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大涵道比涡扇发动机吞砂技术研究

Research on Sand Ingestion Technology of High Bypass Ratio Turbofan Engine

唐宇峰 徐嘉悦 王冠夫 王金光     2024年06月18日

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大涵道比发动机在沙尘环境下工作会吸入大量沙粒和灰尘,对发动机的性能、稳定性等产生不利影响。对大涵道比发动机应对吞砂的设计措施进行分析和研究,在发动机设计之初考虑吞砂需求,对提升发动机抗沙尘能力和环境适应性具有重要意义。

 

大涵道比发动机一般带有增压级设计,而且风扇尺寸大、涵道比高、总压比高、涡轮前温度高。根据大涵道比发动机的特点,对主要部件和控制规律开展针对性抗砂尘设计,一方面能够使更多的砂尘排出发动机,另一方面可以提高主要部件的耐砂尘能力。本文通过分析发动机吞砂后整机和各主要部件的变化,提出相应的设计措施,使发动机在沙尘环境下工作的功能、性能和稳定性满足使用要求,为大涵道比发动机抗砂尘设计提供技术支撑。

 

吞砂对大涵道比发动机的影响


航空发动机吸入砂粒后会产生不同程度的伤害,大的砂粒可能导致压气机叶片磨蚀、效率下降,小的砂粒可能导致涡轮冷却孔堵塞并引起涡轮叶片烧蚀。大涵道比发动机在吞咽砂尘时,一部分砂尘进入外涵道,主要对风扇外涵道、支板、外涵道机匣等产生磨蚀性损伤;另一部分砂尘进入内涵道,不仅对风扇内涵道、增压级、高压压气机、燃烧室和涡轮产生磨蚀性损伤,且砂尘经燃烧室烧蚀产生沉积物,会堵塞燃烧室喷嘴、涡轮导向器和气膜冷却孔[1-2]。以上情况会对发动机性能和稳定性产生不利影响。


主要性能影响


吞咽砂尘对发动机的影响程度主要与砂尘浓度、颗粒尺寸、成分,发动机状态,以及吞咽时间有关,吞咽后导致发动机的性能出现恶化的趋势,对发动机结构也会出现磨蚀性损伤。研究表明,航空发动机吞入砂尘后推力降低,但大涵道比涡扇发动机一般采用低压转速控制,且推力大部分由风扇外涵道产生,因此在发动机状态保持恒定条件下吞入砂尘,推力变化较小,甚至会出现略微上升的趋势,但因吞入砂尘会导致风扇、增压级、核心机等重要部件的性能出现恶化,发动机的排气温度和耗油率将升高。


对压缩部件的影响


大涵道比涡扇发动机的风扇一般采用钛合金叶片或复合材料叶片,风扇部件在受到砂粒切削和挤压时,叶尖间隙增大、叶片变薄,支板和机匣表面粗糙度增加,导致风扇部件效率降低。对于有吞砂要求的发动机,相比选用复合材料叶片,钛合金风扇叶片的摩擦系数和磨损率会随着温度的增加而减小,作为低温部件的风扇,抗冲蚀磨损能力强,能更好地减少冲蚀磨损带来的损失。


砂尘经过风扇后,一部分通过外涵道排入大气,另一部分进入增压级和高压压气机。与风扇不同的是,增压级和高压压气机级数多、叶片尺寸小,且高压压气机转速更高,受到砂尘磨损影响更加显著,图1是经过吞砂后的压气机叶片。砂尘进入增压级和高压压气机后,会对机匣、转子叶片、静子叶片造成永久磨损,使叶片表面粗糙度[3]、叶尖间隙和叶片流道总压损失增加[4];增压级和高压压气机叶片级数多,导致增压级和高压压气机内部的砂尘不断回弹和反复碰撞,叶片、机匣易造成更大程度的损伤。砂尘与压气机叶片碰撞时具有一定规律,在叶片前缘相对速度较大,随弦长方向递减[5];叶片底部附近碰撞速度较低,沿叶片高度方向逐步增大。各级叶片均会受到磨损,由前到后逐级加重。因此,砂尘对增压级和高压压气机的影响更为明显,导致性能显著降低。

