渦扇發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)變循環(huán)功能的循環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

蘇桂英

(中航工業(yè)沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研究所預(yù)研總體部，沈陽110015)

國外在變循環(huán)發(fā)動機(jī)領(lǐng)域開展研究及驗(yàn)證已近50年，先后提出了多種變循環(huán)發(fā)動機(jī)概念方案［1］，通過不斷研究和驗(yàn)證，逐漸演變?yōu)槟軌蜻M(jìn)行流量匹配的雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)，并已完成地面試驗(yàn)(XF120)和飛行試驗(yàn)(YF120)［2－3］。在1975—1981年，通用電氣(GE)公司在美國空軍、海軍和美國國家航空航天局(NASA)的資助下，利用YJ101發(fā)動機(jī)進(jìn)行了分離風(fēng)扇、核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇級以及后涵道引射器、前涵道引射器等變循環(huán)特征部件/機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證［4］，促進(jìn)了雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)的發(fā)展。雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)可通過多個部件/機(jī)構(gòu)的幾何調(diào)節(jié)在較大范圍內(nèi)改變涵道比，兼顧了傳統(tǒng)渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)特點(diǎn)，成為先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)發(fā)展趨勢之一。借鑒國外變循環(huán)技術(shù)發(fā)展路線［5－6］，利用常規(guī)布局渦扇發(fā)動機(jī)平臺驗(yàn)證變循環(huán)技術(shù)，是掌握變循環(huán)發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)和匹配技術(shù)，加速變循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)成熟的一條有效途徑。本文以常規(guī)布局渦扇發(fā)動機(jī)(原準(zhǔn)機(jī))為研究對象，探討了原準(zhǔn)機(jī)實(shí)現(xiàn)變循環(huán)功能的技術(shù)路線、約束條件以及循環(huán)參數(shù)分析方法。

1 技術(shù)路線

1.1 變循環(huán)特征部件分析

雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)的特征部件/機(jī)構(gòu)主要包括CDFS、可變幾何低壓渦輪、前涵道引射器、后涵道引射器以及模式選擇閥。變循環(huán)特征部件/機(jī)構(gòu)在原準(zhǔn)機(jī)上的驗(yàn)證方案需要結(jié)合原準(zhǔn)機(jī)的具體特點(diǎn)來確定［7－8］。

(1)模式選擇閥。模式選擇閥是實(shí)現(xiàn)雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)兩種工作模式的關(guān)鍵之一，通過模式選擇閥打開或關(guān)閉風(fēng)扇后涵道，分別形成雙外涵模式和單外涵模式［9］(見圖1);單外涵模式下，風(fēng)扇出口的空氣流量將全部流入CDFS。

圖1 雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)工作模式示意圖

若原準(zhǔn)機(jī)的涵道比較大，與原準(zhǔn)機(jī)壓氣機(jī)相比，CDFS進(jìn)口換算流量將增大很多;以風(fēng)扇進(jìn)口物理流量100 kg/s、壓比3.0為例，不同原準(zhǔn)機(jī)涵道比下CDFS進(jìn)口換算流量計(jì)算結(jié)果見表1。從表1可以看出，隨著原準(zhǔn)機(jī)涵道比增加，CDFS流量調(diào)節(jié)范圍增大;文獻(xiàn)［10］中給出CDFS導(dǎo)葉角度關(guān)45度，換算流量減小約32%，即，原準(zhǔn)機(jī)涵道比大于0.5，需采取措施降低風(fēng)扇出口流量才能實(shí)現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動機(jī)的兩種工作模式。

表1 不同涵道比下CDFS進(jìn)口換算流量

(2)可變幾何低壓渦輪?？勺儙缀蔚蛪簻u輪通過導(dǎo)向器面積調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)高、低壓渦輪的匹配，單外涵模式需要開大低壓渦輪導(dǎo)向器，提高高壓渦輪膨脹比，增加高壓渦輪做功能力。低壓渦輪屬于熱端部件，使其導(dǎo)向器像風(fēng)扇或壓氣機(jī)那樣靈活調(diào)節(jié)存在很大的技術(shù)難度，需要的研制周期也相對較長。

(3)CDFS和前涵道引射器。雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)的高壓軸上增加了CDFS，且CDFS部分流量流入外涵(由CDFS涵道比確定)，與原準(zhǔn)機(jī)相比，雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)對高壓渦輪單位功的需求量增加;因此，高壓渦輪耐溫能力和做功能力也在一定程度上限制了CDFS壓比以及涵道比的取值。

