某型小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車狀態(tài)性能模擬

周 旺，張?chǎng)尾?/p>

(1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，710072;2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院試飛員學(xué)院，西安710089;3.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院航電所，西安710089)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于某些原因?qū)е氯紵蚁ɑ鸲蛊淇罩型＼嚕藭r(shí)轉(zhuǎn)速迅速下降，隨即進(jìn)入穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)狀態(tài)即風(fēng)車狀態(tài).這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主要是由于氣流的速度沖壓使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因此風(fēng)車狀態(tài)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)主要決定飛行馬赫數(shù).發(fā)動(dòng)機(jī)在空中再點(diǎn)火也是在風(fēng)車狀態(tài)下進(jìn)行的，所以研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)車狀態(tài)特性，對(duì)空中啟動(dòng)的研究具有重要意義.

由于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)入風(fēng)車狀態(tài)時(shí)，風(fēng)扇壓氣機(jī)以及高低壓渦輪都工作在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)，效率非常低的小轉(zhuǎn)速范圍，所以要對(duì)風(fēng)車狀態(tài)進(jìn)行仿真，必須先得到各個(gè)部件的低轉(zhuǎn)速特性.眾所周知，部件小轉(zhuǎn)速特性很難從實(shí)驗(yàn)獲取.所以應(yīng)先使用可信并且可靠的方法對(duì)現(xiàn)有部件特性進(jìn)行拓展，得到小轉(zhuǎn)速的部件特性.

為了仿真極端載荷狀態(tài)，比如風(fēng)車狀態(tài)，風(fēng)車再點(diǎn)火甚至啟動(dòng)，表征部件特性圖的一些參數(shù)將不再合適，比如效率.所以有必要找到合適的參數(shù)去表征部件小轉(zhuǎn)速特性.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文根據(jù)統(tǒng)計(jì)通用關(guān)系，在小轉(zhuǎn)速時(shí)用換算扭矩來(lái)代替效率，對(duì)某混排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車狀態(tài)進(jìn)行仿真，得到了較為合理的風(fēng)車特性.

1 風(fēng)車狀態(tài)特點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)下，各部件的共同工作決定于調(diào)節(jié)規(guī)律，飛行條件，大氣條件.在風(fēng)車狀態(tài)下，燃燒室出口總溫與壓氣機(jī)出口總溫相等，倘若不考慮雷諾數(shù)的影響，即相似條件仍然滿足，此時(shí)可認(rèn)為燃燒室出口總溫與壓氣機(jī)出口總溫相等作為調(diào)節(jié)規(guī)律.那么發(fā)動(dòng)機(jī)的相似參數(shù)就只取決于飛行條件與大氣條件，即在高度不變的情況下，只取決于飛行馬赫數(shù).也就是說(shuō)，氣流通過(guò)燃燒室總溫未增加，發(fā)動(dòng)機(jī)共同工作點(diǎn)取決于進(jìn)氣道沖壓比.空中啟動(dòng)可分為2個(gè)階段:

1)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)地進(jìn)入穩(wěn)定的風(fēng)車狀態(tài);2)主燃燒室點(diǎn)燃后，渦輪和進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流共同加速轉(zhuǎn)子.

所以在飛行中，燃燒室熄火后，如同在地面一樣，轉(zhuǎn)速下降，不同的是由于速度沖壓作用，在一段時(shí)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)將穩(wěn)定在某個(gè)風(fēng)車轉(zhuǎn)速下.轉(zhuǎn)速下降的快慢取決于燃燒室熄火時(shí)的飛行高度和飛行速度，以及發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的特性.

制約空中啟動(dòng)的主要是燃燒室內(nèi)能否可靠的將燃油點(diǎn)燃，以及足夠的剩余功率和不超限的渦輪前溫度.燃燒室中的壓強(qiáng)與空氣流量越大，就越容易滿足空中啟動(dòng)的條件，即在一定的飛行高度和飛行速度下，空中啟動(dòng)只需將燃油噴入燃燒室點(diǎn)燃，然后渦輪將轉(zhuǎn)子帶動(dòng)到慢車轉(zhuǎn)速，并不需要起動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子.

