部件特性變化對某型渦扇發(fā)動機性能影響研究

何敏祥，鄧少春，王德慶，文 強，宋瑞民，朱愛迪

(中國航發(fā)貴陽發(fā)動機設(shè)計研究所，貴州 貴陽 550081)

1 引 言

發(fā)動機在使用過程中，由于受葉片和機匣磨損、侵蝕、間隙變化等諸多因素的影響，必然導(dǎo)致其性能退化。部件效率降低、流路總壓損失增大會影響發(fā)動機幾乎所有部件的共同工作，使發(fā)動機工作過程參數(shù)和主要性能數(shù)據(jù)改變，主要表現(xiàn)為發(fā)動機同轉(zhuǎn)速條件下推力變化，耗油率和排氣溫度升高[1-5]。國內(nèi)外學(xué)者對部件影響發(fā)動機性能進行了大量的研究工作，得到了發(fā)動機部件、高/低壓渦輪導(dǎo)向器、內(nèi)/外涵噴口面積等對渦扇發(fā)動機總體性能及喘振裕度的影響[6-14]，明確了影響發(fā)動機性能的參數(shù)。

本文通過航空發(fā)動機總體性能計算程序仿真計算，分析某型發(fā)動機部件性能變化對發(fā)動機整機性能的影響。通過發(fā)動機總體穩(wěn)態(tài)計算程序，分別調(diào)整風(fēng)扇、壓氣機、燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪等部件的效率、壓比等參數(shù)，得到各參數(shù)對發(fā)動機整機性能的影響。文中的轉(zhuǎn)速、效率、壓比、流量、總壓恢復(fù)系數(shù)及推力、耗油率、溫度等參數(shù)均為相對值。

2 影響分析

2.1 風(fēng)扇參數(shù)對發(fā)動機性能的影響

2.1.1 風(fēng)扇效率

風(fēng)扇效率變化對發(fā)動機性能的影響如圖1所示，主要表現(xiàn)為：隨著風(fēng)扇效率降低，風(fēng)扇維持轉(zhuǎn)速和壓比的需求功增加，需增加低壓渦輪功率保持風(fēng)扇換算轉(zhuǎn)速(n1hs)不降低。增加低壓渦輪功率可通過增加燃氣流量、進口溫度和落壓比等來實現(xiàn)[1-5]。一般發(fā)動機主動可調(diào)量為燃油流量，采用增加燃油流量(Wf)提高燃燒室出口溫度(Tt4)來增加低壓渦輪功率，實現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子功率平衡。燃燒室出口溫度增加使壓氣機轉(zhuǎn)速(n2)增加，發(fā)動機推力(F)增大。此外，n2提高，發(fā)動機涵道比減小，耗油率(SFC)因而增加。

圖1 風(fēng)扇效率對發(fā)動機性能的影響

2.1.2 風(fēng)扇壓比

風(fēng)扇壓比變化對發(fā)動機性能的影響如圖2所示，主要表現(xiàn)為：隨著風(fēng)扇壓比降低，風(fēng)扇需求功減小，發(fā)動機減小燃油流量控制轉(zhuǎn)速不變，燃燒室出口溫度下降，壓氣機轉(zhuǎn)速降低，發(fā)動機涵道比增加，同時推力下降。由于部件效率變化不大，發(fā)動機耗油率變化也較小。

圖2 風(fēng)扇壓比對發(fā)動機性能的影響

2.1.3 風(fēng)扇流量

風(fēng)扇流量變化對發(fā)動機性能的影響如圖3所示，主要表現(xiàn)為：隨著風(fēng)扇流量降低，風(fēng)扇需求功減小，發(fā)動機減小燃油流量控制n1hs轉(zhuǎn)速不變，燃燒室出口溫度下降，n2轉(zhuǎn)速降低，同時導(dǎo)致涵道比增加，發(fā)動機推力受風(fēng)扇流量影響而下降。由于部件效率變化不大，發(fā)動機耗油率主要受涵道比增加影響而有所降低。

圖3 風(fēng)扇流量對發(fā)動機性能的影響

2.2 壓氣機效率對發(fā)動機性能的影響

壓氣機效率變化對發(fā)動機性能的影響如圖4所示，主要表現(xiàn)為：壓氣機效率降低時，壓氣機需求功增加，壓氣機需求功率大于高壓渦輪提供的功率，壓氣機轉(zhuǎn)速降低，壓氣機進口空氣流量減小，發(fā)動機涵道比增大。低壓渦輪功率減小，發(fā)動機為保持n1hs轉(zhuǎn)速，增加燃油流量，導(dǎo)致燃燒室出口溫度增大。

圖4 壓氣機效率對發(fā)動機性能的影響

內(nèi)涵流量變化引起高低壓部件工作點變化，發(fā)動機高壓渦輪、低壓渦輪部件效率下降明顯。壓氣機相對效率下降5%時，高壓渦輪實際效率下降2.2%，低壓渦輪實際效率下降1.1%，導(dǎo)致發(fā)動機耗油率增大。

