薛冰晶,李華雷,譚智勇
(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司 總體部,上海 200241)
大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)降低耗油率可以采用提高循環(huán)熱效率和推進(jìn)效率的方法。提高循環(huán)熱效率主要通過提高熱力循環(huán)總壓比、循環(huán)溫比(即渦輪前溫度T4)、各部件效率,或者采用更為復(fù)雜的先進(jìn)循環(huán),例如間冷回?zé)嵫h(huán)(IRA)等方式來實(shí)現(xiàn)。提高推進(jìn)效率主要通過提高涵道比,降低外涵的排氣速度,降低單位推力來實(shí)現(xiàn)。
雙軸直驅(qū)構(gòu)型(ATF)的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)是目前技術(shù)成熟度最高、應(yīng)用最廣的傳統(tǒng)構(gòu)型方式。由于風(fēng)扇的氣動設(shè)計(jì)限制,驅(qū)動風(fēng)扇的低壓渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低,給低壓渦輪的設(shè)計(jì)帶來困難和限制。提高循環(huán)總壓比,會對高壓壓氣機(jī)的壓比水平要求提高,高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)難度增大。郭福水等[1]引入總體與部件協(xié)同設(shè)計(jì)的思想,基于Isight軟件建立優(yōu)化平臺,可有效地得到系統(tǒng)最優(yōu)解和相應(yīng)的總體參數(shù)。沈錫鋼[2]從總體上闡述了大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)總體性能循環(huán)參數(shù)的相互影響關(guān)系,以及要考慮的設(shè)計(jì)、材料和工藝水平限制等因素,以及提高發(fā)動機(jī)總體性能的新途徑和新技術(shù)。K.Philipp等[3]研究了如何確定合適的發(fā)動機(jī)概念設(shè)計(jì)方案的高效優(yōu)化方法,可以同時考慮發(fā)動機(jī)性能參數(shù)和基本的結(jié)構(gòu)尺寸,結(jié)果表明該優(yōu)化方法能夠?qū)⒍嗄繕?biāo)問題簡化為單一目標(biāo)問題來求解,在很大程度上提升了概念設(shè)計(jì)方案確定過程的計(jì)算效率。
齒輪傳動構(gòu)型(GTF),通過在風(fēng)扇和增壓級間增加齒輪減速器,解耦了風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)之間的轉(zhuǎn)速匹配關(guān)系,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以進(jìn)一步降低,低壓渦輪轉(zhuǎn)子可以在較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)提高涵道比,降低耗油率的效果。但是對于齒輪傳動構(gòu)型,存在風(fēng)扇驅(qū)動減速齒輪箱設(shè)計(jì)加工難度大、傳熱潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對復(fù)雜等問題[4-5]。張德志等[6]和李杰[7]分析了GTF發(fā)動機(jī)相對于傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機(jī)在總體結(jié)構(gòu)、低壓部件和滑油系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的新特點(diǎn)和優(yōu)勢。J.Kurzke[8]將GTF構(gòu)型與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)構(gòu)型的不同點(diǎn)進(jìn)行了對比,并針對GTF構(gòu)型方案的設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇、涵道比和總壓比的選取進(jìn)行了理論分析,并明確了GTF構(gòu)型應(yīng)用的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。