對(duì)于單軸渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，馬赫數(shù)比較小時(shí)，轉(zhuǎn)速、增壓比等的增加都是由于馬赫數(shù)的增大使進(jìn)氣道沖壓比增大，即可用壓力比增大，渦輪膨脹比也隨之增大所帶來(lái)的結(jié)果.當(dāng)馬赫數(shù)在1.2以上時(shí)，尾噴管就已經(jīng)達(dá)到臨界狀態(tài)，相對(duì)換算轉(zhuǎn)速也在60%左右，這時(shí)隨著馬赫數(shù)的增加，物理轉(zhuǎn)速雖然增加，但是相對(duì)換算轉(zhuǎn)速以及增壓比，換算流量等相似參數(shù)趨于定值，如圖1所示.

圖1 單軸燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作線

由于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)入風(fēng)車狀態(tài)時(shí)，風(fēng)扇壓氣機(jī)以及高低壓渦輪都工作在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)，效率非常低的小轉(zhuǎn)速范圍，所以要對(duì)風(fēng)車狀態(tài)進(jìn)行仿真，必須先得到各個(gè)部件的低轉(zhuǎn)速特性.眾所周知部件小轉(zhuǎn)速特性很難從實(shí)驗(yàn)獲取.所以應(yīng)先使用可信并且可靠的方法對(duì)現(xiàn)有部件特性進(jìn)行拓展，得到小轉(zhuǎn)速的部件特性.

2 風(fēng)車狀態(tài)數(shù)學(xué)模型

2.1 部件特性拓展

本文參考聶洽耶夫方法，基于現(xiàn)有整臺(tái)壓氣機(jī)特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立某些組合參數(shù)之間的通用關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)新設(shè)計(jì)壓氣機(jī)的特性.根據(jù)組合參數(shù)的不同和具體研究單位的經(jīng)驗(yàn)，這種方法本身又是多種多樣的.總的說(shuō)來(lái)，這種方法比較簡(jiǎn)單而且如果選擇的方法合適所獲得的結(jié)果可以滿足工程精度要求.當(dāng)然也可采用軟件Gasturb配套的軟件Smooth C 7.0來(lái)獲得部件特性，即拓展可得小轉(zhuǎn)速特性.本文建立的組合參數(shù)之間的具體關(guān)系曲線，用來(lái)代替統(tǒng)計(jì)的通用關(guān)系曲線，然后應(yīng)用到小轉(zhuǎn)速范圍，原則上說(shuō)計(jì)算的精度會(huì)有提高.

2.2 小轉(zhuǎn)速特性參數(shù)選取

換算轉(zhuǎn)速和換算流量以及壓比對(duì)于風(fēng)車狀態(tài)也是合適的，但是效率的定義只適用在壓比大于1.0，壓氣機(jī)壓縮氣體時(shí)才是有意義的.當(dāng)壓氣機(jī)壓比小于1.0時(shí)，效率就變成負(fù)值，一直趨于無(wú)窮，然后變號(hào)，一直大于1.0.比如在總體性能計(jì)算程序中，程序必然無(wú)法收斂.為此，建立參數(shù)換算扭矩來(lái)代替效率，此參數(shù)在壓氣機(jī)整個(gè)工作范圍內(nèi)都是有限值，所以一組相當(dāng)常用的表征特性圖的參數(shù)是:換算扭矩、換算流量、壓比.

2.3 小轉(zhuǎn)速特性延伸

根據(jù)已有的風(fēng)扇和壓氣機(jī)小轉(zhuǎn)速特性可得到與之對(duì)應(yīng)的換算扭矩.由于風(fēng)扇和壓氣機(jī)的特性跟總溫總壓值無(wú)關(guān)，所以可以假設(shè)進(jìn)口條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，此時(shí)相對(duì)換算轉(zhuǎn)速即為相對(duì)轉(zhuǎn)速，可依次計(jì)算小轉(zhuǎn)速特性下不同換算轉(zhuǎn)速下?lián)Q算流量與換算扭矩的列表函數(shù)關(guān)系.

由于在壓比小于1.0的情況下，效率變的沒(méi)有意義，即用換算扭矩來(lái)代替.