CDFS位于風(fēng)扇與壓氣機(jī)之間，且與壓氣機(jī)同軸，CDFS與壓氣機(jī)的匹配設(shè)計(jì)是變循環(huán)發(fā)動機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵之一，調(diào)節(jié)前涵道引射器可在一定程度上調(diào)節(jié)CDFS的匹配點(diǎn)，使CDFS滿足喘振裕度的要求，但也增加了結(jié)構(gòu)與控制方面的難度。

(4)后涵道引射器。后涵道引射器是相對獨(dú)立的變循環(huán)發(fā)動機(jī)特征機(jī)構(gòu)，可考慮在原準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)證。

1.2 技術(shù)路線

借鑒YJ101變循環(huán)技術(shù)驗(yàn)證路線，結(jié)合以上關(guān)于雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)特征部件分析，基于常規(guī)布局渦扇發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)變循環(huán)功能可根據(jù)變循環(huán)特征部件的技術(shù)成熟度，采用分步實(shí)施的技術(shù)路線，即在原準(zhǔn)機(jī)上依次增加后涵道引射器、CDFS、前涵道引射器、可變幾何低壓渦輪以及模式選擇閥;循環(huán)參數(shù)分析時應(yīng)統(tǒng)籌考慮整個技術(shù)路線。

2 原準(zhǔn)機(jī)的約束分析

為了更多的利用原準(zhǔn)機(jī)的現(xiàn)有硬件，降低研制風(fēng)險(xiǎn)，渦扇發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)變循環(huán)功能的改裝準(zhǔn)則主要包括幾條:

(1)保持原準(zhǔn)機(jī)核心機(jī)基本不變;核心機(jī)是航空發(fā)動機(jī)中工作條件最惡劣、技術(shù)最復(fù)雜、對發(fā)動機(jī)性能和可靠性影響最大的部件，其研制周期幾乎占整個發(fā)動機(jī)研制周期的一半以上;保持原準(zhǔn)機(jī)核心機(jī)基本不變，可大大縮短研制周期、降低研制風(fēng)險(xiǎn)。

(2)盡可能多的繼承原準(zhǔn)機(jī)的部件、系統(tǒng)，必要時進(jìn)行修改設(shè)計(jì);

(3)全新設(shè)計(jì)變循環(huán)特征部件/機(jī)構(gòu)，且特征部件/機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)應(yīng)保證繼承自原準(zhǔn)機(jī)的部件工作在其可接受范圍內(nèi)。

在進(jìn)行循環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)時需要結(jié)合改裝準(zhǔn)則，并根據(jù)原準(zhǔn)機(jī)的具體情況確定約束條件，主要包括以下4個方面:

(1)為了保證核心機(jī)基本不變，根據(jù)相似準(zhǔn)則，循環(huán)參數(shù)分析時需要保證壓氣機(jī)進(jìn)口(或壓氣機(jī)某一級進(jìn)口)換算流量、高壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口換算流量與原準(zhǔn)機(jī)一致;

(2)主要部件效率、涵道氣動損失以及引氣分配等與原準(zhǔn)機(jī)一致;

(3)對于繼承部件應(yīng)采用其試驗(yàn)(計(jì)算)特性，以保證與原準(zhǔn)機(jī)部件性能的一致性;

(4)變循環(huán)特征部件調(diào)節(jié)過程中應(yīng)保證壓縮部件留有一定的喘振裕度。

3 循環(huán)參數(shù)分析

3.1 主要熱力循環(huán)參數(shù)分析

雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)主要熱力循環(huán)參數(shù)依據(jù)原準(zhǔn)機(jī)的約束條件確定。在部件效率及涵道氣動損失等一定的條件下，CDFS換算流量、調(diào)節(jié)范圍由風(fēng)扇壓比、換算流量以及風(fēng)扇涵道比確定，壓氣機(jī)換算流量由風(fēng)扇壓比、CDFS壓比以及總涵道比確定;在前述確定循環(huán)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高壓渦輪前總溫、高壓渦輪冷氣比例確定高壓渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口換算流量。

總涵道比(BPR15)、風(fēng)扇涵道比(BPR1)、CDFS涵道比(BPR2)滿足以下關(guān)系:

即，風(fēng)扇涵道比、CDFS涵道比確定，則總涵道比唯一確定。通過以上分析，選定風(fēng)扇壓比、風(fēng)扇涵道比、CDFS壓比、CDFS涵道比以及壓氣機(jī)壓比、高壓渦輪前總溫作為主要熱力循環(huán)參數(shù)。

3.2 基于約束條件的循環(huán)參數(shù)分析

雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)改裝為具有變循環(huán)功能的發(fā)動機(jī)時，壓縮部件主要有3種改裝方案(見表2)。具體方案可通過選取風(fēng)扇壓比、風(fēng)扇涵道比、CDFS壓比、CDFS涵道比、壓氣機(jī)壓比以及高壓渦輪前總溫作為主要熱力循環(huán)參數(shù)進(jìn)行循環(huán)參數(shù)分析，并根據(jù)原準(zhǔn)機(jī)的約束條件逐步篩選來確定。

表2 變循環(huán)發(fā)動機(jī)壓縮部件改裝方案

變循環(huán)特征部件/機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)的過程中，主要部件性能參數(shù)也將隨之變化;在確定主要熱力循環(huán)參數(shù)時需要留取一定的裕度，如，隨CDFS導(dǎo)葉角度開大，性能匹配使得高壓渦輪前總溫呈升高的趨勢，具體升高幅度與變循環(huán)特征部件/機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍有關(guān);且裕度的留取也在一定程度上決定著特征部件/機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍以及變循環(huán)發(fā)動機(jī)的總體性能。

3.3 總體性能分析

CDFS、可變幾何低壓渦輪、前涵道引射器、后涵道引射器等部件/機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動機(jī)性能在一定范圍內(nèi)調(diào)整，在這個區(qū)域內(nèi)可根據(jù)具體需求選擇推力更高或耗油率更低的匹配點(diǎn)。

從圖2看出，隨著CDFS導(dǎo)葉角度開大(其他可調(diào)部件/機(jī)構(gòu)也需相應(yīng)調(diào)節(jié))，發(fā)動機(jī)推力呈提高的趨勢;與此同時，循環(huán)參數(shù)匹配得出的高壓渦輪前總溫也將升高(見圖3)，如，高壓渦輪前總溫提高30 K，變循環(huán)發(fā)動機(jī)推力約提高2.5%。因此，變循環(huán)發(fā)動機(jī)總體性能改善程度與原準(zhǔn)機(jī)的改裝程度或循環(huán)參數(shù)裕度留取密切相關(guān)。

圖2 CDFS導(dǎo)葉角度對發(fā)動機(jī)推力的影響

圖3 高壓渦輪前總溫限制值對發(fā)動機(jī)推力的影響

CDFS導(dǎo)葉角度關(guān)小，CDFS進(jìn)口換算流量降低，使盡可能多的流量從發(fā)動機(jī)外涵流出，總涵道比增大，高壓渦輪前總溫降低，發(fā)動機(jī)耗油率降低(見圖4、圖5);尤其對于小涵道比的渦扇發(fā)動機(jī)改裝為變循環(huán)發(fā)動機(jī)，可改善發(fā)動機(jī)耗油率。

圖4 CDFS導(dǎo)葉角度對發(fā)動機(jī)耗油率的影響

圖5 高壓渦輪前總溫對發(fā)動機(jī)耗油率的影響

4 結(jié)論

(1)利用已有渦扇發(fā)動機(jī)通過改裝實(shí)現(xiàn)變循環(huán)功能，是搭建變循環(huán)技術(shù)驗(yàn)證平臺、改善已有發(fā)動機(jī)性能的一種有效途徑;為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制周期，應(yīng)盡可能多的繼承原準(zhǔn)機(jī)部件，并根據(jù)變循環(huán)特征部件/機(jī)構(gòu)的難度分步實(shí)施。

(2)通過循環(huán)參數(shù)分析確定基于渦扇發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)變循環(huán)功能的改裝方案。

(3)由繼承自原準(zhǔn)機(jī)部件確定的約束條件是決定改裝后變循環(huán)發(fā)動機(jī)總體性能以及可調(diào)部件/機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)范圍的關(guān)鍵，為了獲得更好的性能，必要時需要根據(jù)循環(huán)參數(shù)分析結(jié)果對原準(zhǔn)機(jī)部分部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

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