帶TIB的渦扇發(fā)動機性能研究

程本林，唐 豪，徐 夏，李校培

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016）

1 引言

隨著世界能源的日益緊張，高效率、低油耗的熱力循環(huán)模式成為研究的重點；同時，具有高推重比和寬廣工作范圍的發(fā)動機熱力循環(huán)模式也是航空動力熱力循環(huán)長期以來的研究焦點。然而，為了提高單位推力（Specific Thrust,ST）、降低耗油率（Thrust Specific Fuel Consumption,TSFC）和拓寬發(fā)動機穩(wěn)定工作范圍，常會造成燃燒滯留時間短于完全燃燒所需要的時間，從而使燃燒延續(xù)至渦輪內(nèi)，通常這是設(shè)計所不期望的。

為了提高燃氣渦輪熱力循環(huán)性能，在渦輪后增加加力燃燒室（After-Burner,AB）是目前常規(guī)的設(shè)計應(yīng)用方案。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，其技術(shù)已比較成熟，但其缺點也比較突出，如低壓氣流中燃燒所帶來的熱效率低、TSFC高等問題，使得其不能長時間使用，并且增加了尺寸與質(zhì)量。因此研究1種既提高ST又降低TSFC的熱力循環(huán)模式是長期以來航空動力推進系統(tǒng)的研究難點。由于渦輪內(nèi)具有較高壓力，燃燒效率也就高，利用增加渦輪通道內(nèi)的燃氣溫度在熱力學(xué)循環(huán)理論上可以改善發(fā)動機熱力循環(huán)性能[1,2]；且近些年發(fā)展起來的超緊湊燃燒室（Ultra-compact Combustor，UCC）技術(shù)[3]為解決新型燃燒室的結(jié)構(gòu)問題提供了可靠途徑。

本文提出了基于超緊湊燃燒UCC技術(shù)的渦扇發(fā)動機渦輪通道內(nèi) 燃燒 （Turbine Inter-blade Burner，TIB）補燃增推熱力學(xué)循環(huán)方案。

2 渦輪通道內(nèi)燃燒的熱力學(xué)原理

對于傳統(tǒng)的航空發(fā)動機，為了提高其性能，要求不斷地提高渦輪進口溫度。但是由于渦輪葉片（包括導(dǎo)向葉片和工作葉片）長期處于高溫燃氣沖擊和侵蝕之下，尤其工作葉片本身還承受很大的離心力，從而限制了燃氣溫度的提高。然而，隨著氣流通過高壓渦輪作功，高溫燃氣溫度降低，這時相對于低壓渦輪材料來說，氣流溫度還有提高的裕度，如果能在高低壓渦輪間的氣流通道內(nèi)再次供油燃燒，提高低壓渦輪進口溫度，則使得發(fā)動機的熱力循環(huán)功加大；同時渦輪通道內(nèi)具有較高的壓力，燃燒效率也就高，因而TIB不僅能夠提高推力而且能使TSFC保持較低水平。

本文將TIB應(yīng)用于常規(guī)的航空雙軸、混合排氣渦扇發(fā)動機，其熱力學(xué)循環(huán)如圖1所示；同時給出了帶TIB的渦扇發(fā)動機模塊化結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。以此為研究對象，分析該發(fā)動機的熱力性能。

3 發(fā)動機計算模型

以傳統(tǒng)的航空渦扇發(fā)動機氣動熱力計算模型為基礎(chǔ)，以美國GE公司生產(chǎn)的F101-GE-102雙軸、混合排氣加力式渦扇發(fā)動機為研究對象，采用氣動熱力循環(huán)參數(shù)分析法，對TIB過程進行建模仿真；應(yīng)用MathCAD軟件編寫發(fā)動機熱力性能計算程序，對帶TIB的雙軸、混合排氣渦扇發(fā)動機進行熱力性能數(shù)值計算與比較分析。由于對TIB缺乏補燃過程特性認識，考慮到補燃過程與主燃燒室和加力燃燒室過程類似，所以渦TIB過程借鑒了加力燃燒室模型和特性數(shù)據(jù)。其中，給定了TIB的出口溫度即低壓渦輪前溫度為1800 K。

為了使計算結(jié)果能夠更為精確的預(yù)測發(fā)動機熱力性能，在傳統(tǒng)的單一化理想氣體穩(wěn)態(tài)分析模型的基礎(chǔ)上，程序設(shè)計采用了更為合理的理想氣體混合物化學(xué)平衡穩(wěn)態(tài)分析模型[4,5]。假定發(fā)動機進口處的空氣主要有4種成分組成

式中:Yi為組分i的質(zhì)量百分比。假設(shè)燃燒室里混氣燃燒為單步化學(xué)反應(yīng)，下式為一般烴類燃料CxHy燃燒的化學(xué)計量反應(yīng)方程式

4 發(fā)動機性能參數(shù)計算

衡量發(fā)動機的性能參數(shù)有很多，本文主要選擇發(fā)動機單位推力ST和耗油率TSFC2個參數(shù)來分析發(fā)動機的性能變化情況。依據(jù)傳統(tǒng)航空渦扇發(fā)動機氣動熱力計算模型[6]，首先給出了發(fā)動機Th的計算公式

式中:m9、V9、P9、A9分別為發(fā)動機出口截面9處的燃氣流量、燃氣流速、燃氣壓力和截面面積；m0、V0、P0分別為發(fā)動機進口截面0處的氣流流量、氣流流速、氣流壓力。從而得出單位推力ST計算公式

