涡扇发动机部件效率变化对共同工作的影响分析

以大涵道比涡扇发动机为研究对象,分析了风扇增压级、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮和燃烧室部件效率对涡扇发动机共同工作的影响。不同部件效率变化,不同的控制规律对部件的共同工作影响不同,有些参数变化方向相反。     

带混排涡轮级间燃烧的涡扇发动机循环参数

涡轮混排燃烧室ITB(Inter-stage Turbine Burner)作为次燃烧室位于高压涡轮与低压涡轮之间。文章通过建立ITB混排涡扇发动机的设计点热力计算的数学模型,进而分析主要工作过程参数,如风扇压比、压气机压比、高压涡轮进口温度、ITB出口温度(低压涡轮进口温度)的选取范围及原则;并且对带有ITB与普通的混排涡扇发动机在不同的设计马赫数下进行比较分析。文章的结果有利于混排ITB涡扇发动机各个部件的设计参数选取,进而对于混排ITB涡扇发动机的发展、分析、优化提供有利的指导方向。     

大涵道比涡扇发动机几何面积调整研究

理论分析大涵道比涡扇发动机高/低压涡轮导向器、内/外涵喷口面积变化对发动机整机性能及各部件的影响。采用大涵道比涡扇发动机总体稳态计算程序,在控制低压转子转速不变的条件下,计算上述部件单一几何面积变化对发动机推力、耗油率、转差、裕度、排气温度等总体性能参数的影响,及放大面积后风扇、增压级和高压压气机等压缩部件工作点及喘振裕度的变化趋势,为大涵道比涡扇发动机整机性能调试提供指导。     

高压涡轮间隙控制

现代航空燃气涡轮发动机的高压涡轮间隙对发动机效率即经济性和可靠性影响很大。高压涡轮间隙过大,漏气损失增大,发动机效率降低,供油量增加,使发动机高温,对发动机的寿命有不利影响;高压涡轮间隙过小,在大转速时可能使叶片折断,发动机失效。因此,高压涡轮的间隙大小对发动机高效、安全而可靠工作至关重要。本文以CFM56—3民用高涵道比涡扇发动机为例,分析高压涡轮间隙的控制方法以及对发动机性能的影响情况。     

2种涡轮燃烧形式的涡扇发动机性能研究

为了研究不同涡轮燃烧形式对大涵道比涡扇发动机的性能影响,在传统发动机数学模型的基础上,分别加入各型涡轮燃烧结构的热力学计算模型,分析比较了在不同工作过程参数下,4种带涡轮燃烧结构发动机与传统发动机的性能（单位推力和单位燃油消耗率）随风扇增压比、高压压气机增压比、高压涡轮进口总温和涵道比的变化关系。结果表明：涡轮级间燃烧室（ITB）与涡轮叶间燃烧室(TIB)各有特点,但都能够明显提高传统分别排气涡扇发动机的性能,其中高压涡轮叶间燃烧室（HTIB）效果尤为突出     

畸变进气时涡扇发动机整机环境下压缩部件气动稳定性评定

将基于部件匹配技术的涡扇发动机非设计点性能计算模型和基于李亚普诺夫稳定性理论的压缩部件气动稳定性评定模型有机地耦合,实现了发动机整机环境下的压缩部件气动稳定性评定,使得该模型成为一种实用的涡扇发动机压缩部件气动稳定性分析模型。以某型涡扇发动机为例,计算比较了畸变进气时发动机整机环境和单独部件评定时风扇和压气机稳定工作边界的异同,从计算结果可以看到,对于风扇,畸变进气条件下,无论在高转速,还是低转速时,同样的进口畸变度,发动机环境下风扇的稳定裕度损失比单独部件下风扇的稳定裕度损失都小,即在发动机环境下评定风扇稳定性时,风扇对进气温度畸变不敏感,而在单独部件环境下评定时,风扇对进气畸变比较敏感。对于压气机,进口气流存在压力畸变时,采用高压涡轮导向器变化对压气机逼喘过程中,风扇的共同工作线向喘振边界靠近,而进口气流存在温度畸变时,逼喘过程中,风扇的共同工作线基本不变。     

