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摘要：在航空发动机的研究中，风扇以及压气机的气动稳定性始终是研究的热点问题，会对航空发动机以及飞机的稳定运行造成直接的影响。基于此，笔者首先对航空发动机及其气动稳定性进行分析，介绍了影响气动稳定性的因素，然后从分析模型、分析方法两个方面对气动稳定性分析系统进行理论研究，并结合航空发动机的气动稳定性分析实例，对系统进行实证研究，以期为相关研究提供参考。
关键词：航空发动机；气动稳定性；进口畸变
前言：
航空发动机的风扇以及压气机对气流的敏感性较高，在飞机运行的过程中，很容易出现畸变，导致航空发动机失去稳定性，出现喘振现象，对飞机飞行的安全性造成负面影响。技术人员需要在相关理论的支持下，开发出可以准确判断航空发动机气动稳定性的分析系统，保障航空发动机的稳定运行，提高飞机飞行的安全性，促进我国航空行业的良性发展。
1.航空发动机气动稳定性分析
在飞机结构中，航空发动机时最核心的部件，航空发动机可以保证飞机在不同飞行状况下进行稳定安全的飞行。航空发动机气动稳定性主要是在气体动力学理论下，排除航空发动机的强度或者结構等多方面的影响，在被干扰的状况下，航空发动机能够保持稳定安全飞行状态的能力。一般来说，如果航空发动机在被干扰的状况下，并没有发生喘振或者旋转失速等失稳问题，而且在干扰状况消失之后，航空发动机可以继续保持稳定安全的工作状态，就表明在这一状况下，航空发动机具备气动稳定性。
基于目前的技术发展状况而言，常用的航空发动机是燃气涡轮发动机，这种类型发动机的气动稳定性主要由风扇以及压气机决定。在航空发动机运行的过程中，如下因素会对其气动稳定性造成影响：总压畸变、总温畸变、飞行风向、功率提取、附加引气、部件性能、飞机加速过程、飞机减速过程以及雷诺数效应等。其中，雷诺数效应主要是指在飞机飞行高度增加的过程中，大气压力、大气密度以及温度都会降低，使得航空发动机的风扇以及压气机具备的工作雷诺数降低，从而降低风扇以及压气机的工作性能及稳定性，对航空发动机的工作性能以及稳定性造成不利影响，很容易引起航空发动机的失稳现象[1]。
2.航空发动机气动稳定性分析系统
2.1气动稳定性分析模型
第一，系统模型。一般来说，航空发动机的稳定工作范围就是风扇稳定工作的边界以及高压压气机的稳定工作边界。本文采用的系统模型是对航空发动机的内部运作流程进行动态物理描述，将一维时间的流体力学基本方程作为基础，对航空发动机的进气管道、全部高压压气机、低压风扇以及低压涡轮等单元控制体进行物理描述。另外，航空发动机各个部件的关联性由流量、能量以及动量之间的平衡来实现。
第二，单元体模型。在系统模型中，单元体模型的设计会对系统的扰动响应造成一定的影响，从而影响到启动稳定性分析的准确性。因此，设计人员需要合理设置系统的单元体模型。本文将压缩系统的单元体模型作为实例，进行单元体模型的分析。压缩系统单元体模型主要由风扇级、短管道以及压气机级这三个部分组成，通过激盘、滞后以及控制容积实现气动稳定性的分析。其中，激盘会对叶片排做功的过程进行描述；滞后环节主要负责描述级性能和发动机进口气流相关参数间具备的滞后关系；控制容积主要负责描述压缩系统内气流参数的变化，以此进行气动稳定性的分析。
第三，平行压气机模型。为了分析进气畸变对航空发动机气动稳定性造成的影响，分析系统中应用了“平行压气机”理论模型，对和航空发动机中的非均匀进气进行分析。在分析过程中，非均匀进气有如下表现：航空发动机中的不同的子压气机在进气流条件方面有所差异，各个子压气机属于独立工作状态，主要通过出口边界条件进行连接[2]。
2.2系统的稳定性分析方法
在航空发动机的稳定性分析系统中，单元控制体的气流参数会随着时间的变化而变化，但是其变化过程遵循质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。基于这一特征，分析系统沿着航空发动机的轴线方向进行一线流模型处理，实现欧拉方程的简化，获得单元控制体模型内气流动力学的动态方程。一般来说，每一个单元控制体模型的动态过程需要三个一阶微分方程进行描述。比如，气动稳定性分析系统中包括J个单元，那么系统中气流运动就需要3J个一阶微分方程组成的微分方程组进行描述。如果航空发动机的进气属于非均匀进气，则，气动稳定性的分析方程组如下：
=fi（t，y1，y2，y3，…yn）（i=1，2，3，…n）
在上述公式中，n=3J，J个单元中包括三个守恒方程，涉及到质量、压力以及温度这三个变量。整个气动稳定性分析系统包括3J个方程以及3J个变量，共同组成航空发动机气动稳定性分析的封闭方程组。
