主燃烧室采用增压燃烧的涡扇发动机 热力过程和性能分析

为了研究主燃烧室采用增压燃烧（PGC）的涡扇发动机性能，建立了其热力循环过程计算模型，采用考虑增压特性的传 统涡扇发动机性能计算方法，分析了增压比、涡轮前温度、涵道比、飞行速度、飞行高度等循环参数对增压燃烧涡扇发动机的性能 影响，并与传统涡扇发动机的性能进行了对比评估。结果表明：增压燃烧发动机循环效率高于等压燃烧发动机的，且加热比越大， 增压燃烧发动机性能优势越明显。初步获得了不同循环参数对增压燃烧涡扇发动机的性能影响规律。与同参数的传统涡扇发动 机相比，在总增压比为25~45、涡轮前温度为1500~1800 K内，增压燃烧涡扇发动机的单位推力增大4.7%~8.6%，耗油率降低4.6%~ 8.5%；在飞行高度为15 km、马赫数为0~3内，增压燃烧涡扇发动机的推力增大4.1%~27.6%，耗油率降低2.3%~11.4%，并且飞行马 赫数越高，增压燃烧涡扇发动机的性能优势越大。     

中冷回热航空涡扇发动机热力循环初步分析

中冷回热航空发动机是在常规发动机循环基础上加入了中冷和回热两个环节,有效利用了发动机排放的热量,提高了热效率,降低了耗油率,是新概念节能环保发动机.利用MATLAB平台,建立了基于部件特性的三轴分排涡扇中冷回热发动机总体性能仿真模型.利用该模型对分排涡扇中冷回热发动机进行性能仿真计算和热力循环分析.计算结果表明:在相同的循环参数和单位推力水平下中冷回热航空涡扇发动机比常规循环涡扇发动机具有更低的耗油率.      

脉冲爆震外涵加力分排涡扇发动机性能分析

为了研究外涵带脉冲爆震燃烧室分排涡扇发动机的性能,基于部件法建立了外涵装有脉冲爆震燃烧室（PDC）的分排涡 扇发动机性能模型,分析了PDC工作参数、外涵循环参数和飞行工况对整机性能的影响。结果表明：PDC频率提高,PDC增压比和 加力温度提高,发动机单位推力增大,耗油率升高;PDC当量比增大,PDC增压比和加力温度先提高后降低,发动机单位推力先增 大后减小,耗油率一直升高;脉冲爆震外涵加力由于只利用外涵部分气流组织燃烧,耗油率远低于传统加力的,当PDC频率超过 41 Hz时,脉冲爆震外涵加力发动机的单位推力大于传统加力涡扇发动机的;涵道比增大,参与爆震燃烧气流增多,发动机单位推 力增大,耗油率升高。风扇压比提高,发动机单位推力先增大后减小,耗油率一直降低;在飞行高度一定时,飞行马赫数提高,发动 机单位推力减小,耗油率升高;在飞行马赫数一定时,飞行高度增加,发动机单位推力先增大后略微减小,耗油率先降低后略微升 高;在不同飞行工况下,脉冲爆震外涵加力发动机的耗油率远低于传统加力涡扇发动机的。     

涡轮电力分布式推进设计参数优化选择分析

为研究涡轮电力分布式推进系统（Turbo-electric Distributed Propulsion system简称TeDP）设计参数的选择，基于部件法对整个TeDP系统建立设计点性能计算模型，推导了TeDP的有效功在涡轴尾喷管和风扇系统间的最佳分配关系。在此基础上，以ECO-150-300客机作为应用对象，采用差分进化算法，以设计巡航点的耗油率作为优化目标，对TeDP的循环参数进行优化选择；然后对优化后的循环参数进行分析，并将优化结果与大涵道比涡扇发动机作对比。结果表明，优化后的巡航耗油率比原系统下降了7.68%；存在最佳风扇设计压比使风扇涵道效率最高，最佳设计压比与涵道的总压损失有关；TeDP系统的耗油率对电部件传输效率、自由涡轮效率和风扇绝热效率最为敏感，当效率分别降低1.0%时，耗油率分别上升1.0%,0.94%和0.85%；与涵道比为20的齿轮传动涡扇发动机相比，当电部件传输效率大于0.95时，TeDP才显现经济优势，当电部件传输效率接近1时，TeDP耗油率下降了5.40%。     