發(fā)動機推力沒有隨著壓氣機效率的降低而減小，分析其原因，是發(fā)動機工作點偏移，風(fēng)扇壓比增加，補償壓氣機壓比下降。

2.3 燃燒室參數(shù)對發(fā)動機性能的影響

2.3.1 燃燒室效率

燃燒室效率變化對發(fā)動機性能的影響主要表現(xiàn)為：隨著燃燒室效率降低，通過增加燃油流量保持燃燒室出口溫度及轉(zhuǎn)子功率平衡，發(fā)動機流道參數(shù)和高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速基本不變。由于燃油流量增加，燃燒室出口燃氣流量增加，發(fā)動機推力略有增加，耗油率明顯下降。燃燒室效率由0.995降為0.95，燃燒效率下降4.5%，發(fā)動機燃油流量增加4.3%，耗油率增大4.2%，而推力基本不變，僅增大0.08%，燃燒室出口溫度減小0.17%。燃燒室效率主要影響發(fā)動機燃油消耗量和耗油率，其他性能參數(shù)基本不受影響。

2.3.2 燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)

燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)變化對發(fā)動機性能的影響主要為：燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)降低，高低壓渦輪落壓比降低，高低壓渦輪功降低，發(fā)動機增加燃油流量提高燃燒室出口溫度，重新滿足發(fā)動機功率需求。

2.4 高壓渦輪對發(fā)動機性能的影響

2.4.1 高壓渦輪流量(核心機流量)

高壓渦輪(核心機)流量變化對發(fā)動機性能的影響主要為：隨著高壓渦輪流量降低，低壓渦輪流量同樣減小，高低壓渦輪功同時減小，發(fā)動機增大燃油流量保持n1hs轉(zhuǎn)速不變，燃燒室出口溫度升高，n2轉(zhuǎn)速升高，發(fā)動涵道比減小，發(fā)動機耗油率增大。

2.4.2 高導(dǎo)面積

發(fā)動機大狀態(tài)時，高導(dǎo)、低導(dǎo)喉道處于臨界狀態(tài)，忽略冷卻空氣的影響，高導(dǎo)處流量和低導(dǎo)處流量可認為一致，則[15]：

Wa4=Wa5

(1)

(2)

(3)

其中，Wa為燃氣流量，A為面積，P為壓力，4為高導(dǎo)截面，5為低導(dǎo)截面，發(fā)動機大狀態(tài)時，可認為q(λ4)=1，q(λ5)=1。

由式(1)-式(3)可知，高壓渦輪導(dǎo)向器喉道面積增大時，若低壓渦輪導(dǎo)向器未達到臨界，Wa4增大，通過q(λ5)增大匹配內(nèi)涵流量的增大，Wa5也隨著增大，發(fā)動機涵道比減小，低壓渦輪總功增加，發(fā)動機通過減少燃燒室供油，降低高壓渦輪進口總溫，保持n1hs轉(zhuǎn)速。發(fā)動機涵道比減小會增大耗油率。

若高壓渦輪導(dǎo)向器面積A4增大，低壓渦輪導(dǎo)向器處于臨界狀態(tài)時，q(λ4)=1，q(λ5)=1。由式(3)可知，高壓渦輪落壓比減小，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致高壓壓氣機流通能力下降，低壓渦輪功率不足，發(fā)動機增加燃燒室供油，提高高低壓渦輪進口總溫保持n1hs轉(zhuǎn)速。發(fā)動機涵道比增大會減小耗油率。

綜上分析，發(fā)動機高壓渦輪導(dǎo)向器臨界、低壓渦輪導(dǎo)向器未臨界時，高壓渦輪導(dǎo)向器面積增大能降低高低壓渦輪流道溫度；高壓渦輪導(dǎo)向器、低壓渦輪導(dǎo)向器臨界時，高壓渦輪導(dǎo)向器面積增大反而會提高高低壓渦輪流道溫度。

2.4.3 高壓渦輪效率

高壓渦輪效率對發(fā)動機性能的影響主要為：高壓渦輪效率與壓氣機效率對發(fā)動機的影響基本一致，高壓渦輪效率下降，高壓渦輪功率小于壓氣機功率，n2轉(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致壓氣機進口空氣流量減小，渦輪空氣流量減小導(dǎo)致渦輪功率減小，發(fā)動機通過增加燃油流量保持n1hs轉(zhuǎn)速，燃燒室出口溫度增加。

