盧明亮

（沈陽發(fā)動機研究所，沈陽 110015）

航空發(fā)動機需在全包線范圍內(nèi)可靠穩(wěn)定工作，在運行過程中，外界環(huán)境變化會對其性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本文以某型中等涵道比渦輪風扇發(fā)動機機為研究對象，重點分析在高空條件下，發(fā)動機進口馬赫數(shù)變化對發(fā)動機性能和穩(wěn)定性的影響，掌握在不同進口馬赫數(shù)條件下，發(fā)動機推力、耗油率、排氣溫度、喘振裕度等變化情況，為發(fā)動機控制規(guī)律設(shè)計提供有利依據(jù)，從而保證發(fā)動機性能和穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

1 計算條件

本文以Gasturb11計算平臺為基礎(chǔ)，計算發(fā)動機性能及穩(wěn)定性。

1.1 性能計算條件

在計算發(fā)動機性能時，選取11km高度，將高壓物理轉(zhuǎn)速換算到標準大氣條件下，控制高壓換算轉(zhuǎn)速N2r分別等于98.2%、93.8%和92.2%，調(diào)整發(fā)動機進口馬赫數(shù)，分析發(fā)動機性能變化情況。

1.2 穩(wěn)定性計算條件

1.2.1 風扇裕度計算條件

在計算發(fā)動機風扇裕度時，選取11km高度，將低壓物理轉(zhuǎn)速換算到標準大氣條件下，控制低壓換算轉(zhuǎn)速N1r分別等于91.9%、83.6%和80.4%條件下，調(diào)整發(fā)動機進口馬赫數(shù)，分析風扇裕度變化情況。

1.2.2 高壓壓氣機裕度計算條件

在計算發(fā)動機高壓壓氣機裕度時，選取11km高度，將高壓物理轉(zhuǎn)速換算到高壓壓氣機進口條件下，在控制高壓換算轉(zhuǎn)速N2r25分別等于87.6%、85.3%和84.6%條件下，調(diào)整發(fā)動機進口馬赫數(shù)，分析高壓壓氣機裕度變化情況。

2 計算結(jié)果分析

為了便于闡述，令各轉(zhuǎn)速下0.3Ma的計算結(jié)果為基準值n，分析不同轉(zhuǎn)速下馬赫數(shù)變化對發(fā)動機性能及穩(wěn)定性的影響。

2.1 性能計算結(jié)果分析

如表1、圖1～圖3所示，在相同轉(zhuǎn)速條件下，當發(fā)動機進口馬赫數(shù)逐漸增大時，發(fā)動機推力呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢；發(fā)動機耗油率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；發(fā)動機排氣溫度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。

發(fā)動機航空發(fā)動機推力計算公式為F=W9c9-Wac0+（P9-P0）A9，假設(shè)尾噴管完全膨脹（P0=P9），并忽略燃氣質(zhì)量流量與空氣質(zhì)量流量的差別（W9=Wa），則推力公式可以簡化為F=Wa（c9-c0）[1]。當發(fā)動機進口馬赫數(shù)逐漸增大時，發(fā)動機進口空氣流量Wa和進口空氣流速c0均增大，綜合作用下，發(fā)動機推力呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢；由于發(fā)動機進口空氣流量Wa增大，發(fā)動機燃油流量隨之增大，同時考慮推力的變化趨勢，綜合影響下，耗油率逐漸增大，并且趨勢越來越平緩；另外由于發(fā)動機進口空氣流量Wa和燃油流量均增大，因此發(fā)動機排氣溫度逐漸升高。

表1 發(fā)動機性能隨馬赫數(shù)變化情況

圖1 推力隨馬赫數(shù)變化情況

圖2 耗油率隨馬赫數(shù)變化情況

圖3 排氣溫度隨馬赫數(shù)變化情況

2.2 穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

由表2和表3可以看出，在相同轉(zhuǎn)速條件下，隨著進口馬赫數(shù)的增大，發(fā)動機進口溫度升高、進口流量增大，渦輪落壓比增大，導致壓氣機和渦輪部件特性匹配發(fā)生變化，發(fā)動機共同工作線向下移動，遠離喘振邊界，風扇裕度和高壓壓氣機裕度增大，穩(wěn)定性增強。

由圖4可以看出，在低轉(zhuǎn)速條件下，進口馬赫數(shù)對風扇裕度的影響更為顯著；由圖5可以看出，在不同轉(zhuǎn)速條件下，高壓壓氣機裕度受進口馬赫數(shù)的影響程度基本一致。

表2 風扇裕度隨馬赫數(shù)變化情況

表3 高壓壓氣機裕度隨馬赫數(shù)變化情況

圖4 風扇裕度隨馬赫數(shù)變化情況

圖5 高壓壓氣機裕度隨馬赫數(shù)變化情況

3 結(jié)束語

通過對某型中等涵道比發(fā)動機進行計算分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）在飛行高度和環(huán)境溫度一定的條件下，控制發(fā)動機高壓換算轉(zhuǎn)速N2r不變，發(fā)動機進口馬赫增大時，發(fā)動機推力先減小后增大，發(fā)動機耗油率增大，排氣溫度升高；

（2）在飛行高度和環(huán)境溫度一定的條件下，控制發(fā)動機低壓換算轉(zhuǎn)速N1r不變，發(fā)動機進口馬赫增大時，風扇裕度增大；控制發(fā)動機高壓換算轉(zhuǎn)速N2r25不變，發(fā)動機進口馬赫增大時，高壓壓氣機裕度增大。