陈懋章 航空发动机专家

<正>飞机航空发动机作为飞机的心脏,直接影响飞机的性能、可靠性及经济性,请您谈一谈目前国内外航空发动机技术的发展情况。陈懋章:目前,国外商用或民用飞机所使用的先进大涵道比涡扇发动机总增压比(包括风扇、增压机、高压压气机)已可达到60,所对应的巡航飞行条件下的耗油率能够达到0.5左右甚至更低,其水平是非常高的。我国自建国60多年来,军用发动机     

分开排气涡扇发动机的热力循环分析

基于燃气发生器的概念分析了分开排气涡扇发动机的效率划分。在此基础上，通过理论推导证明了分开排气涡扇发动机的最佳外涵风扇增压比的存在判据，及其单位推力、效率和耗油率极值的等价性。给出的判据可以作为实际分排涡扇发动机设计中的最佳外涵风扇增压比的选择依据。针对两型大涵道比分开排气涡扇发动机热力循环分析的结果表明:当外内涵排气速度的比值与风扇、低压涡轮效率的乘积相等时，发动机的总效率和单位推力最大，耗油率最低，从而证明了本文给出的效率划分和最佳外涵风扇增压比判据是合理的。      

采用脉冲爆震外涵加力燃烧室的涡扇发动机性能研究

为了研究带外涵加力脉冲爆震燃烧室(Pulse detonation combustor,PDC)的分开排气涡扇发动机性能,建立了其性能模型。利用该模型对带PDC外涵加力原理性试验模型的性能进行了评估,同时选取涡扇发动机对该发动机采用PDC外涵加力后的部件特性及整机性能进行研究,并比较了等燃油流量下外涵道装有PDC和传统等压燃烧室的发动机性能。理论计算结果和实验值对比表明,加装合适的喷管结构能够大大提高该原理性试验模型的推力性能。算例的计算结果显示:随着PDC工作频率的提高,发动机总推力增加,耗油率增大;在同一工作频率下,PDC平均增压比、平均出口温度和发动机总推力在当量比1.1左右达到最大值,发动机总耗油率随着当量比的增大而增加;当PDC工作频率超过50Hz时,外涵道装有PDC的发动机总推力大于外涵道装有传统等压燃烧室的发动机推力,且耗油率要小。     

自适应变循环发动机性能优势评价方法

为了综合评价自适应变循环发动机相比常规涡扇发动机的性能优势,提出了从发动机耗油率降低和质量增加2个维度以及从发动机耗油率、飞机燃油消耗量和燃油效率之间关系的角度来评价自适应变循环发动机性能的2种方法。结果表明:发动机耗油率降低和质量增加之间存在某个平衡点,只有质量增加幅度小于耗油率降低幅度时,才能体现自适应变循环发动机的性能优势,并且飞机航程越长,越能体现自适应变循环发动机耗油率降低带来的优势;发动机耗油率、飞机燃油消耗量和燃油效率之间呈指数关系变化,当假设飞机巡航航程为3500 km、飞机升阻比为10.5时,自适应变循环发动机巡航耗油率相比常规涡扇发动机的降低1%,可使飞机燃油消耗量减少约1.9%,飞机燃油效率提高约2.4%。     

变循环发动机建模技术研究

在对变循环发动机总体结构进行分析的基础上,参考双轴涡扇发动机部件模型的建立方法,建立了变循环发动机部件级数学模型.建立了区分叶根特性和叶尖特性的风扇部件模型,单外涵和双外涵模式的核心驱动风扇级数学模型.根据变循环发动机的特点,建立了反映变几何部件变化的稳态和动态共同工作方程.数字仿真结果表明:所建的变循环发动机模型能够实现工作模式之间的相互转换,并且在低空低马赫数双外涵模式下表现出了涡扇发动机特性,即高推力与低耗油率,而在高空高马赫数单外涵模式下相比涡扇模式提供的推力更大、耗油率更低,符合变循环发动机特点,验证了建模方法的可行性.      