在李亚普诺夫的无扰动运动稳定性理论中，认为扰动运动和无扰动运动具备同样的稳定性，所以可以通过扰动运动的稳定性分析，判断无扰动运动的稳定性。航空发动机气动稳定性分析系统在分析过程中，首先求得方程组系数矩阵的根，然后通过特征根性质判断气动稳定性。具体的稳定性分析流程如下：（1）工作人员将相关数据输入到系统中，设定发动机的给定转速以及给定起始流量；（2）分析系统会对稳态工作点参数以及偏导系数矩阵系数进行计算，从而得出矩阵的特征根，通过特征根的性质进行气动稳定性分析，并将相关数据输出；（3）如果工作人员需要分析其他转速下的气动稳定性，需要重新进行上述步骤。
2.3气动稳定性系统的应用实例
本文将均匀进气条件下，航空发动机风扇部件的气动稳定性分析作为实例，对上述分析系统进行实证研究。具体的分析思路如下：（1）根据实验压气机以及风扇的几何参数，得出实验压气机以及风扇的特性，将这一特性看做是发动机在工作点的特性；（2）设定来流条件，确保实验风扇的转速始终为常数，通过喷管喉部面积的调节，得出这一工况下航空发动机的工作点，从而得出实验风扇转速为一个常数时，实验压气机转速与涵道比之间的关系，明确内外涵流量的变化趋势；（3）将航空发动机按照轴线分成若干个单元体，具体的数目由压缩系统的级数决定；（4）将整个发动机作为稳定性分析系统，将实验风扇转速、实验压气机转速与涵道比的关系曲线，这一曲线就是分析系统输入的初始数据；（5）在输入初始数据之后，系统会对目前实验风扇转速条件下，流量变化过程中，实验发动机的气动稳定性。
采用上述分析流程，使用分析系统对实验航空发动机进行气动稳定性分析，分析的结果显示：在相同的进口畸变度条件下，不同的分析条件下，实验风扇的稳定裕度损失有所不同，发动机环境下的损失更大[3]。
结论：
综上所述，航空发动机具备的气动稳定性受到多个因素的影响，分析系统的设计需要考虑多个方面。通过本文的分析可知，气动稳定性分析系统的设计需要科学合理的分析模型、完善的分析流程、压缩部件的实验特性，这样才能提高气动稳定性分析的准确性，保障航空发动机的稳定运行，促进我国航空行业的可持续发展。本文的分析仍旧不够全面，仅供参考。
参考文献：
[1]严伟，胡骏，屠宝锋，张晨凯，尹超.进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型[J].航空动力学报，2015，30（11）：2680-2687.
[2]丁宁. 大涵道比涡扇发动机进气总压畸变模拟及稳定性计算分析[D].南京航空航天大学，2015.
[3]黄迅. 航空发动机气动噪声控制中的声衬模拟稳定性分析[A]. 中国力学学会流体力学专业委员会.第八届全国流体力学学术会议论文摘要集[C].2014：1.
关键词：航空发动机；气动稳定性；进口畸变
前言：
航空发动机的风扇以及压气机对气流的敏感性较高，在飞机运行的过程中，很容易出现畸变，导致航空发动机失去稳定性，出现喘振现象，对飞机飞行的安全性造成负面影响。技术人员需要在相关理论的支持下，开发出可以准确判断航空发动机气动稳定性的分析系统，保障航空发动机的稳定运行，提高飞机飞行的安全性，促进我国航空行业的良性发展。
1.航空发动机气动稳定性分析
在飞机结构中，航空发动机时最核心的部件，航空发动机可以保证飞机在不同飞行状况下进行稳定安全的飞行。航空发动机气动稳定性主要是在气体动力学理论下，排除航空发动机的强度或者结構等多方面的影响，在被干扰的状况下，航空发动机能够保持稳定安全飞行状态的能力。一般来说，如果航空发动机在被干扰的状况下，并没有发生喘振或者旋转失速等失稳问题，而且在干扰状况消失之后，航空发动机可以继续保持稳定安全的工作状态，就表明在这一状况下，航空发动机具备气动稳定性。
基于目前的技术发展状况而言，常用的航空发动机是燃气涡轮发动机，这种类型发动机的气动稳定性主要由风扇以及压气机决定。在航空发动机运行的过程中，如下因素会对其气动稳定性造成影响：总压畸变、总温畸变、飞行风向、功率提取、附加引气、部件性能、飞机加速过程、飞机减速过程以及雷诺数效应等。其中，雷诺数效应主要是指在飞机飞行高度增加的过程中，大气压力、大气密度以及温度都会降低，使得航空发动机的风扇以及压气机具备的工作雷诺数降低，从而降低风扇以及压气机的工作性能及稳定性，对航空发动机的工作性能以及稳定性造成不利影响，很容易引起航空发动机的失稳现象[1]。
2.航空发动机气动稳定性分析系统
2.1气动稳定性分析模型
第一，系统模型。一般来说，航空发动机的稳定工作范围就是风扇稳定工作的边界以及高压压气机的稳定工作边界。本文采用的系统模型是对航空发动机的内部运作流程进行动态物理描述，将一维时间的流体力学基本方程作为基础，对航空发动机的进气管道、全部高压压气机、低压风扇以及低压涡轮等单元控制体进行物理描述。另外，航空发动机各个部件的关联性由流量、能量以及动量之间的平衡来实现。