由換算扭矩和換算流量的計(jì)算公式:

其中:M為扭矩M=N/ω=(m·ΔH)/ε(其中 N為功率，ω為角速度，ΔH進(jìn)出口焓差);M為物理流量;Tt為總溫;Pt為總壓

圖2 風(fēng)扇換算流量與換算扭矩關(guān)系

可得到風(fēng)扇和壓氣機(jī)特性得到小轉(zhuǎn)速下等相對(duì)換算轉(zhuǎn)速為0.01～0.4時(shí)換算扭矩和換算流量的關(guān)系.如圖2所示，當(dāng)馬赫數(shù)比較小時(shí)，在計(jì)算風(fēng)車狀態(tài)時(shí)，風(fēng)扇和壓氣機(jī)會(huì)壓比可能會(huì)低于1.0，所以有必要將其特性延伸到壓比小于1.0的區(qū)域.此處采用曲線擬合:將壓比與換算流量的列表函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，再人工將換算流量范圍增大，即得到具有壓比低于1.0列表函數(shù)關(guān)系.相應(yīng)的換算流量和換算扭矩的關(guān)系如圖3所示.

3 計(jì)算與分析

由于風(fēng)車狀態(tài)雖是亞穩(wěn)態(tài)，但是各個(gè)部件也必須滿足共同工作條件.根據(jù)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車狀態(tài)時(shí)共同工作方程，計(jì)算得到低馬赫數(shù)下的風(fēng)車特性，即所有部件參數(shù)不僅要滿足部件特性，而且必須滿足共同工作條件.對(duì)于混排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，各部件必須滿足以下相互制約條件:功率平衡流量平衡壓力平衡轉(zhuǎn)速相等燃燒室進(jìn)出口總溫相等.

圖3 拓展后風(fēng)扇換算流量與換算轉(zhuǎn)速關(guān)系

于是得到描述混排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車狀態(tài)的共同工作方程.本文使用牛頓拉夫遜法求解非線性方程組.本文根據(jù)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車狀態(tài)時(shí)共同工作方程，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)海平面處低馬赫數(shù)下的風(fēng)車特性，見(jiàn)圖4～7.

圖4 相對(duì)物理轉(zhuǎn)速隨著馬赫數(shù)變化

圖5 凈推力隨著馬赫數(shù)變化

圖6 燃燒室出口總壓隨著馬赫數(shù)變化

圖7 風(fēng)扇進(jìn)口流量隨著馬赫數(shù)變化

可以看到馬赫數(shù)比較低時(shí)，高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相差較小，隨著馬赫數(shù)的增大，兩者之間差距變大.這個(gè)主要原因是由于隨著馬赫數(shù)的增加，高壓渦輪落壓比增大較快，低壓落壓比增加較慢，所以在風(fēng)扇和壓氣機(jī)功率未大幅度增長(zhǎng)的情況下，轉(zhuǎn)速差隨著馬赫數(shù)增加而增加.低馬赫數(shù)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比較大，因?yàn)檫@是風(fēng)扇壓比小于1.0，外涵道阻力小.隨著馬赫數(shù)的增大，涵道比減小，這是因?yàn)閮?nèi)涵進(jìn)口流量增大程度大于外涵的增加程度.隨著馬赫數(shù)增加，燃燒室進(jìn)出口總溫與總壓增加，這樣有利于燃燒室再點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)不需要起動(dòng)機(jī)的空中起動(dòng).在風(fēng)車狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)尾進(jìn)口總壓小于進(jìn)氣道出口總壓，尾噴管出口氣流速度小于進(jìn)口速度，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生阻力.

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于試飛單位來(lái)說(shuō)，缺乏部件特性是一個(gè)很棘手的問(wèn)題，這給計(jì)算風(fēng)車狀態(tài)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能帶來(lái)很大的困難，為了能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車狀態(tài)的性能參數(shù)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，在本文計(jì)算之前必須先得到部件特性，根據(jù)提到的聶恰耶夫法可以根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)就可以得到滿足工程精度的部件特性.從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，該方法給出的參數(shù)變化趨勢(shì)合理，可供飛行試驗(yàn)參考.

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