涡轴发动机性能非确定性模型校核与应用

为了使涡轴发动机性能非确定性模型能够在工程中应用,利用均值法和发动机温度特性试验数据对其进行了校核,输出功率均方根误差为2.1%,耗油率为1%。基于此模型,对涡轴发动机循环参数选择和自由涡轮效率裕度进行了研究。结果显示,当考虑涡轮进口总温升高引起的涡轮冷气量变化及冷却气掺混引起的涡轮效率变化时,现有循环参数选择范围已不能满足发动机性能指标要求。根据控制燃气发生器的相对转速保持为设定值不变的控制方案,当自由涡轮效率裕度提高1.8%时,发动机输出功率和耗油率达标概率≥95%。     

基于综合设计的涡轴发动机热力循环方案研究

为了对比研究不同热力循环参数的涡轴发动机方案,建立集总体性能设计、尺寸流路设计、部件初步气动设计和重量估算的总体/部件为一体的综合设计模型,利用部件效率/气动负荷耦合设计和涡轮冷气量计算模型,实现发动机总体/部件的耦合设计。结果表明:在现有的设计技术水平下,低压比方案、高涡轮进口总温方案以及低压比和高涡轮进口总温的组合方案各具优势;高热力参数方案的设计必须以技术的进步为前提;未来涡轴发动机的总体设计将会沿着高热力循环参数和低热力循环参数两种方向发展。     

基于核心机的GTF发动机方案研究

齿轮传动风扇(GTF)发动机具有部件效率高、噪声低、级数少和质量轻的特点,是未来大型民用发动机的主要发展方向之一。为加快后续发动机的发展,在现有核心机的基础上,通过发动机典型气动循环参数的匹配分析,完成GTF发动机总体性能设计方案。分析了涵道比、风扇外涵压比、低压压气机压比、传动比等参数对GTF发动机性能的影响,初步确定参数选取范围。通过对比相同涵道比的GTF发动机与常规结构发动机,其推力和耗油率等性能指标基本接近,但GTF发动机具有低压部件级数显著减少的优点;总结了GTF发动机特有的关键技术。     

甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭发动机性能分析

为研究以甲烷燃料为冷却剂的膨胀循环空气涡轮火箭发动机可行性及性能,采用部件法建立了甲烷预冷膨胀循环空气涡轮火箭（Air-Turborocket, ATR）发动机性能评估模型,研究了压气机压比和冷却剂当量比等参数在不同飞行状态下对发动机性能的影响,分析了不同来流工况下发动机正常工作对各部件的性能需求。计算结果表明,通过大于1.0倍当量比甲烷预冷作用,甲烷预冷膨胀循环ATR发动机能在压气机压比低于2.0条件下实现Ma0~4.0速域连续工作,但由于甲烷焓值较低,限制了压气机压比的提升,因此甲烷较低的单位功是限制发动机性能改进的主要因素;甲烷预冷膨胀循环ATR发动机的涡轮功率只有在较高落压比和甲烷压力条件下才能平衡压气机功率需求;冷却循环系统与空气的热力循环匹配问题是各部件协同工作的关键,通过适当选取发动机各部件控制参数,能在Ma0~4.0速域内获得1250~2114s的比冲、70~110s的单位推力和50%的总效率。     

基于技术参数评估的涡扇发动机总体性能设计分析

为了充分掌握各代涡扇发动机技术参数水平及其发展趋势,统计包括现役型号在内的15台2～4代涡扇发动机的总体性能参数、循环参数和部件参数,采用考虑涡轮冷却的总体性能计算和重量预测相结合的发动机技术参数综合评估模型并利用计算程序绘制趋势曲线,评估技术参数的发展趋势,结果表明技术参数逐年改善的趋势是比较稳定的,并用曲线趋势外推法取得下一代关键参数的定量数据。在此基础上探索下一代高推重比涡扇发动机可能的总体性能方案,为下一代先进涡扇发动机的预研和设计提供参考。     

变循环发动机性能数值模拟

在常规双轴涡扇发动机性能模拟程序的基础上,添加了模式选择阀门、前可调面积涵道引射器、后可调面积涵道引射器、核心涵道等部件模块,并加入了低压涡轮导向器面积、高压压气机转子叶片角度、风扇转子叶片角度、核心驱动风扇级转子叶片角度等调节变量,编写了双外涵变循环发动机性能数值模拟程序,模拟了一种带核心风扇级的双外涵变循环发动机的高度、速度和节流特性.计算表明:与单外涵模式相比,双外涵模式的单位推力和耗油率低,受飞行条件影响的主要为前涵道比.随着低压转子转速的降低,双外涵模式的总涵道比呈增大的趋势,发动机的耗油率大幅降低.此外,变循环发动机在几何调节参数不变的情况下,对工作条件较敏感,必须特别注意各调节参数与发动机工作条件的匹配.      