間冷回?zé)針?gòu)型(RIA),采用了更為復(fù)雜的先進(jìn)熱力循環(huán)。間冷器和回?zé)崞鞯囊雽?shí)現(xiàn)了整個熱力循環(huán)的優(yōu)化。其循環(huán)特點(diǎn)為:間冷器可以有效降低高壓壓氣機(jī)的進(jìn)口溫度,減小高壓壓氣機(jī)的耗功;回?zé)崞骺梢允惯M(jìn)入燃燒室的工質(zhì)與渦輪排氣進(jìn)行熱交換,提高燃燒室進(jìn)口溫度,實(shí)現(xiàn)余熱能量的回收利用,從而達(dá)到提高循環(huán)熱效率和降低耗油率的目的。該構(gòu)型需要增加高溫?fù)Q熱器,導(dǎo)致總體結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜以及換熱器設(shè)計(jì)困難等一系列問題[9-12]。龔昊等[13-14]通過引入間冷器、回?zé)崞骱烷g冷涵道模型,初步分析了IRA構(gòu)型在減小耗油率方面的優(yōu)勢以及引入新技術(shù)的挑戰(zhàn)。K.Rud等[15]對IRA構(gòu)型發(fā)動機(jī)開展了研究,以低油耗為目標(biāo)計(jì)算了發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)參數(shù),并對換熱器進(jìn)行了設(shè)計(jì),結(jié)果表明IRA構(gòu)型的發(fā)動機(jī)在降低耗油率和排放上優(yōu)勢很大。
本文基于目前可以實(shí)現(xiàn)的部件技術(shù)水平,開展上述三種構(gòu)型的總體參數(shù)研究和性能對比分析,比較三種構(gòu)型的技術(shù)特點(diǎn),以期為我國民用渦扇發(fā)動機(jī)的總體方案選型提供有力支撐。
在國際市場上,大型飛機(jī)發(fā)動機(jī)的研制主要依賴GE、普惠和羅羅三家公司。上述公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)系列化發(fā)展,其推力范圍覆蓋100~500 kN。目前全世界民航市場面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),航空公司需要在運(yùn)營成本方面力求最低化,這對民用航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)提出了更高要求,民用渦扇發(fā)動機(jī)的耗油率發(fā)展趨勢如圖1所示。
圖1 民用渦扇發(fā)動機(jī)耗油率的發(fā)展趨勢示意圖Fig.1 Schematic diagram of SFC developing trend of civil turbofan engine
從圖1可以看出:到2030年民用渦扇發(fā)動機(jī)的耗油率需要比CFM-56的耗油率降低超過20%。為此美國和歐盟制定了一系列的技術(shù)發(fā)展計(jì)劃,旨在提高發(fā)動機(jī)性能和部件效率,降低污染排放、噪聲以及維護(hù)成本。其中包括美國的VAATE計(jì)劃、UEET計(jì)劃,歐洲的ANTLE計(jì)劃、CLEAN計(jì)劃、NEWAC計(jì)劃等,也都取得了階段性的研究成果。
渦扇發(fā)動機(jī)耗油率的優(yōu)化主要通過改善推進(jìn)效率和熱效率兩個方面實(shí)現(xiàn),不同發(fā)動機(jī)公司通過不同的技術(shù)途徑來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。GE公司的GE9X發(fā)動機(jī)為11級高壓壓氣機(jī),高壓壓氣機(jī)壓比27,發(fā)動機(jī)總壓比高達(dá)60,是目前航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域中最高壓比的發(fā)動機(jī)。羅羅公司技術(shù)路線圖表明,其Ultra Fan超級風(fēng)扇發(fā)動機(jī)將采用風(fēng)扇驅(qū)動變速齒輪箱技術(shù),即GTF構(gòu)型,實(shí)現(xiàn)較大的涵道比以及較高的推進(jìn)效率。歐盟第6框架下啟動的NEWAC計(jì)劃由德國MTU牽頭,40多個合作伙伴共同參與,旨在開發(fā)間冷回?zé)嵫h(huán)的構(gòu)型方案,提高發(fā)動機(jī)熱效率,降低耗油率。