发动机性能的耦合优化计算

本文根据发动机整机试车结果,在测量数据较少且缺乏发动机部件特性的情况下,通过耦合建模技术和最优化技术,推测出涡扇发动机主要部件(风扇、高压压气机、高低压涡轮)的特性,建立较准确的发动机稳态工作数学模型。      

变几何涡扇发动机几何调节对性能的影响

本文以高推重比涡扇发动机为研究对象,利用所建立的以变几何部件特性为基础的变几何加力涡扇发动机性能模型,详细计算和分析了风扇和高压压气机静子叶片角度、高压和低压涡轮导向器喉道面积4个几何参数的调节对发动机性能的影响。结果表明,在本文计算条件下调节风扇静子叶片角度对发动机性能有显着影响,调节其它3个参数对性能影响不大,但可在控制主要部件在其高效率工作点方面发挥作用。      

某型涡扇发动机起动过程数值模拟

基于发动机设计点参数和压气机、涡轮高转速特性数据,完善了一种计算风扇、高压压气机和高、低压涡轮小转速特性近似方法,并进一步基于涡扇发动机部件匹配技术,建立了某型涡扇发动机起动过程计算模型及相应算法,给出了比较合理的发动机起动过程模拟结果.      

涡轮轴断裂条件下的涡扇发动机性能建模

为了研究双轴混合排气涡扇发动机高压轴断裂失效后的动态性能，建立了轴断裂条件下涡扇发动机过渡态的共同工作方程，以及各部件考虑容积效应和气体惯性力的模型部件。在此基础上，分析了地面起飞状态和巡航状态下涡扇发动机高压轴断裂后发动机气路参数的瞬态响应规律和机理。研究表明:涡扇发动机高压轴断裂会在不超过05s的时间内导致压气机喘振、涡轮前温度超温、涡轮转速超转等继发性危害事件。在不同飞行状态下出现的轴断裂，上述事件发生的先后次序各不相同。尤其在地面起飞状态下，涡轮超转事件极可能先于压气机喘振现象而发生，012s内涡轮即可达到其破裂转速。这些都需要在航空发动机被动安全设计中给予足够的重视。      

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。     

高温升燃烧室与双燃烧室发动机性能对比分析

采用一维定常计算方法,考虑各种部件效率的影响,在双燃烧室发动机总增压比为32,涡轮前总温为1900K时,与高温升燃烧室涡轮前总温为2400K时进行了总体性能对比,并指出了双燃烧室结构发动机2个燃烧室的热量分配方法.结果表明:温升同为1463K时,高温升燃烧室发动机比双燃烧室发动机单位推力高2.7%,耗油率低3.8%.双燃烧室结构发动机更有利克服超声速下的冲压损失, Ma大于1.5之后,增力比大于高温升燃烧室发动机.      

低压涡轮气动/声学一体化设计——总体参数优化

低压涡轮是航空发动机的重要噪声源之一,同时也是影响发动机单位推力耗油率的重要部件之一。为适应新一代发动机高效、低噪的设计目标,提出了基于传统涡轮设计流程的低压涡轮气动/声学一体化设计思路,并以某一典型民用发动机6级低压涡轮的设计要求为例,对末级功分配、通道外径、涡轮出口马赫数、叶片数目等涡轮总体参数进行了优化探索。结果表明,文中提出的设计思路可以在涡轮设计的总体参数选取阶段对涡轮效率和噪声同时进行有效评估,以便合理地选取涡轮总体参数,是一种可行的高效、低噪涡轮设计方法。     

级间燃烧室在航空发动机上应用分析

采用F100-PW229的参数,对发动机增设级间燃烧室后进行了非理想循环分析,比较了不同马赫数下级间燃烧室与加力燃烧室的性能差异,分析了部件效率对带级间燃烧室发动机性能的影响,对比了主燃烧室、级间燃烧室、加力燃烧室的燃烧效率;计算结果与理想循环存在差异:亚声速下,级间燃烧室发动机推力的增加需要相近增量的耗油率,超声速下同等耗油率可增加约10%推力;其经济性、机动性介于常规发动机和带加力燃烧室发动机之间;最后对增设级间燃烧室的发动机进行了参数优化.      

