張少鋒，陳玉春，李夏鑫，陳敏澤

(西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710129)

0 引 言

核心機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)上的高壓系統(tǒng)，是各類航空發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵也是最難解決的技術(shù)之一，其技術(shù)水平的高低基本決定了整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性的優(yōu)劣[1]。

20世紀(jì)60～70年代，國外就非常重視核心機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，并獲得巨大的成功。在中小型核心機(jī)(換算流量不大于15 kg/s)方面，美國GE公司以T64核心機(jī)派生發(fā)展了T64-GE-100渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、CT64-820-4渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和CF34渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)系列；艾利遜公司以T406的核心機(jī)成功派生發(fā)展了T406系列的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、AE3007H渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)以及AE2100J渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)[2-3]。江和甫等[4]、黃順洲等[5]對(duì)核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)的方法以及系列化發(fā)展型譜規(guī)劃進(jìn)行了研究；尹澤勇等[1]介紹了核心機(jī)技術(shù)的必要性、優(yōu)點(diǎn)以及技術(shù)特點(diǎn)；唐海龍等[6-7]對(duì)已有核心機(jī)進(jìn)行派生發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了初步研究；李剛團(tuán)等[8]對(duì)5 kg/s流量的核心機(jī)進(jìn)行了10 kN推力中等涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)派生研究。但是，上述研究未涉及中小型核心機(jī)的派生發(fā)展。目前中小型核心機(jī)派生的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可以作為無人機(jī)、通用飛機(jī)、民用支線客機(jī)等的動(dòng)力，用途越來越廣泛，非常有必要進(jìn)行中小型核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究。

本文以核心機(jī)各部件的共同工作約束和部件的高低壓匹配機(jī)理為基礎(chǔ)，研究核心機(jī)幾何面積不可調(diào)與核心機(jī)幾何可調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的選取對(duì)核心機(jī)特征參數(shù)的影響，開發(fā)基于核心機(jī)派生的發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能計(jì)算模型和尺寸質(zhì)量計(jì)算模型，以某一先進(jìn)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的中小流量核心機(jī)派生大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，研究不同的低壓系統(tǒng)和涵道比對(duì)派生發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的影響，為中小核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究提供有益的技術(shù)支撐。

1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

1.1 核心機(jī)各部件共同工作約束

對(duì)于一個(gè)先進(jìn)成熟的核心機(jī)，搭配不同的低壓系統(tǒng)進(jìn)行派生發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)核心機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)行匹配定位[8-9]。核心機(jī)工作點(diǎn)主要指的是核心機(jī)壓氣機(jī)特性圖上換算轉(zhuǎn)速、換算流量、增壓比和等熵效率的具體值，核心機(jī)工作點(diǎn)的匹配定位對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能計(jì)算非常重要，可以在不同的工作線以及不同的換算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行選擇。

根據(jù)核心機(jī)渦輪導(dǎo)向器超臨界工作流通能力不變以及渦輪與壓氣機(jī)流量平衡的約束[8-9]，得到：

(1)

式中：πch為核心機(jī)壓氣機(jī)增壓比；Tt4為核心機(jī)渦輪進(jìn)口溫度；Tt23為核心機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口溫度；Wacor23為核心機(jī)的換算流量；C1是由核心機(jī)幾何決定的常數(shù)。

根據(jù)核心機(jī)壓氣機(jī)與渦輪匹配工作功率平衡的約束[8-10]，得到：

(2)

式中：ηch為核心機(jī)壓氣機(jī)等熵效率；πth為核心機(jī)渦輪的膨脹比；ηth為核心機(jī)渦輪等熵效率；k為氣體的絕熱指數(shù)；kg為燃?xì)獾慕^熱指數(shù)。

派生發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)部件的共同工作方程必須同時(shí)滿足核心機(jī)壓氣機(jī)與渦輪的流量平衡和功率平衡的約束，將兩式合并并消去Tt4/Tt23，得到：

(3)

核心機(jī)幾何不可調(diào)(核心機(jī)渦輪進(jìn)出口面積固定)以及核心機(jī)渦輪進(jìn)出口處于臨界或超臨界狀態(tài)下的核心機(jī)共同工作方程如式(3)所示，C2是由核心機(jī)幾何決定的常數(shù)。