本文針對上述三個構(gòu)型的發(fā)動機(jī),開展總體參數(shù)研究。分析計(jì)算過程中,選取同等水平的部件效率,以經(jīng)濟(jì)巡航非安裝狀態(tài)作為總體參數(shù)的設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算和分析。
ATF構(gòu)型發(fā)動機(jī)由風(fēng)扇、增壓級、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高低壓渦輪和內(nèi)外涵噴管等組成,其發(fā)動機(jī)構(gòu)型(如圖2所示)在穩(wěn)定工作時需要實(shí)現(xiàn)流量連續(xù)、功率平衡和轉(zhuǎn)速平衡。
圖2 ATF構(gòu)型示意圖Fig.2 Schematic diagram of ATF configuration
流量平衡:
W2=W23+W13=(1+B)W23
(1)
式中:W2為風(fēng)扇出口流量;W23為增壓級進(jìn)口流量;W13為外涵道進(jìn)口流量;B為涵道比。
高低壓軸功率平衡方程:
LHT×ηH=LHC
(2)
LLT×ηL=LLB+LFan
(3)
式中:LHT為高壓渦輪功率;LLT為低壓渦輪功率;LHC為高壓壓氣機(jī)消耗功;LLB為增壓級消耗功;LFan為風(fēng)扇消耗功;ηH為高壓軸機(jī)械效率;ηL為低壓軸機(jī)械效率。
高低壓軸轉(zhuǎn)速平衡方程:
nHT=nHC
(4)
nLT=nLB=nFan
(5)
式中:nHT為高壓渦輪轉(zhuǎn)速;nLT為低壓渦輪轉(zhuǎn)速;nHC為高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速;nLB為增壓級轉(zhuǎn)速;nFan為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。
在進(jìn)行ATF構(gòu)型總體參數(shù)研究時,設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇為巡航非安裝狀態(tài),且考慮以下限制條件:溫度限制(例如高溫起飛狀態(tài)下壓氣機(jī)出口、高壓渦輪以及低壓渦輪進(jìn)口溫度);氣動參數(shù)限制(例如總壓比、高壓渦輪膨脹比、低壓渦輪膨脹比等)。本文以最大爬升狀態(tài)下總壓比50、高溫起飛狀態(tài)下燃燒室出口溫度1 960 K為限制條件,通過熱力循環(huán)分析計(jì)算,優(yōu)化風(fēng)扇壓比和涵道比,得到ATF構(gòu)型的典型狀態(tài)點(diǎn)各截面主要?dú)鈩訜崃?shù)。為了表征ATF構(gòu)型的技術(shù)特點(diǎn),本文分析耗油率與涵道比的關(guān)系、低壓渦輪膨脹比與涵道比的關(guān)系。變化規(guī)律曲線如圖3~圖4所示。
圖3 ATF構(gòu)型的耗油率變化規(guī)律Fig.3 The changing law of SFC for ATF configuration
圖4 ATF構(gòu)型的低壓渦輪膨脹比變化規(guī)律Fig.4 The changing law of LPT expansion ratio for ATF configuration
從圖3可以看出:隨著涵道比的增加,耗油率逐漸降低。這是由于隨著涵道比的增加,外涵道流量相對增加,在保證推力一定的前提下,推進(jìn)效率增大,總效率提升,耗油率降低。所以增大涵道比是提高發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的有效手段。
