唐宇峰,沈錫鋼,李泳凡,李瑞軍
(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所,沈陽 110015)
現(xiàn)役大涵道比分排渦扇發(fā)動機(jī)的噴管面積基本不可調(diào),但在試車前可以通過更換不同面積的噴管,以尋求最佳的噴管面積而使發(fā)動機(jī)性能最優(yōu)。因此,在試驗前,需研究不同的內(nèi)、外噴管喉道面積對發(fā)動機(jī)性能的影響,確定最優(yōu)的內(nèi)、外涵噴管喉道面積。航空發(fā)動機(jī)推力、耗油率、渦輪進(jìn)口溫度、喘振裕度等參數(shù)的變化趨勢通常相互矛盾,造成發(fā)動機(jī)性能往往達(dá)不到預(yù)先設(shè)計要求。通過調(diào)節(jié)內(nèi)、外涵噴管喉道面積可以得到這些相互制約參數(shù)的最佳值,從而達(dá)到優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能的目的。
本文計算和分析了大涵道比分排渦扇發(fā)動機(jī)內(nèi)、外涵噴管喉道面積變化對發(fā)動機(jī)性能的影響。
在較高轉(zhuǎn)速范圍工作時,航空發(fā)動機(jī)高、低壓渦輪導(dǎo)向器進(jìn)口處于臨界狀態(tài),計算中忽略效率變化對發(fā)動機(jī)性能的影響。由于大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)在慢車以上狀態(tài)(不包括慢車)一般都采用n1R(低壓換算轉(zhuǎn)速)作為調(diào)節(jié)參數(shù)的控制規(guī)律,因此下面只計算分析在n1保持不變情況下發(fā)動機(jī)噴管面積變化對發(fā)動機(jī)性能的影響。
內(nèi)涵噴管喉道面積對轉(zhuǎn)差的影響如圖1所示。地面狀態(tài)選取n1R=94%、92%、91%、90%、89%;高空狀態(tài)則選取n1R=96%、97%、98%、99%、100%;等值線為低壓轉(zhuǎn)子相對換算轉(zhuǎn)速,內(nèi)涵噴管喉道面積增大,低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變,高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減慢。在地面狀態(tài)下,內(nèi)涵噴管喉道面積增大5%,發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速減慢約0.75%;在高空狀態(tài)下,內(nèi)涵噴管喉道面積增大5%,發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子換算轉(zhuǎn)速減慢約2%。
發(fā)動機(jī)內(nèi)涵噴管喉道面積增加,轉(zhuǎn)差減小。這是因為內(nèi)涵噴管面積增大,導(dǎo)致喉道截面壓力降低,低壓渦輪膨脹比增大,因此低壓渦輪功增大,低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有加快的趨勢;又因為高壓渦輪進(jìn)出口界面臨界[1],所以干擾不會傳到45截面處,高壓渦輪膨脹比不變,為了保持n1R不變則需要減少供油量,因此n2R減慢,轉(zhuǎn)差減小。
內(nèi)涵噴管喉道面積對外涵工作點(diǎn)的影響如圖2所示。地面狀態(tài)選取n1R=94%、92%、91%、90%、89%;空中狀態(tài)則選取n1R=96%、97%、98%、99%、100%;發(fā)動機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變,隨內(nèi)涵噴管喉道面積增加,風(fēng)扇外涵工作線基本不變,進(jìn)口流量基本不變。
因為n1R保持不變,外涵流量保持不變,與外涵流量相比,內(nèi)涵流量變化非常小,所以內(nèi)涵噴管喉道面積變化,但進(jìn)口流量基本不變。
對低壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)影響如圖3所示。從圖中可見,在地面狀態(tài)和高空狀態(tài)下,內(nèi)涵噴管喉道面積變化對低壓壓氣機(jī)影響較大,內(nèi)涵噴管喉道面積增大,低壓轉(zhuǎn)子共同工作線上移,發(fā)動機(jī)低壓壓氣機(jī)裕度減小。