1.2 核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)的高低壓部件匹配

在1.1節(jié)中，從核心機(jī)各部件共同約束闡述了核心機(jī)的工作線和工作點(diǎn)以及核心機(jī)特性參數(shù)受核心機(jī)幾何面積的影響。在此基礎(chǔ)上，研究核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓部件匹配關(guān)系。

在核心機(jī)派生發(fā)展匹配低壓系統(tǒng)的時(shí)候，核心機(jī)的入口氣流的總溫和總壓是由低壓壓縮系統(tǒng)出口參數(shù)確定的，低壓系統(tǒng)內(nèi)涵的物理流量應(yīng)當(dāng)與核心機(jī)的匹配工作點(diǎn)的物理流量連續(xù)，這是核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)低壓壓氣機(jī)和核心機(jī)的基本約束關(guān)系。此外，在1.1節(jié)中核心機(jī)部件共同工作約束的研究中，還表明核心機(jī)的特性參數(shù)增溫比Tt4/Tt23、增壓比、和流通能力這些核心機(jī)匹配工作點(diǎn)參數(shù)相互之間存在約束?；谶@種核心機(jī)特性參數(shù)之間的內(nèi)在制約關(guān)系以及低壓壓氣機(jī)與核心機(jī)的高低壓匹配約束關(guān)系，核心機(jī)的工作參數(shù)(核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速、物理流量、渦輪前溫度等)都受到核心匹配工作點(diǎn)以及低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的共同影響，下面具體對(duì)此進(jìn)行闡述。

1.2.1 核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速受匹配點(diǎn)及低壓壓縮系統(tǒng)的影響

核心機(jī)的物理轉(zhuǎn)速是與派生發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性關(guān)系最緊密的參數(shù)之一，因此首先討論該參數(shù)受核心機(jī)匹配點(diǎn)以及低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)共同的影響。在核心機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配設(shè)計(jì)時(shí)考慮核心機(jī)氣動(dòng)負(fù)荷、強(qiáng)度負(fù)荷等因素，如果核心機(jī)壓氣機(jī)匹配換算轉(zhuǎn)速和工作點(diǎn)確定，那么核心機(jī)的物理轉(zhuǎn)速就與低壓系統(tǒng)的增壓比、等熵效率等參數(shù)直接相關(guān)。這是由式(4)和式(5)決定的：

(4)

(5)

式中：nc為核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速；nccor為核心機(jī)換算轉(zhuǎn)速；Tt2為低壓壓縮部件的進(jìn)口溫度；πcl和ηcl分別為低壓壓縮部件的增壓比和等熵效率。

聯(lián)立式(4)和式(5)，可得：

(6)

由式(6)可知，在特性圖上確定了核心機(jī)的換算轉(zhuǎn)速和工作點(diǎn)，那么核心機(jī)匹配設(shè)計(jì)點(diǎn)的物理轉(zhuǎn)速隨低壓系統(tǒng)增壓比(等熵效率設(shè)為定值)的增加而呈遞增趨勢；同樣，如果選擇了核心機(jī)的物理轉(zhuǎn)速保持不變，那么核心機(jī)的換算轉(zhuǎn)速隨低壓系統(tǒng)增壓比的增加而呈遞減趨勢。

1.2.2 核心機(jī)物理流量受匹配點(diǎn)及低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

在流量連續(xù)的約束下，派生發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵流量與核心機(jī)匹配點(diǎn)的物理流量是相等的。此外，如果確定了派生渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比，那么在高低壓匹配約束下所確定的內(nèi)涵物理流量最終將決定發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)物理流量，進(jìn)而影響派生發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)匹配、整機(jī)性能、尺寸與質(zhì)量。

核心機(jī)物理流量是匹配工作點(diǎn)換算流量與核心機(jī)進(jìn)口總溫、總壓的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系如下：

(7)

式中：Wa23為核心機(jī)進(jìn)口物理流量；Pt23為核心機(jī)進(jìn)口總壓。

核心機(jī)進(jìn)口總溫的計(jì)算公式如式(5)所示，核心機(jī)進(jìn)口總壓的計(jì)算公式為

Pt23=Pt2πc1

(8)

聯(lián)立式(5)、式(7)和式(8)，可以得到匹配點(diǎn)的核心機(jī)物理流量表達(dá)式為

(9)

由式(9)可以看出，如果確定了核心機(jī)壓氣機(jī)匹配工作點(diǎn)(Wacor23固定)，那么核心機(jī)的物理流量就是低壓壓氣機(jī)的增壓比和等熵效率的函數(shù)，在低壓壓氣機(jī)等熵效率不變的情況下，核心機(jī)物理流量僅與低壓壓氣機(jī)增壓比相關(guān)。