2.5 低壓渦輪對發(fā)動機性能的影響

2.5.1 低導(dǎo)面積

低壓渦輪導(dǎo)向器相當于核心機的噴口，低壓渦輪導(dǎo)向器面積增大，高壓渦輪膨脹比升高。高壓渦輪進口處于臨界狀態(tài)，低壓渦輪進口截面的干擾不會傳遞到高壓渦輪進口截面，綜合影響導(dǎo)致低壓渦輪進口截面的溫度、壓力均降低。發(fā)動機采用混合排氣的方式，低壓渦輪后壓力與外涵出口壓力相互影響，降低幅度較小，低壓渦輪落壓比降低，單位焓降降低，發(fā)動機根據(jù)控制計劃保證n1hs不變，增加燃燒室供油來提高高壓渦輪進口總溫，則高壓渦輪單位功率增加，高壓轉(zhuǎn)速升高。由于低壓換算轉(zhuǎn)速不變，噴口一定的情況下，進口流量基本不變，則涵道比降低。風(fēng)扇工作點變化不大，推力基本不變[15]。

2.5.2 低壓渦輪效率

低壓渦輪效率對發(fā)動機性能的影響主要為：低壓渦輪效率變化對發(fā)動機性能的影響與風(fēng)扇效率變化對發(fā)動機性能的影響，兩者趨勢相差不大。隨著低壓渦輪效率降低，低壓渦輪輸出有效功下降，為保持n1hs轉(zhuǎn)速不變，發(fā)動機增加燃油流量，提高流道溫度。

2.6 加力燃燒室對發(fā)動機性能的影響

2.6.1 加力燃燒室效率

調(diào)節(jié)加力燃燒室效率，由于發(fā)動機處于大狀態(tài)，高壓渦輪導(dǎo)向器、低壓渦輪導(dǎo)向器均處于臨界狀態(tài)，加力燃燒室效率變化無法影響上游參數(shù)，主要影響加力燃燒室截面及下游參數(shù)，發(fā)動機上游參數(shù)不受影響，發(fā)動機加力狀態(tài)推力和噴管出口溫度隨著加力燃燒室效率降低而降低。

2.6.2 加力燃燒室恢復(fù)系數(shù)

發(fā)動機處于大狀態(tài)，高壓渦輪導(dǎo)向器、低壓渦輪導(dǎo)向器均處于臨界狀態(tài)，加力燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)變化主要影響加力截面參數(shù)，發(fā)動機上游截面參數(shù)不受影響，發(fā)動機中間狀態(tài)、加力狀態(tài)推力隨著加力燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)降低而降低。

2.7 各部件對發(fā)動機性能的影響

各部件對發(fā)動機推力、耗油率、燃燒室出口溫度的影響如圖5-圖7所示。由圖可知，各部件對發(fā)動機性能影響程度存在很大差異：

(1)高低壓轉(zhuǎn)子效率和燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)提高，發(fā)動機推力降低；風(fēng)扇壓比、風(fēng)扇流量和加力燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)提高，發(fā)動機推力增大。風(fēng)扇流量影響最大，高壓轉(zhuǎn)子效率影響次之，燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)、低壓轉(zhuǎn)子效率影響較小。

(2)高低壓轉(zhuǎn)子效率、核心機流量、燃燒室效率和總壓恢復(fù)系數(shù)提高，發(fā)動機耗油率均降低；風(fēng)扇壓比和流量增大時耗油率變大；其中風(fēng)扇流量和加力燃燒室恢復(fù)系數(shù)(最大狀態(tài))對發(fā)動機耗油率影響最大，其次為高壓渦輪效率、燃燒室效率、低壓渦輪效率。

(3)高低壓轉(zhuǎn)子效率和燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)提高，都會導(dǎo)致發(fā)動機燃燒室出口溫度降低，其中高壓轉(zhuǎn)子效率影響最大，其次為燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)、低壓轉(zhuǎn)子效率。風(fēng)扇壓比和流量增大導(dǎo)致燃燒室出口溫度變大。

(4)主燃燒室、加力燃燒室效率和加力燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)不影響發(fā)動機高低壓渦輪流道溫度，主要影響耗油率。加力燃燒室效率和加力燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)影響發(fā)動機推力和加力截面溫度。

圖5 各部件對發(fā)動機推力的影響

圖6 各部件對發(fā)動機耗油率的影響

3 結(jié) 論

本文基于發(fā)動機性能計算模型，仿真分析了各部件對發(fā)動機性能的影響。對于控制風(fēng)扇換算轉(zhuǎn)速n1hs的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機，各部件變化對發(fā)動機性能的影響如下：

(1)高低壓轉(zhuǎn)子效率和燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)降低，以及風(fēng)扇壓比和風(fēng)扇流量升高，發(fā)動機按控制計劃調(diào)整燃油流量，引起部件性能和流道參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)動機推力、耗油率和燃燒室出口溫度升高。

(2)高壓轉(zhuǎn)子效率對發(fā)動機性能的影響最大，其次為燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)、低壓轉(zhuǎn)子效率。

圖7 各部件對發(fā)動機燃燒室出口溫度的影響

(3)燃燒室、加力燃燒室效率和加力燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)不影響發(fā)動機高低壓渦輪流道溫度，主要影響耗油率；加力燃燒室效率和加力燃燒室總壓恢復(fù)系數(shù)影響發(fā)動機推力和加力截面溫度。