空学报, 2018, 39(8): 121903-121903.
[15]	郭中州, 何志强, 赵文文, 陈伟芳. 高效非结构网格变形与流场插值方法[J]. 航空学报, 2018, 39(12): 122411-122411.

新研民用涡轴发动机起飞状态喘振试验

Surge test on newly developing civil turboshaft engine under take⁃off condition

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 19

参考文献 35

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价