1.2.3 核心機(jī)渦輪前溫度受匹配點(diǎn)及低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)共同的影響

核心機(jī)渦輪前溫度的高低與派生發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件(渦輪葉片)壽命和可靠性緊密相關(guān)，因此，研究核心機(jī)渦輪前溫度受匹配點(diǎn)及低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)共同的影響具有十分重要的意義。

由核心機(jī)共同工作下的流量平衡約束關(guān)系式和核心機(jī)進(jìn)口溫度關(guān)系式(5)聯(lián)立，可得：

(10)

由式(10)可以看出，在核心機(jī)渦輪導(dǎo)向器喉道面積固定的條件下，如果選擇了核心機(jī)匹配工作點(diǎn)的位置(πch、Wacor23固定)，那么核心機(jī)的渦輪前溫度就是低壓壓氣機(jī)增壓比壓比和等熵效率的函數(shù)。

1.3 核心機(jī)工作點(diǎn)的選取

在1.1節(jié)和1.2節(jié)中主要闡述了核心機(jī)的共同工作方程以及核心機(jī)的特性參數(shù)受低壓壓縮部件的影響和制約，并沒有對(duì)核心機(jī)的匹配工作點(diǎn)的選擇進(jìn)行討論。在具體的核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，核心機(jī)的工作點(diǎn)會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能需求的改變而變化，所以有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配工作點(diǎn)選取進(jìn)行分析。核心機(jī)匹配工作點(diǎn)的選取主要包括兩個(gè)方面：一是核心機(jī)幾何面積不可調(diào)下的工作點(diǎn)選??；二是核心機(jī)幾何面積可調(diào)下的工作點(diǎn)選取。

1.3.1 幾何面積不可調(diào)的工作點(diǎn)選取

核心機(jī)的幾何面積不可調(diào)，是指核心機(jī)的渦輪導(dǎo)向器喉道面積和核心機(jī)出口喉道面積(這里指低壓渦輪導(dǎo)向器)不可調(diào)。

由式(1)的核心機(jī)部件流量平衡關(guān)系式可以看出，核心機(jī)幾何面積不可調(diào)，那么核心機(jī)的工作點(diǎn)只能沿著固定的共同工作線移動(dòng)，因此只有一個(gè)自由度。一般來說，核心機(jī)換算轉(zhuǎn)速已知，那么核心機(jī)的換算流量、增壓比和等熵效率就確定了。在單個(gè)變量的變化下，核心機(jī)匹配工作點(diǎn)沿一條固定的工作線移動(dòng)。如果核心機(jī)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的比較好(這里指壓氣機(jī)特性)，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)在這條固定的工作線上工作，但是可以保證工作點(diǎn)的等熵效率處在較高的水平，并且可以保持一定的喘振裕度。

在低壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)一定的情況下，核心機(jī)匹配工作點(diǎn)的選擇只跟核心機(jī)的物理轉(zhuǎn)速有關(guān)，下面討論核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)其他參數(shù)的影響。

(1) 核心機(jī)換算轉(zhuǎn)速、增壓比和換算流量受核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速的影響

由式(6)得到核心機(jī)換算轉(zhuǎn)速和物理轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(11)

在低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速提高，核心機(jī)換算轉(zhuǎn)速提高；相反，核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速降低，核心機(jī)換算轉(zhuǎn)速降低。在發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)幾何面積不可調(diào)時(shí)，核心機(jī)沿著固定的共同工作線工作。提高核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速，核心機(jī)的換算轉(zhuǎn)速、增壓比和換算流量也會(huì)提高，在核心機(jī)等熵效率變化不大的情況下，核心機(jī)做功能力加強(qiáng)，但是物理轉(zhuǎn)速增加會(huì)使核心機(jī)的氣動(dòng)負(fù)荷和強(qiáng)度負(fù)荷升高。

(2) 核心機(jī)物理流量受核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速的影響

由式(9)可知，在低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)確定的情況下，核心機(jī)的物理流量只與換算流量有關(guān)，通過上面敘述可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)的換算流量受物理轉(zhuǎn)速的影響，也就是說換算流量是物理轉(zhuǎn)速的函數(shù)，即Wacor23=f(nc)，故有：

(12)