在地面和高空狀態(tài)下,隨著A8的增大,高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)沿共同工作線下移,如圖4所示。無論在地面還是高空狀態(tài)下,A8增大,n1R保持不變,則T4降低,如圖5所示。在地面狀態(tài)下,A8增大5%,當(dāng)n1R=94%時,T4降低0.89%~0.90%;當(dāng)n1R=89%時,T4降低0.74%~0.80%;在高空狀態(tài)下,A8增大5%,n1R保持不變,當(dāng)n1R=100%時,T4降低2.3%~2.7%;當(dāng)n1R=96%時,T4降低1.78%~2.30%。
由于發(fā)動機(jī)高壓渦輪進(jìn)、出口臨界,高壓渦輪膨脹比不變,因此需減少燃燒室供油,高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低,高壓轉(zhuǎn)子沿共同工作線下移,對高壓壓氣機(jī)裕度基本沒有影響;增大內(nèi)涵噴管喉道面積,低壓渦輪膨脹比增大,為了保證功率平衡,需降低低壓渦輪進(jìn)口總溫,因為燃燒室出口溫度與高壓渦輪的功成正比,渦輪功與其對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的3次方成正比[2],而渦輪功與燃燒室出口溫度成正比,所以在高狀態(tài)下,T4降低的幅度要比在低狀態(tài)下的大。
內(nèi)涵噴管喉道面積對推力與耗油率的影響如圖6所示。從圖中可見,在地面狀態(tài)下,A8增大5%,n1R保持不變(n1R=94%),發(fā)動機(jī)推力約減小0.9%,耗油率約降低1%。在高空狀態(tài)下,內(nèi)涵噴管喉道面積增大5%,n1R保持不變(n1R=100%),發(fā)動機(jī)推力約減小3.3%,耗油率約降低1.5%。
放大內(nèi)涵噴管喉道面積,低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持不變,發(fā)動機(jī)進(jìn)口總流量基本不變,高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減慢,壓比減小,高壓轉(zhuǎn)子工作點(diǎn)下移,燃燒室出口溫度下降,因此推力和耗油率均減小。
發(fā)動機(jī)外涵噴口面積增大,轉(zhuǎn)差減小,反之增大。外涵噴管喉道面積對轉(zhuǎn)差的影響如圖7所示。從圖中可見,在地面狀態(tài)下,A18增大3%,n1R保持不變,n2R變化量Δn2R=-0.5%~-0.8%;在高空狀態(tài)下,A18增大3%,n1R保持不變,Δn2R=-2%~-4%。
隨著外涵噴口面積的增加,風(fēng)扇所消耗的功將減小,低壓渦輪功不變,發(fā)動機(jī)剩余功率增大,低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有上升的趨勢。若低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1R保持不變,則必須減少燃燒室供油量,高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減慢,轉(zhuǎn)差減小。
外涵噴管喉道面積對外涵工作點(diǎn)的影響如圖8所示。從圖中可見,無論在地面還是高空狀態(tài)下,A18增大,風(fēng)扇外涵共同工作線均右移,即遠(yuǎn)離喘振邊界。外涵噴管喉道面積對低壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)的影響如圖9所示。從圖中可見,A18增大,在地面和高空狀態(tài)下,低壓壓氣機(jī)共同工作線均左移,即靠近喘振邊界。
增大外涵噴管喉道面積,風(fēng)扇外涵壓比減小,流量增大,外涵流通能力變強(qiáng),風(fēng)扇外涵共同工作線右移,遠(yuǎn)離喘振邊界,裕度增大,但n1R保持不變,增大A18,由于轉(zhuǎn)差減小,發(fā)動機(jī)核心機(jī)流通能力下降,堵塞增壓級,工作線靠近喘振邊界,裕度減小。
