盧明亮
(沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,沈陽 110015)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)需在全包線范圍內(nèi)可靠穩(wěn)定工作,在運(yùn)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(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)為研究對象,重點(diǎn)分析在高空條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫數(shù)變化對發(fā)動(dòng)機(jī)性能和穩(wěn)定性的影響,掌握在不同進(jìn)口馬赫數(shù)條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)推力、耗油率、排氣溫度、喘振裕度等變化情況,為發(fā)動(dòng)機(jī)控制規(guī)律設(shè)計(jì)提供有利依據(jù),從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能和穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。
本文以Gasturb11計(jì)算平臺為基礎(chǔ),計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)性能及穩(wěn)定性。
在計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)性能時(shí),選取11km高度,將高壓物理轉(zhuǎn)速換算到標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫數(shù),分析發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化情況。
1.2.1 風(fēng)扇裕度計(jì)算條件
在計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇裕度時(shí),選取11km高度,將低壓物理轉(zhuǎn)速換算到標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫數(shù),分析風(fēng)扇裕度變化情況。
1.2.2 高壓壓氣機(jī)裕度計(jì)算條件
在計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)裕度時(shí),選取11km高度,將高壓物理轉(zhuǎn)速換算到高壓壓氣機(jī)進(jìn)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(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫數(shù),分析高壓壓氣機(jī)裕度變化情況。
為了便于闡述,令各轉(zhuǎn)速下0.3Ma的計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)值n,分析不同轉(zhuǎn)速下馬赫數(shù)變化對發(fā)動(dòng)機(jī)性能及穩(wěn)定性的影響。
如表1、圖1~圖3所示,在相同轉(zhuǎn)速條件下,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫數(shù)逐漸增大時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)推力呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢;發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢;發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。
發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推力計(jì)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?xì)赓|(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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫數(shù)逐漸增大時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量Wa和進(jìn)口空氣流速c0均增大,綜合作用下,發(fā)動(dòng)機(jī)推力呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢;由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量Wa增大,發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量隨之增大,同時(shí)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(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量Wa和燃油流量均增大,因此發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度逐漸升高。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)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
由表2和表3可以看出,在相同轉(zhuǎn)速條件下,隨著進(jìn)口馬赫數(shù)的增大,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度升高、進(jìn)口流量增大,渦輪落壓比增大,導(dǎo)致壓氣機(jī)和渦輪部件特性匹配發(fā)生變化,發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作線向下移動(dòng),遠(yuǎn)離喘振邊界,風(fēng)扇裕度和高壓壓氣機(jī)裕度增大,穩(wěn)定性增強(qiáng)。
由圖4可以看出,在低轉(zhuǎn)速條件下,進(jìn)口馬赫數(shù)對風(fēng)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(jī)裕度受進(jìn)口馬赫數(shù)的影響程度基本一致。
表2 風(fēng)扇裕度隨馬赫數(shù)變化情況
表3 高壓壓氣機(jī)裕度隨馬赫數(shù)變化情況
圖4 風(fēng)扇裕度隨馬赫數(shù)變化情況
圖5 高壓壓氣機(jī)裕度隨馬赫數(shù)變化情況
通過對某型中等涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行計(jì)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(dòng)機(jī)高壓換算轉(zhuǎn)速N2r不變,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫增大時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)推力先減小后增大,發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)低壓換算轉(zhuǎn)速N1r不變,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫增大時(shí),風(fēng)扇裕度增大;控制發(fā)動(dòng)機(jī)高壓換算轉(zhuǎn)速N2r25不變,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口馬赫增大時(shí),高壓壓氣機(jī)裕度增大。