(3) 核心機(jī)渦輪前溫度受核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速的影響

由式(10)可以看出，在低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)確定的情況下，核心機(jī)渦輪前溫度與核心機(jī)增壓比和換算流量有關(guān)，而在核心機(jī)幾何面積不可調(diào)時(shí)，核心機(jī)增壓比和換算流量都是核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速的函數(shù)，即g(πch,Wacor23)=g(nc)，故有：

(13)

由式(13)可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口參數(shù)和低壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)確定的時(shí)候，核心機(jī)渦輪前溫度也是核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速的函數(shù)。

核心機(jī)壓氣機(jī)的換算轉(zhuǎn)速、換算流量以及核心機(jī)渦輪前溫度等特性參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能影響很大，這幾個(gè)特性參數(shù)與核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速有關(guān)，而核心機(jī)的物理轉(zhuǎn)速與核心機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性以及壽命關(guān)系密切。所以在發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)的時(shí)候，既要兼顧核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能，又要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性。

1.3.2 幾何面積可調(diào)的工作點(diǎn)選取

核心機(jī)幾何面積可調(diào)，指的是高壓渦輪導(dǎo)向器喉道面積可調(diào)和高壓渦輪出口喉道面積可調(diào)。在一般情況下，高壓渦輪出口喉道面積比較容易調(diào)節(jié)，因?yàn)樵谄ヅ洳煌牡蛪合到y(tǒng)時(shí)，需要對(duì)低壓系統(tǒng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，來滿足低壓系統(tǒng)的功率平衡和高壓渦輪出口相應(yīng)的流量平衡，所以本文研究的核心機(jī)幾何面積可調(diào)指的就是核心機(jī)高壓渦輪出口喉道面積可調(diào)。例如，以一個(gè)成熟的中小型渦扇發(fā)動(dòng)的核心機(jī)進(jìn)行派生渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，核心機(jī)幾何面積不可調(diào)的情況下，核心機(jī)渦輪前溫度較低，不能發(fā)揮它的溫度負(fù)荷，所以通過改變一個(gè)成熟的核心機(jī)的幾何面積來發(fā)揮它的溫度負(fù)荷，獲得更大的功率輸出。

為了發(fā)揮核心機(jī)的溫度負(fù)荷，由式(10)可以看出，在C1變化不大的情況下就希望增加πch/Wacor23來提高渦輪前溫度。在核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速允許的情況下通過提高物理轉(zhuǎn)速來提高換算轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)沿工作線上移來提高渦輪前溫度。當(dāng)物理轉(zhuǎn)速受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性限制時(shí)，在核心機(jī)換算轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，增加πch/Wacor23的有效途徑就是將核心機(jī)的工作線和工作點(diǎn)往喘振邊界移動(dòng)，采取這種方法可以提高核心機(jī)的增壓比πch，并降低核心機(jī)的換算流量Wacor23，使渦輪前溫度提高。雖然核心機(jī)的物理流量會(huì)因工作線的上移有減小的趨勢，對(duì)核心機(jī)的做功帶來不好的影響，但是派生發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)一般都放在高換算轉(zhuǎn)速區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)工作線和工作點(diǎn)上移，一般核心機(jī)換算流量不會(huì)變化太大。

通過核心機(jī)幾何面積不可調(diào)和核心機(jī)幾何面積可調(diào)分析可知，在幾何面積不可調(diào)時(shí)，核心機(jī)的工作線和工作點(diǎn)的選擇自由度只有一個(gè)，只要核心機(jī)的物理轉(zhuǎn)速和核心機(jī)進(jìn)口總溫確定，即核心機(jī)的換算轉(zhuǎn)速確定，則核心機(jī)的增壓比、換算流量以及增溫比都確定了，這樣的派生發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)有可能不能充分發(fā)揮核心機(jī)的溫度負(fù)荷和強(qiáng)度負(fù)荷，不能產(chǎn)生更多的推力或功率。當(dāng)核心機(jī)出口喉道面積可以改變時(shí)，可以為派生發(fā)動(dòng)機(jī)的工作線和工作點(diǎn)的選擇增加一個(gè)自由度，可以使工作點(diǎn)不在固定的工作線上，核心機(jī)的增壓比和換算流量可以自由選擇。