第二，单元体模型。在系统模型中，单元体模型的设计会对系统的扰动响应造成一定的影响，从而影响到启动稳定性分析的准确性。因此，设计人员需要合理设置系统的单元体模型。本文将压缩系统的单元体模型作为实例，进行单元体模型的分析。压缩系统单元体模型主要由风扇级、短管道以及压气机级这三个部分组成，通过激盘、滞后以及控制容积实现气动稳定性的分析。其中，激盘会对叶片排做功的过程进行描述；滞后环节主要负责描述级性能和发动机进口气流相关参数间具备的滞后关系；控制容积主要负责描述压缩系统内气流参数的变化，以此进行气动稳定性的分析。
第三，平行压气机模型。为了分析进气畸变对航空发动机气动稳定性造成的影响，分析系统中应用了“平行压气机”理论模型，对和航空发动机中的非均匀进气进行分析。在分析过程中，非均匀进气有如下表现：航空发动机中的不同的子压气机在进气流条件方面有所差异，各个子压气机属于独立工作状态，主要通过出口边界条件进行连接[2]。
2.2系统的稳定性分析方法
在航空发动机的稳定性分析系统中，单元控制体的气流参数会随着时间的变化而变化，但是其变化过程遵循质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。基于这一特征，分析系统沿着航空发动机的轴线方向进行一线流模型处理，实现欧拉方程的简化，获得单元控制体模型内气流动力学的动态方程。一般来说，每一个单元控制体模型的动态过程需要三个一阶微分方程进行描述。比如，气动稳定性分析系统中包括J个单元，那么系统中气流运动就需要3J个一阶微分方程组成的微分方程组进行描述。如果航空发动机的进气属于非均匀进气，则，气动稳定性的分析方程组如下：
=fi（t，y1，y2，y3，…yn）（i=1，2，3，…n）
在上述公式中，n=3J，J个单元中包括三个守恒方程，涉及到质量、压力以及温度这三个变量。整个气动稳定性分析系统包括3J个方程以及3J个变量，共同组成航空发动机气动稳定性分析的封闭方程组。
在李亚普诺夫的无扰动运动稳定性理论中，认为扰动运动和无扰动运动具备同样的稳定性，所以可以通过扰动运动的稳定性分析，判断无扰动运动的稳定性。航空发动机气动稳定性分析系统在分析过程中，首先求得方程组系数矩阵的根，然后通过特征根性质判断气动稳定性。具体的稳定性分析流程如下：（1）工作人员将相关数据输入到系统中，设定发动机的给定转速以及给定起始流量；（2）分析系统会对稳态工作点参数以及偏导系数矩阵系数进行计算，从而得出矩阵的特征根，通过特征根的性质进行气动稳定性分析，并将相关数据输出；（3）如果工作人员需要分析其他转速下的气动稳定性，需要重新进行上述步骤。
2.3气动稳定性系统的应用实例
本文将均匀进气条件下，航空发动机风扇部件的气动稳定性分析作为实例，对上述分析系统进行实证研究。具体的分析思路如下：（1）根据实验压气机以及风扇的几何参数，得出实验压气机以及风扇的特性，将这一特性看做是发动机在工作点的特性；（2）设定来流条件，确保实验风扇的转速始终为常数，通过喷管喉部面积的调节，得出这一工况下航空发动机的工作点，从而得出实验风扇转速为一个常数时，实验压气机转速与涵道比之间的关系，明确内外涵流量的变化趋势；（3）将航空发动机按照轴线分成若干个单元体，具体的数目由压缩系统的级数决定；（4）将整个发动机作为稳定性分析系统，将实验风扇转速、实验压气机转速与涵道比的关系曲线，这一曲线就是分析系统输入的初始数据；（5）在输入初始数据之后，系统会对目前实验风扇转速条件下，流量变化过程中，实验发动机的气动稳定性。
采用上述分析流程，使用分析系统对实验航空发动机进行气动稳定性分析，分析的结果显示：在相同的进口畸变度条件下，不同的分析条件下，实验风扇的稳定裕度损失有所不同，发动机环境下的损失更大[3]。
结论：
综上所述，航空发动机具备的气动稳定性受到多个因素的影响，分析系统的设计需要考虑多个方面。通过本文的分析可知，气动稳定性分析系统的设计需要科学合理的分析模型、完善的分析流程、压缩部件的实验特性，这样才能提高气动稳定性分析的准确性，保障航空发动机的稳定运行，促进我国航空行业的可持续发展。本文的分析仍旧不够全面，仅供参考。
参考文献：
[1]严伟，胡骏，屠宝锋，张晨凯，尹超.进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型[J].航空动力学报，2015，30（11）：2680-2687.
[2]丁宁. 大涵道比涡扇发动机进气总压畸变模拟及稳定性计算分析[D].南京航空航天大学，2015.
[3]黄迅. 航空发动机气动噪声控制中的声衬模拟稳定性分析[A]. 中国力学学会流体力学专业委员会.第八届全国流体力学学术会议论文摘要集[C].2014：1.