微型单叶轮涡扇发动机若干总体问题

对低增压比微型涡扇的总体气动热力学有效性进行了基础性的研究.结果表明, 该类发动机仍可有效地降低耗油率, 因而有发展的必要.进一步, 为解决微型涡扇发动机的结构复杂性困难, 提出了一种微型高矮叶片单叶轮风扇压气机的压缩系统气动布局和结构设计方案.借助一个具体例子的设计研究和流场检验的结果, 陈述了该方案的转子、静子的气动设计和结构设计特点.最后拟出了相应的发动机主体结构.      

基于难度系数平衡的涡轴发动机总体设计方法

为了实现第5代涡轴发动机从概念至初步设计阶段的总体方案设计,发展一种兼顾涡轴发动机总体性能与尺寸质量的总体设计方法。统计并评估国内外典型型号涡轴发动机的技术参数,建立涉及总体性能、总体结构、部件的气动/结构/强度/材料等数据库;在概念设计阶段,应用难度系数选取涡轴发动机的技术参数,开发涡轴发动机总体性能和尺寸质量设计的计算模型及程序。基于设计准则完成涡轴发动机总体性能以及各转子部件气动、结构、强度、尺寸及质量等总体方案设计。结果表明:所提出的总体设计方法能够快速有效的实现涡轴发动机的总体方案设计,并以此方法设计完成轴动功率为1500kW的第5代涡轮发动机,耗油率为0.248kg/(kW·h),功质比为10.26kW/kg。      

基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取方法研究

以直升机性能计算方法为基础,辅以考虑尺寸效应及设计能力的涡轴发动机设计方法,建立了以直升机旋翼桨盘载荷及最大起飞功重比为特征参数的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型及基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取模型。针对涡轴发动机部件/系统设计能力及直升机飞行性能需求,首先开展了给定涡轴发动机循环参数下的流量匹配计算,然后开展了涡轴发动机循环参数选取研究。研究表明,所建立的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型可实现给定飞行任务的直升机/涡轴发动机性能耦合设计;在给定涡轴发动机循环参数条件,由于尺寸效应,涡轴发动机部件效率受进口流量的影响,其设计点功率并不随流量等比例变化,从而使得直升机起飞总重呈现非等比例变化;在涡轴发动机循环参数选择时,在满足直升机飞行性能需求下,存在涡轴发动机耗油率与单位功率之间权衡下的循环参数选取,使得直升机起飞总重最小。     

基于循环参数分析的涡轮基组合动力系统用高速涡轮发动机构型方案

在涡轮基组合动力系统的使用场景中,高速涡轮发动机为了实现起飞、跨声速、模态转换等状态下的性能指标,需要扩展使用速域范围,兼顾多状态推力性能,对于发动机构型和循环参数选取提出了特殊的要求。开展基于循环参数分析的高速涡轮发动机构型方案设计,通过分析高速涡轮发动机在不同速域下的使用需求,明确发动机的技术特征,并从性能、结构、技术发展趋势等多角度对高速涡轮发动机构型进行分析,针对双转子涡扇构型的高速涡轮发动机开展循环参数分析,明确压比、涵道比和涡轮前温度对发动机不同工况性能的影响。结果表明：变循环是高速涡轮发动机的理想构型方案。现阶段应基于双转子涡扇构型逐步集成变循环特征部件,并通过合理的循环参数匹配,实现高低速性能的兼顾。     

变循环发动机建模方法研究及验证

研究了变循环发动机(VCE)关键部件建模技术.采用叶尖叶根分段建模技术建立了两段风扇的数学模型,使之更适用于VCE.基于流场分析,建立了活门开度、外涵道进口总压、动压与外涵道总压恢复系数之间的智能映射,完善了外涵道模型.建立了VCE部件共同工作方程,获得了VCE部件级数学模型.基于欧洲空间与推进系统仿真数据库进行设计点计算,并开展了仿真验证.仿真结果表明:建立的数学模型表现出的工作性能与实际发动机实验结果一致,在低马赫数下双外涵道模式推力更大、耗油率更低;相反在高马赫数下单外涵道模式推力及耗油率优于双外涵模式,验证了所采用建模方法的有效性.