1.4 核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)的具體計(jì)算流程

基于成熟的核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)，具體的計(jì)算步驟如下：

(1) 建立核心機(jī)特性計(jì)算模型，完成核心機(jī)特性參數(shù)的獲取

在核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)中，開發(fā)核心機(jī)特性計(jì)算模型，利用該模型求解出核心機(jī)的特性參數(shù)。核心機(jī)的特性參數(shù)有核心機(jī)壓氣機(jī)的換算轉(zhuǎn)速、增壓比、換算流量、等熵效率以及渦輪前溫度。在核心機(jī)幾何面積不可調(diào)時(shí)，五個(gè)特性參數(shù)只要已知一個(gè)參數(shù)，其余四個(gè)參數(shù)就可以確定，一般是核心機(jī)換算轉(zhuǎn)速已知。在核心機(jī)幾何面積可調(diào)時(shí)，五個(gè)參數(shù)只要已知兩個(gè)參數(shù)，其余三個(gè)參數(shù)才可以確定，一般是核心機(jī)換算轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度已知，然后利用渦輪的流通能力，計(jì)算出換算流量，然后在計(jì)算出增壓比和等熵效率。

(2) 根據(jù)派生發(fā)動(dòng)機(jī)的類型選擇低壓系統(tǒng)，確定核心機(jī)共同工作點(diǎn)

在核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)匹配低壓系統(tǒng)時(shí)，首先要確定低壓壓縮系統(tǒng)的增壓比和等熵效率，進(jìn)而求得核心機(jī)進(jìn)口的總溫和總壓，然后按照步驟(1)中的核心機(jī)特性計(jì)算模型，確定出核心機(jī)共同工作點(diǎn)，求出核心機(jī)的換算轉(zhuǎn)速、換算流量、增壓比、等熵效率以及渦輪前溫度。

(3) 派生發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓系統(tǒng)和整機(jī)的匹配以及整機(jī)的性能計(jì)算

在核心機(jī)工作點(diǎn)確定之后，由核心機(jī)的特性參數(shù)以及核心機(jī)的進(jìn)口參數(shù)，求解核心機(jī)壓氣機(jī)的出口參數(shù)?；诔墒旌诵臋C(jī)的派生發(fā)展，一般渦輪前溫度不變，這樣就能發(fā)揮最大的熱負(fù)荷，可以獲取更大的推力或輸出功率。根據(jù)核心機(jī)壓氣機(jī)與渦輪的功率平衡，求解核心機(jī)渦輪出口的氣動(dòng)參數(shù)。在派生渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，對(duì)于不帶增壓級(jí)的分排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，只要選擇了涵道比，然后根據(jù)風(fēng)扇和低壓渦輪的功率平衡，就可以確定整機(jī)循環(huán)參數(shù)。所有的循環(huán)參數(shù)確定之后，完成對(duì)派生發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)匹配以及整機(jī)性能[10-11]的計(jì)算。

(4) 發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與質(zhì)量計(jì)算

根據(jù)已計(jì)算出的派生發(fā)動(dòng)機(jī)性能方案，對(duì)派生發(fā)動(dòng)機(jī)的逐個(gè)部件進(jìn)行尺寸與質(zhì)量計(jì)算[12-14]。發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算方法為：根據(jù)派生發(fā)動(dòng)機(jī)其設(shè)計(jì)狀態(tài)下各截面的氣動(dòng)熱力學(xué)參數(shù)，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及材料等參數(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行尺寸與質(zhì)量計(jì)算，最終得出派生發(fā)動(dòng)機(jī)各部件氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及尺寸與質(zhì)量參數(shù)。

2 算例與分析

本文基于先進(jìn)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)匹配一級(jí)風(fēng)扇派生大涵道比分排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是由3級(jí)軸流壓氣機(jī)加1級(jí)離心壓氣機(jī)的組合壓氣機(jī)、回流燃燒室、2級(jí)燃?xì)鉁u輪、2級(jí)自由渦輪以及尾噴管組成。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能參數(shù)如表1所示，其中總體參數(shù)包括單位功率Ps、耗油率SFC、功重比P/W、功率P；循環(huán)參數(shù)包括壓氣機(jī)增壓比πC、渦輪前溫度T4、冷氣量百分比Pcblc；部件參數(shù)包括壓氣機(jī)效率ηC、燃?xì)鉁u輪效率ηGT、自由渦輪效率ηFT。

表1 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能參數(shù)Table 1 Overall performance parameters of turboshaft engine

應(yīng)用開發(fā)的核心機(jī)派生發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算程序，基于軸離組合壓氣機(jī)的核心機(jī)匹配一級(jí)風(fēng)扇派生大涵道比分排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究分析，其示意圖如圖1所示。