從圖4可以看出:隨著涵道比的增加,低壓渦輪膨脹比逐漸增加。涵道比增加,意味著內(nèi)涵的流量減少,為了保證核心機(jī)做功能力,需要提高渦輪前溫度,從而導(dǎo)致高低壓渦輪膨脹比重新匹配,低壓渦輪的膨脹比隨著涵道比的增大而增加。低壓渦輪膨脹比的增加會導(dǎo)致低壓渦輪所需級數(shù)的增加,這同時也會增加發(fā)動機(jī)整機(jī)長度和重量。
對于ATF構(gòu)型,涵道比的增大受限于渦輪前溫度和低壓渦輪膨脹比。例如低壓渦輪的膨脹比超過7,低于六級的低壓渦輪設(shè)計(jì)非常困難,且重量增加很多。所以ATF構(gòu)型的涵道比很難超過12。
GTF構(gòu)型與ATF構(gòu)型相比,低壓渦輪的轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速不同,而是通過減速器的減速比相關(guān)聯(lián),其構(gòu)型如圖5所示。
圖5 GTF構(gòu)型示意圖Fig.5 Schematic diagram of GTF configuration
低壓軸轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的平衡方程如下:
nLT=nLB=εnFan
(6)
式中:ε為風(fēng)扇驅(qū)動齒輪箱的傳動比。
為了便于比較,GTF構(gòu)型的限制條件與ATF構(gòu)型的限制條件相同。熱力學(xué)分析計(jì)算給出其主要參數(shù)。分析GTF構(gòu)型涵道比與耗油率、涵道比與低壓渦輪膨脹比的關(guān)系,如圖6~圖7所示。
圖6 GTF構(gòu)型的耗油率變化規(guī)律Fig.6 The changing law of SFC for GTF configuration
圖7 GTF構(gòu)型的低壓渦輪膨脹比變化規(guī)律Fig.7 The changing law of LPT expansion ratio for GTF configuration
從圖6~圖7可以看出:GTF構(gòu)型與ATF構(gòu)型的變化規(guī)律相同,隨著涵道比的增加,耗油率逐漸降低,低壓渦輪膨脹比隨著涵道比的增大而增加。原因是GTF和ATF兩個構(gòu)型的熱力學(xué)循環(huán)過程是完全相同的,所以這些表征其構(gòu)型特點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律相似。
GTF構(gòu)型中風(fēng)扇驅(qū)動減速齒輪箱改變了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系,使風(fēng)扇在較低的轉(zhuǎn)速下工作,低壓渦輪在相對高的轉(zhuǎn)速下工作。低壓渦輪載荷系數(shù)提高,級數(shù)降低,發(fā)動機(jī)重量相應(yīng)降低。例如PW公司的PW1000G發(fā)動機(jī),低壓渦輪的膨脹比約為7,但是低壓渦輪的級數(shù)只有3級。因此對于GTF構(gòu)型的發(fā)動機(jī)涵道比可以超過12,從而得到更低的耗油率。
IRA構(gòu)型在低壓壓氣機(jī)(或者增壓級)與高壓壓氣機(jī)間增加了換熱器,在渦輪和燃燒室間增加了回?zé)崞?,所以需要考慮高低壓壓氣機(jī)壓比分配的問題,其構(gòu)型如圖8所示。還需要考慮換熱器的換熱效率、總壓恢復(fù)系數(shù)以及外涵間冷氣量比例等參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響。間冷器和回?zé)崞鲄?shù)可以根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)的設(shè)計(jì)和制造水平來初步確定,而壓比分配和冷卻氣量比例需要進(jìn)行參數(shù)研究。
圖8 IRA構(gòu)型示意圖Fig.8 Schematic diagram of ATF configuration
高低壓壓氣機(jī)壓比分配定義為
x=πcmp/πbooster
(7)
式中:x為壓比分配;πcmp為高壓壓氣機(jī)壓比;πbooster為風(fēng)扇內(nèi)涵/增壓級壓比。
換熱器效率的定義為
式中:ηex為換熱器效率,對于間冷器和回?zé)崞骶m用;Tin為換熱器進(jìn)口溫度;Tout為換熱器出口溫度;Tcoolant為冷卻介質(zhì)溫度。換熱器效率采用目前換熱器較高水平的換熱效率值:80%。