 

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图1  压气机叶片磨损情况

  

对燃烧室的影响


砂尘进入燃烧室后,受到高温燃烧影响,一般会产生沉积物,这些沉积物的形成主要取决于砂尘的成分。砂石中SiO2的熔点较高,形成沉积物的概率较小,但混合砂石中CaSO4水合物、CaCO3和可溶解盐熔点较低,在经过高温燃烧后会形成沉积物。燃烧室为非旋转部件,与砂石相对速度较低,砂石对燃烧室结构性损伤较小,但高温沉积物会造成燃油喷嘴污染、火焰筒冷却孔堵塞和火焰筒壁面烧结等问题。一方面影响燃油的雾化程度,对燃烧效率产生影响;另一方面沉积物将改变燃油喷射模式,影响燃烧室出口温度分布,从而对下游涡轮产生不利影响。


对涡轮部件的影响


砂尘经过燃烧室后进入涡轮部件,涡轮属于高温、高压、高应力载荷的旋转部件,且涡轮与砂石的相对速度很高,受吞砂影响更为明显,吞砂后的涡轮叶片如图2所示。首先,高速砂石会对涡轮工作叶片产生冲击,将叶片表面和叶尖磨蚀,导致叶尖间隙增大、涡轮部件效率降低,影响发动机整机性能;其次,高温产生的沉积物会堵塞涡轮气膜冷却孔,使冷却效果变差,导致涡轮叶片有烧蚀的风险;最后,长时间沉积物累积导致涡轮导向器出现堵塞,流通面积缩小,造成发动机共同工作线向喘振边界移动,到达一定程度后发动机出现喘振,影响整机工作稳定性。

 

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图2  吞砂后的涡轮导向叶片和工作叶片

  

应对吞砂的措施


通过分析砂尘对大涵道比发动机的影响,结合大涵道比发动机特点,可以采取一定的应对措施,改善发动机吞砂过程中的工作情况,以降低吞砂对发动机造成的不利影响。


控制规律设计


飞机在沙尘环境下工作一般处于起飞和爬升阶段,在这两个阶段开展适应吞砂的控制规律设计,在保证发动机性能和稳定性的同时,使更多沙尘排到大气环境,可以降低沙尘对发动机的不利影响。主要对增压级后放气阀(VBV)和高压压气机可调静子导向叶片(VSV)控制规律进行吞砂适应性设计,当大涵道比发动机开始吞砂时,切换至适应吞砂的控制规律。在发动机主要吞砂状态下,吞砂控制规律相比正常控制规律,VBV开度增加, 使更多的砂尘排向外涵道,减少砂尘对内涵道的影响;VSV向增加稳定裕度的方向调节,使发动机吞砂时具有更好的工作稳定性。


此外,在吞砂阶段,可配合设计高压压气机后过渡放气阀(TBV)规律,使一部分进入内涵道的砂尘通过TBV进入低压涡轮。这部分砂尘未经燃烧室高温燃烧,减少了高温砂尘沉积物,既可以减少燃烧室的附着物,也可以降低砂尘对涡轮导向器的堵塞。


风扇、增压级部件设计


通过分析砂尘对压缩部件的影响,为使风扇更好地抵抗砂尘,风扇叶片应选用较强抗磨损能力的钛合金材料,此外,风扇、增压级和高压压气机部件应采用耐磨涂层,降低砂尘磨损影响,目前选用最多的为Ti/TiN涂层。


进入发动机的砂尘流迹主要有3类,如图3所示,其中A类砂尘经过风扇叶片后,直接由外涵道排入大气;B类砂尘进入发动机内涵道,经过发动机各主要部件;C类砂尘冲击风扇整流罩,一部分进入发动机外涵道,另一部分进入发动机内涵道。

 

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图3  进入发动机砂尘流迹示意

 