圖1 大涵道比分排渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖Fig.1 Diagram of large bypass turbofan engine

2.1 核心機(jī)幾何面積不可調(diào)的派生發(fā)動(dòng)機(jī)分析

在核心機(jī)幾何面積不可調(diào)的情況下，核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速不變，增加風(fēng)扇增壓比，假定風(fēng)扇的等熵效率變化不大，設(shè)計(jì)點(diǎn)在地面(H=1 m，Ma=0)，幾何面積不可調(diào)核心機(jī)參數(shù)隨風(fēng)扇增壓比的變化如圖2所示。核心機(jī)的換算轉(zhuǎn)速、增壓比以及換算流量會(huì)隨風(fēng)扇增壓比的增加而減小如圖2中的(a)、(b)、(c)所示；核心機(jī)的進(jìn)口物理流量和渦輪前溫度會(huì)隨風(fēng)扇增壓比的增加而升高，如圖2中的(d)和(e)所示，以上這幾個(gè)參數(shù)與涵道比的選取無關(guān)。

在核心機(jī)幾何面積不可調(diào)的情況下，核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速保持不變，當(dāng)風(fēng)扇增壓比增加時(shí)，派生發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)推力隨風(fēng)扇增壓比的增加而增加，且推力的變化趨勢和涵道RBP比有關(guān)，涵道比越大，派生發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)推力上升的越快，如圖3所示。

(a) 換算轉(zhuǎn)速變化

(b) 增壓比變化

(c) 換算流量變化

(d) 物理流量變化

(e) 渦輪前溫度變化圖2 幾何面積不可調(diào)核心機(jī)參數(shù)隨風(fēng)扇增壓比的變化Fig.2 Variation between core engine parameters and fan’s pressure ratio in non-variable geometric area

圖3 推力隨風(fēng)扇增壓比的變化Fig.3 Variation between thrust and fan’s pressure ratio

在核心機(jī)幾何面積不可調(diào)的情況下，由于整機(jī)推力不僅與風(fēng)扇增壓比有關(guān)，而且與涵道比有關(guān)，所以耗油率的變化趨勢也與兩者有關(guān)，如圖4所示。

在相同的風(fēng)扇增壓比下，耗油率一般會(huì)隨涵道比的增加而減小。在風(fēng)扇增壓比較小時(shí)，所派生的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)總增壓比較小，外涵排氣速度和推力較低，派生的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率較高，不能發(fā)揮低耗油率的優(yōu)勢。在風(fēng)扇增壓比較高時(shí)，隨著涵道比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率逐漸減小，且隨著風(fēng)扇增壓比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率減小的速率也要小一些。由圖4也可以看出，在涵道比等于6.0時(shí)，隨著風(fēng)扇增壓比的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率先減小后增加，這是因?yàn)榇笥谧罱?jīng)濟(jì)涵道比后，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)耗油率增加。

上面的算例是在核心機(jī)幾何面積不可調(diào)的情況下，核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速不變即核心機(jī)的機(jī)械負(fù)荷不變，核心機(jī)發(fā)揮了最大的機(jī)械負(fù)荷，但是此時(shí)核心機(jī)渦輪前溫度就會(huì)超過核心機(jī)的最高溫度(這里指材料和引氣量不變)，如圖2中的(e)所示。這也說明了核心機(jī)幾何面積不可調(diào)時(shí)，核心機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷不能同時(shí)被利用到最大。只能通過降低機(jī)械負(fù)荷，也就是降低核心機(jī)的物理轉(zhuǎn)速，才能發(fā)揮最大的熱負(fù)荷。發(fā)揮核心機(jī)最大機(jī)械負(fù)荷和發(fā)揮最大熱負(fù)荷時(shí)核心機(jī)的換算轉(zhuǎn)速、增壓比以及換算流量的對(duì)比如圖5所示。

(a) 換算轉(zhuǎn)速對(duì)比

(b) 增壓比對(duì)比

(c) 換算流量對(duì)比圖5 發(fā)揮最大機(jī)械負(fù)荷和發(fā)揮最大熱負(fù)荷特征參數(shù)的對(duì)比Fig.5 Comparison of parameters between maximum mechanical load and maximum thermal load