同樣，給出發(fā)動機耗油量f0的計算公式

式中:m0、m3a、m4b、m6分別為發(fā)動機0截面、3a截面、4b截面、6截面處的氣流流量；fb、fTIb、fAB分別為發(fā)動機主燃燒室、TIB、加力燃燒室的油氣比。從而得出耗油率TSFC計算公式為

5 發(fā)動機非設(shè)計點性能計算

在設(shè)計1臺發(fā)動機時，依據(jù)設(shè)計要求，給定一些初始參數(shù)（即發(fā)動機設(shè)計點參數(shù)），如發(fā)動機進口流量、壓比、涵道比、渦輪進口溫度以及各部件運轉(zhuǎn)時的一些效率等參數(shù)，能夠推導(dǎo)設(shè)計出發(fā)動機各截面參數(shù)，從而確定發(fā)動機具體設(shè)計方案。

混合排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機主要特征參數(shù)見表1。表1左側(cè)5個參數(shù)在設(shè)計點計算發(fā)動機性能時是已知的，而在非設(shè)計點時變成了未知參數(shù)，在相應(yīng)位置上，5個截面面積在設(shè)計點中可以計算出，而在非設(shè)計點中則會變成已知參數(shù)。

表1 混合排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機主要特征參數(shù)

表1右列中的參數(shù)值在設(shè)計點處是未知的，但可以通過計算得出，并同時作為已知參數(shù)輸入到非設(shè)計點的計算中，而此時左列中的參數(shù)又變成未知，但可以通過右列的值計算得出，這樣在設(shè)計點和非設(shè)計點的計算中所有未知值均能得出。

6 計算結(jié)果和分析

在傳統(tǒng)航空發(fā)動機熱力學(xué)循環(huán)基礎(chǔ)上，以雙軸混合排氣渦扇發(fā)動機為研究對象，采用TIB方法，先進行了發(fā)動機設(shè)計點性能計算，而后計算了發(fā)動機在給定狀態(tài)下的高度特性、速度特性和節(jié)流特性，并與常規(guī)渦扇發(fā)動機熱力性能進行了比較分析，得出TIB新型技術(shù)在提高發(fā)動機性能方面具有優(yōu)勢。

6.1 發(fā)動機設(shè)計點性能

當進行發(fā)動機設(shè)計時，首先應(yīng)結(jié)合實際的總體性能方案需要確定其類型，并進行發(fā)動機設(shè)計點熱力循環(huán)參數(shù)的優(yōu)化計算，從而給出發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)的最優(yōu)方案。

在深入調(diào)研帶有TIB渦扇發(fā)動機總體性能方案的基礎(chǔ)上，分析了在飛行高度H=18 km、飛行馬赫數(shù)Ma=2.0的狀態(tài)下，涵道比BPR=1的常規(guī)渦扇發(fā)動機與TIB渦扇發(fā)動機設(shè)計點性能隨風(fēng)扇壓比的變化關(guān)系，如圖3所示。

同時，依據(jù)飛行經(jīng)濟性原則，從上圖中最小耗油率角度出發(fā)，可以得出發(fā)動機的最優(yōu)設(shè)計風(fēng)扇壓比（見表2），并給出了在最優(yōu)設(shè)計風(fēng)扇壓比下，渦扇發(fā)動機與TIB渦扇發(fā)動機設(shè)計點性能參數(shù)，分析比較后，可以清晰的得出帶有TIB的渦扇發(fā)動機在設(shè)計點性能方面有明顯優(yōu)勢。

6.2 高度特性

表2 發(fā)動機設(shè)計點性能參數(shù)分析比較

由于采用TIB使得低壓渦輪進口的燃氣溫度提高，提高了低壓渦輪輸出功，從而使得發(fā)動機的單位推力明顯增大；而2次燃燒需要提供額外的燃油，也使得耗油率有所增加。然而，從圖中曲線可以明顯看出，單位推力提升的幅度明顯高于耗油率的提升幅度。

6.3 速度特性

速度特性曲線圖同高度特性曲線圖一樣，顯示出帶有TIB渦扇發(fā)動機與常規(guī)渦扇發(fā)動機相比，單位推力和耗油率均增大，且單位推力的提升幅度明顯高于耗油率的提升幅度。

6.4 節(jié)流特性

在 H=18 km、Ma=2.0的狀態(tài)下，渦扇發(fā)動機與TIB渦扇發(fā)動機的轉(zhuǎn)速特性比較如圖6所示。隨著在0.9～1.0范圍內(nèi)發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高，2者的單位推力均增大，而耗油率的變化趨勢有所不同：TIB渦扇發(fā)動機的耗油率有所增加，而常規(guī)渦扇發(fā)動機的耗油率先略有減小后保持不變。

同樣，節(jié)流特性曲線亦顯示出帶TIB渦扇發(fā)動機與常規(guī)渦扇發(fā)動機相比，在提高發(fā)動機性能方面更具有優(yōu)勢。

7 結(jié)論

與常規(guī)渦扇發(fā)動機的相比，在提高發(fā)動機總體性能方面，帶TIB渦扇發(fā)動機具有以下優(yōu)勢。

（1）帶TIB渦扇發(fā)動機在設(shè)計點的總體性能有顯著提高。低壓渦輪進口溫度的提高，使得渦輪落壓比減小，發(fā)動機推力和單位推力大幅增大，耗油率減小。

（2）帶TIB渦扇發(fā)動機的新型熱力循環(huán)，使發(fā)動機的高度特性、速度特性和轉(zhuǎn)速特性均有較好地改善，為今后發(fā)動機設(shè)計奠定了良好基礎(chǔ)。

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