外涵噴管喉道面積對高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)的影響如圖10所示。從圖中可見,外涵噴管喉道面積調(diào)節(jié)對高壓轉(zhuǎn)子共同工作線沒有影響。A18增大,高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)沿共同工作線下移。外涵噴管喉道面積對燃燒室出口溫度T4的影響如圖11所示。從圖中可見,無論在地面還是高空狀態(tài)下,A18增大,n1R保持不變,T4減小。在地面狀態(tài)下,A18增大3%,在n1R=94%時,T4降低0.9%~1.1%;在n1R=89%時,T4降低0.4%~0.6%。
風(fēng)扇壓比減小使風(fēng)扇所需要的功減小,剩余功增大,因此低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有上升的趨勢,為了保持低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變,需要降低油量,降低燃燒室出口溫度。所以在高狀態(tài)下T4降低的幅度要比在低狀態(tài)下的大。
發(fā)動機(jī)推力的變化直接影響飛機(jī)的基本性能[3],因此研究噴管面積的變化對推力的影響很有必要。外涵噴管喉道面積對推力和耗油率的影響如圖12所示。從圖中可見,在地面狀態(tài)(n1R=94%)下,A18從0.90增大到0.95時,推力出現(xiàn)最大值,增大1.72%,耗油率降低2.78%;當(dāng)A18增大到0.975后,推力開始減小。耗油率在A18增大到1.4時出現(xiàn)拐點(diǎn),逐漸增加;在高空狀態(tài)(n1R=100%)下,A18從0.86增大到0.90時,推力出現(xiàn)最大值,增大1.57%,耗油率降低0.83%。當(dāng)A18增大到0.92后,推力減小,耗油率在A18增大到1.04的時候出現(xiàn)拐點(diǎn),逐漸升高。
從以上分析可知,分別存在對應(yīng)最佳的推力和最低耗油率的外涵噴管喉道面積。原因是外涵噴管喉道面積增大,發(fā)動機(jī)進(jìn)口空氣流量增大,外涵排氣速度減慢。在一定范圍內(nèi),空氣流量增大的影響大于發(fā)動機(jī)氣流速度減慢的影響,因此發(fā)動機(jī)推力增大,耗油率降低,對發(fā)動機(jī)性能有一定改善。但當(dāng)調(diào)整面積過大后,氣流速度減慢的影響超過空氣流量增大帶來的增益,推力減小。外涵噴管面積放大,高壓壓氣機(jī)壓比減小得慢,而低壓壓氣機(jī)壓比增大得快,所以總壓比增大,耗油率降低,在總壓比等于最佳增壓比時,耗油率最低,此時噴管面積繼續(xù)增大則耗油率升高。
(1)大涵道比分排渦扇發(fā)動機(jī)內(nèi)、外涵噴管喉道面積調(diào)整可明顯改變發(fā)動機(jī)性能,所以在臺架試驗中,可通過改變發(fā)動機(jī)內(nèi)、外涵噴管喉道面積來調(diào)整發(fā)動機(jī)狀態(tài)。
(2)A8增大,n1R保持不變,低壓壓氣機(jī)工作線左移,即喘振裕度減小,而對風(fēng)扇外涵工作線基本無影響。同時,高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)沿共同工作線下移,高、低壓渦輪進(jìn)口溫度降低,有利于延長高溫部件壽命。
(3)A8增大,發(fā)動機(jī)耗油率降低,同時推力也有所減小。
(4)A18增大,n1R保持不變,風(fēng)扇外涵工作線右移,即風(fēng)扇外涵喘振裕度增大。同時低壓壓氣機(jī)工作線左移,喘振裕度減小。而高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)沿共同工作線下移,對喘振裕度基本沒有影響。高、低壓渦輪進(jìn)口溫度降低,有利于延長高溫部件壽命。
(5)對風(fēng)扇外涵噴管來說,分別存在對應(yīng)最低耗油率和最佳推力的外涵噴管喉道面積,而對應(yīng)最佳推力的面積遠(yuǎn)小于對應(yīng)最低耗油率的面積。
[1]廉筱純,吳虎.航空發(fā)動機(jī)原理[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2005:183-240.
[2]Jack D M,William H H, David T P.Aircraft Engine Design [M].American Institute ofAeronautics and Astronautics Inc,2002.
[3]趙肅,李建榕.航空發(fā)動機(jī)推力的變化對飛機(jī)基本性能影響的敏感性分析[J].航空發(fā)動機(jī),2010,36(2):26-33.