2.2 核心機(jī)幾何面積可調(diào)的派生發(fā)動(dòng)機(jī)分析

由2.1節(jié)中可知，在核心機(jī)幾何面積不可調(diào)的情況下，核心機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷不能同時(shí)發(fā)揮，發(fā)揮最大的機(jī)械負(fù)荷，熱負(fù)荷就會(huì)超限，發(fā)揮最大的熱負(fù)荷，機(jī)械負(fù)荷就有些浪費(fèi)，不能充分發(fā)揮核心機(jī)的做功能力，那么只有通過核心機(jī)幾何面積可調(diào)，才能同時(shí)發(fā)揮核心機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。

風(fēng)扇的特征參數(shù)一定時(shí)，核心機(jī)物理轉(zhuǎn)速不變，核心機(jī)的換算轉(zhuǎn)速也一定。核心機(jī)幾何面積不可調(diào)時(shí)，要發(fā)揮核心機(jī)的熱負(fù)荷，就要降低核心機(jī)的物理轉(zhuǎn)速，核心機(jī)的換算轉(zhuǎn)速就要進(jìn)一步的降低，核心機(jī)的增壓比和換算流量也要沿核心機(jī)的共同工作線下降而減小，進(jìn)而核心機(jī)進(jìn)口的物理流量降低。

核心機(jī)幾何面積不可調(diào)與幾何面積可調(diào)核心機(jī)的增壓比、換算流量以及物理流量的對(duì)比如圖6所示。

(a) 增壓比對(duì)比

(b) 換算流量對(duì)比

(c) 物理流量對(duì)比圖6 核心機(jī)幾何面積不可調(diào)和核心機(jī)幾何面積 可調(diào)特征參數(shù)的對(duì)比Fig.6 Comparision of parameters of the non-variable geometric area of core engine and the variable geometric area of core engine

核心機(jī)幾何面積不可調(diào)時(shí)，核心機(jī)出口喉道面積不變，但是核心機(jī)幾何面積可調(diào)時(shí)，核心機(jī)出口喉道面積是改變的。核心機(jī)幾何面積可調(diào)時(shí)，核心機(jī)出口(高壓壓氣機(jī)出口)喉道面積改變百分比與風(fēng)扇增壓比的關(guān)系如圖7所示。

圖7 出口喉道面積改變與風(fēng)扇增壓比的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between area change of the outlet throat and fan’s SFC

從圖7可以看出：風(fēng)扇增壓比越大，出口喉道面積改變的越大，風(fēng)扇增壓比為1.8時(shí)，高壓壓氣機(jī)出口喉道面積增加了11.8%。

由于本文考慮風(fēng)扇葉尖切線速度(500.0 m/s)，風(fēng)扇增壓比取1.8，設(shè)計(jì)點(diǎn)在地面(H=0 m，Ma=0)來進(jìn)行大涵道比分派渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)，核心機(jī)幾何面積不可調(diào)與核心機(jī)幾何面積可調(diào)在壓氣機(jī)特性圖上工作點(diǎn)位置的對(duì)比圖如圖8所示。

圖8 工作點(diǎn)位置的對(duì)比圖Fig.8 Comparison of working point positions

從圖8可以看出：核心機(jī)幾何面積可調(diào)，壓氣機(jī)增壓比和換算流量均比核心機(jī)幾何面積不可調(diào)的大。發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)幾何面積不可調(diào)和幾何面積可調(diào)總體參數(shù)的對(duì)比如表2所示。

表2 總體性能參數(shù)的對(duì)比Table 2 Comparison of overall performance parameters

從表2可以看出：核心機(jī)幾何面積可調(diào)比核心機(jī)幾何面積不可調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口物理流量增加了16.4%，推力增加了14.1%，耗油率降低了1.4%。

3 結(jié) 論

(1) 在核心機(jī)幾何面積不可調(diào)的情況下，核心機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷不能同時(shí)發(fā)揮，發(fā)揮最大的機(jī)械負(fù)荷，熱負(fù)荷就會(huì)超限，發(fā)揮最大的熱負(fù)荷，機(jī)械負(fù)荷就有些浪費(fèi)，不能充分發(fā)揮核心機(jī)的做功能力，那么只有核心機(jī)幾何面積可調(diào)，才能同時(shí)發(fā)揮核心機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。

(2) 以先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)匹配一級(jí)風(fēng)扇派生大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，選取風(fēng)扇增壓比為1.8進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，方案結(jié)果表明在進(jìn)口物理流量、推力、耗油率方面，核心機(jī)幾何面積可調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)于核心機(jī)幾何面積不可調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)。