根据砂尘流迹,对于A类砂尘可通过风扇叶型设计,使砂尘更好地由外涵道直接排出,降低对发动机内涵道的影响。


对于B类砂尘,一方面通过风扇叶型设计,使砂尘尽可能少地进入发动机内涵道,另一方面通过调整VBV的开度,使进入增压级的砂尘更多地由VBV排向外涵道。从图4可以看出,调整前,VBV由内涵道向外涵道打开,发动机利用内涵道压力(p内涵道)和外涵道压力(p外涵道)的差,将内涵道砂尘排至外涵道,但仍有相当一部分砂尘对内涵道产生影响;调整后,VBV由外涵道向内涵道打开,不仅可以利用内、外涵道气压差将砂尘排出外涵道,还可以利用砂尘对VBV的冲击使其排出外涵道,进一步降低砂尘对内涵道的影响。需要注意的是,调整后的VBV不仅对砂尘起到阻挡作用,且会对气流产生一定的节流影响,因此应对调整后的VBV进行评估和分析,保证发动机的性能和工作稳定性。

 

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图4  VBV设计对B类砂尘流迹影响示意

 

C类砂尘冲击发动机整流罩后,分别进入发动机内涵道和外涵道,根据图5所示,通过对整流罩进气锥角度(α)进行调整,使砂尘更好地向外涵道流动,同时配合调整风扇出口和分流环距离(L),使大部分砂尘流入外涵道,从而降低砂尘对发动机内涵道的影响。

 

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图5  风扇设计对C类砂尘流迹影响示意

  

燃烧室检查和清洗


吞砂对燃烧室的影响主要为堵塞和烧结,吞细砂时会出现火焰筒堵孔,冷却孔内的堵塞物是软态的,利用清洗液或超声振动可以很容易清理堵塞物;在火焰筒壁面上烧结的物质是硬态的,类似于玻璃或陶瓷,虽然很难清理,但不会对火焰筒造成太大影响。目前,针对吞砂后燃烧室出现的问题,主要手段是分解检查,然后对燃烧室进行清洗。


涡轮设计


根据砂尘对涡轮的影响,一方面通过增加涡轮叶片的涂层,降低砂尘对涡轮叶片磨损;另一方面,为保证涡轮叶片气膜孔和冲击孔的可靠性,并缓解导向器堵塞对整机稳定性影响,需在冷却叶片上开设排尘孔,利用离心力与冷气流动使砂尘从排尘孔流出,避免因气膜孔、冲击孔的堵塞而导致冷却效率下降引起的叶片失效。

 

结束语


通过分析砂尘对发动机影响和研究防砂尘设计措施可知,粗砂主要对发动机进行磨蚀,使发动机风扇、增压级、高压压气机、燃烧室、涡轮等主要部件效率降低;细砂将导致冷却孔、涡轮导向器堵塞,产生沉积效应。粗砂和细砂共同的作用,直接影响发动机的性能、功能和稳定性,远期影响发动机的寿命与安全。通过开展应对吞砂的控制规律设计和风扇/增压级结构布局优化设计,可以减少进入内涵道的砂尘量,降低对发动机的影响;通过对涡轮优化设计和燃烧室检查清洗,可以降低砂尘对发动机堵塞和沉积的影响。从而保证发动机的稳定性和安全性,使发动机具备在沙尘环境下的工作能力。


(唐宇峰,中国航发沈阳发动机研究所,高级工程师,主要从事航空发动机总体性能设计)

 

参考文献:


[1]RAMACHANDRAN C S,BALASUBRAMANIAN V,ANANTHAPADMANABHAN P V .Thermal cycling behaviour of plasma sprayed lanthanum zirconatebased coatings under concurrent infiltration by a molten glass concoction[J]. Ceramics International,2013,39(2):1413-1431.


[2]BAJRACHARYA T R ,ACHARYA B ,JOSHI C B ,et al. Sand erosion of pelton turbine nozzles and buckets:A case study of chilime hydropower Plant[J]. Wear,2008,264(3):177-184.


[3]TAKEOFF W. Measurements of particles rebound characteristics on materials used in gas tubines[J]. Journal of Propulsion and Power,1991,7(5):805.


[4]吴铁鹰,赵梦熊.颗粒-壁面碰撞建模与数据处理[J]. 振动工程学报,2014,27(4):589-597.


[5]赵磊.压气机叶片的砂尘冲蚀损伤部位的预测方法研究[D].南京:南京航空航天大学.2018.

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