冷卻氣量分配比例定義為:間冷器的用氣量與外涵道流量的比值。
間冷器換熱效率、冷熱端總壓恢復(fù)系數(shù)以及冷卻氣量的比例會影響到壓氣機(jī)進(jìn)口的總壓和總溫,進(jìn)而影響壓氣機(jī)耗功,因此在進(jìn)行壓氣機(jī)壓比和風(fēng)扇內(nèi)涵壓比參數(shù)研究時,需要對冷卻氣量比例進(jìn)行綜合考慮,相應(yīng)計(jì)算得到不同冷卻氣量比例下高低壓壓比分配與耗油率、高壓渦輪膨脹比和低壓渦輪膨脹比的對應(yīng)關(guān)系,如圖9~圖11所示。
圖9 不同冷卻氣量比例下壓比分配與耗油率的對應(yīng)關(guān)系Fig.9 Corresponding relationship between pressure ratio split and SFC
圖10 壓比分配與低壓渦輪膨脹比的對應(yīng)關(guān)系Fig.10 Corresponding relationship between pressure ratio split and LPT expansion ratio
圖11 壓比分配與高壓渦輪膨脹比的對應(yīng)關(guān)系Fig.11 Corresponding relationship between pressure ratio split and HPT expansion ratio
從圖9可以看出:基于相同的總壓比、渦輪前溫度和涵道比水平,當(dāng)冷卻氣量比例為6%時設(shè)計(jì)點(diǎn)的耗油率取得最低值,當(dāng)冷卻氣量比例從7%增加到10%時,耗油率會有所增加,但高低壓渦輪膨脹比基本保持不變(從圖11可以看出),根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取設(shè)計(jì)點(diǎn)工況的冷卻氣量比例為6%。
在確定冷卻氣量比例的基礎(chǔ)上,分析不同壓比分配對高低壓渦輪膨脹比的影響規(guī)律。從圖10~圖11可以看出:隨著壓氣機(jī)壓比分配的減小,低壓渦輪膨脹比逐漸增加,高壓渦輪膨脹比逐漸減小。壓比分配過小會導(dǎo)致低壓渦輪膨脹比過高,而高壓渦輪膨脹比較小。壓比分配過大,風(fēng)扇/內(nèi)涵增壓級出口溫度較低,間冷器冷卻作用不明顯。從圖9~圖11可以得出:基于相同的總壓比、渦輪前溫度和涵道比水平,考慮到高低壓渦輪膨脹比的合理性,同時兼顧考慮耗油率,當(dāng)冷卻氣量比例為6%時,高低壓壓比分配為1.43時為最佳壓比分配。
在確定壓比分配和風(fēng)扇外涵冷卻氣量之后,進(jìn)行IRA構(gòu)型的總體參數(shù)研究,其結(jié)果如圖12所示。為了保證回?zé)崞鞒浞职l(fā)揮換熱作用,因此IRA構(gòu)型的總壓比水平相對較低,因此一般不會達(dá)到高壓壓氣機(jī)出口總溫限制。最終得到IRA構(gòu)型方案在設(shè)計(jì)點(diǎn)的總壓比為23,涵道比為16.2,燃燒室出口溫度為1 678 K,該總體參數(shù)在設(shè)計(jì)點(diǎn)的油耗率為0.456 kg/(kgf·h)。
圖12 IRA構(gòu)型的總體參數(shù)選取結(jié)果Fig.12 Overall parameters Selection for IRA configuration
基于上述不同構(gòu)型總體參數(shù)研究方法,得到設(shè)計(jì)點(diǎn)工況的總體參數(shù),如表1~表2所示。
表1 不同構(gòu)型設(shè)計(jì)點(diǎn)(巡航)總體參數(shù)對比Table 1 Comparison of overall parameters for different configurations at design point(Cruise)
表2 不同構(gòu)型的性能參數(shù)對比Table 2 Comparison of performance parameters for different configurations
從表1~表2可以看出:
(1) 在一定的限定條件下和推力要求下,受到低壓渦輪膨脹比的限制,ATF構(gòu)型的涵道比很難突破12以上,其涵道比最??;GTF構(gòu)型涵道比ATF構(gòu)型大,可以達(dá)到15左右;IRA構(gòu)型由于采用了復(fù)雜循環(huán),涵道比可以更大,耗油率水平最優(yōu)。
(2) 在各典型工況點(diǎn)推力水平一致的前提下,保持設(shè)計(jì)點(diǎn)各部件效率水平相當(dāng),GTF構(gòu)型方案的巡航非安裝耗油率比ATF構(gòu)型方案降低了2.5%;IRA構(gòu)型方案的巡航非安裝耗油率與ATF構(gòu)型相比降低了11.97%,與GTF構(gòu)型相比降低了9.7%。
(3) GTF構(gòu)型方案在最大爬升狀態(tài)下的高壓壓氣機(jī)壓比相比于ATF構(gòu)型減小了4,核心機(jī)進(jìn)口換算流量減小了12.6 kg/s。IAR構(gòu)型方案可以在較低的總壓比下獲得更大的涵道比。
在發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,GTF構(gòu)型由于減速齒輪箱的引入,低壓軸轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提升,使得風(fēng)扇內(nèi)涵/增壓級級數(shù)與ATF構(gòu)型相比從4減小到3,高壓壓氣機(jī)級數(shù)從10減小到9。渦輪構(gòu)型方面,高壓渦輪級數(shù)與ATF構(gòu)型相同,低壓渦輪級數(shù)可以從7減小到4,從而進(jìn)一步縮短整機(jī)長度。RA構(gòu)型發(fā)動機(jī)使用間冷回?zé)峒夹g(shù),采用了更為復(fù)雜的熱力循環(huán),更加有效的使用熱量;同時如果結(jié)合提高渦輪前溫度,可以獲得更大的涵道比,所以該構(gòu)型耗油率較ATF和GTF構(gòu)型更低。所以RIA構(gòu)型低油耗特性是通過使用間冷回?zé)峒夹g(shù),結(jié)合涵道比和渦輪前溫度的增加來實(shí)現(xiàn)。因此在相同的推力要求下,IRA構(gòu)型的涵道比將必然會超過現(xiàn)役所有渦扇發(fā)動機(jī),三個構(gòu)型的各部件構(gòu)型參數(shù)如表3所示。
表3 ATF、GTF和IRA的部件級數(shù)對比Table 3 Comparison of component stage for different configurations
IRA構(gòu)型通過間冷器和回?zé)崞鞯挠行б惑w化布局,其尺寸相對于相同推力級的渦扇發(fā)動機(jī),增大程度有望控制在可接受范圍內(nèi)。由于總壓比需求相對較低,可以考慮4級低壓壓氣機(jī)(增壓級)和6級高壓壓氣機(jī)的方案。相應(yīng)的渦輪負(fù)荷降低,渦輪方案可以考慮1級高壓渦輪和4~5級低壓渦輪的方案。從而縮短了核心機(jī)和整機(jī)的長度,將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度轉(zhuǎn)移到未來輕質(zhì)、緊湊、高效換熱的間冷器和回?zé)崞髟O(shè)計(jì)方面。
(1) 與ATF方案相比,GTF構(gòu)型方案的巡航非安裝耗油率降低了2.5%;GTF構(gòu)型方案在最大爬升狀態(tài)下的核心機(jī)進(jìn)口換算流量相比于ATF構(gòu)型減小了12.6 kg/s。
(2) IRA構(gòu)型方案的巡航非安裝耗油率與ATF構(gòu)型相比降低了11.97%,與GTF構(gòu)型相比降低了9.7%。該收益主要來源于涵道比的增加、間冷器和回?zé)崞鞯膽?yīng)用。
(3) 相比于ATF構(gòu)型,GTF構(gòu)型和IRA構(gòu)型的高壓壓氣機(jī)和高壓渦輪級數(shù)均有所減少,有效縮短了核心機(jī)長度,也降低了高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)難度。但是對于GTF構(gòu)型,增大了齒輪箱的設(shè)計(jì)難度和整機(jī)結(jié)構(gòu)及整機(jī)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)難度。對于IRA構(gòu)型,增加了高溫?fù)Q熱器的設(shè)計(jì)難度和整機(jī)布局的困難。