升力风扇和涡扇发动机组合动力系统性能模拟与分析

基于部件匹配和多设计点分析技术,发展了加装升力风扇的涡扇发动机性能计算模型.以F135涡扇发动机为例,对模型的可靠性进行了验证.数值模拟结果表明:升力风扇不工作时,涡扇发动机性能模拟与常规涡扇发动机是一致的,当升力风扇工作时,若实现低压涡轮与涡扇发动机风扇、升力风扇工作点的匹配,不仅需要调节尾喷管喉道面积,而且可变外涵道出口面积、低压涡轮导向器喉部面积也需要调节.基于该模型,可以进行带升力风扇的涡扇发动机循环参数匹配和不同任务状态的性能分析.      

串联式TBCC发动机风车冲压模态性能模拟

建立了基于部件低转速特性匹配的串联式涡轮基组合循环（TBCC）发动机风车冲压模态性能计算模型,提出了压气机低转速大流量特性扩展方法,由换算扭矩代替等熵效率表示旋转部件特性,解决了低转速部件效率不连续相关问题。分析了冲压外涵面积变化和涡轮功率提取对风车冲压模态性能及部件匹配的影响规律,并基于推力、流量连续准则设计了涡轮模态至冲压模态转换过程（含风车冲压模态）的参数调节规律。计算结果表明:在风车冲压模态下,冲压外涵面积变化对风扇工作状态有显著影响,对压气机影响较小;涡轮可提取功率随着风车转速的减小先增加后降低,比冲随提取功率的增加基本呈线性降低趋势,功率提取位置（高、低压涡轮）对部件匹配有显著影响。      

涡喷发动机涡轮改型匹配的数值仿真

改型后的涡轮在匹配上与发动机其余部件存在流量偏小和功率偏大的偏差，解决方案是改变涡轮导流叶片的安装角和调节涡轮出口的背压，采用将涡轮全三维仿真与发动机总体零维仿真相结合的设计方案，对某单轴涡喷发动机的涡轮特性改进对发动机总体性能的影响进行了研究，其结果可作为初步意见供以后部件改型设计参考。     

内燃波转子技术对燃气涡轮发动机性能影响

为研究内燃波转子技术提高燃气涡轮发动机性能变化规律,建立内燃波转子燃气涡轮发动机热力循环分析模型,开展内燃波转子通道出口气流马赫数、压气机压比等参数变化对燃气涡轮发动机性能的影响研究,探讨了内燃波转子燃气涡轮发动机热力循环状态参数变化规律.研究结果表明:当压气机压比等于3.6时,发动机比推力和热循环总效率最大提高23.709%,耗油率最大减少19.165%;当通道出口气流马赫数等于0.6时,发动机比推力最大增幅达23.736%,此时压气机压比为4.4、发动机热循环总效率32.216%和耗油率减少24.366%,熵增减少7.864%,验证了内燃波转子技术能够提高燃气涡轮发动机总体性能.研究结果为深入开展内燃波转子燃气涡轮发动机基础理论和关键技术研究奠定基础.      

Research on the aerodynamics of intermediate turbine diffusers

Intermediate turbine diffusers represent the flow path between the high pressure and the low pressure turbine of a high-bypass ratio turbofan aero engine. Caused by the different rotational speeds of high and low pressure spool, these components have to diffuse and guide the flow safely to a larger diameter without disturbances or boundary layer separations. The large radial offset between in- and outlet of intermediate turbine diffusers leads to a pronounced S-shape. The trend for further increased bypass ratios will require more attention to this component since its shape influences the overall weight of engine and nacelle considerably. The complicated aerodynamics of these annular ducts has to be understood to realize short S-shaped diffuser designs. This article tries to review the flow evolution through intermediate turbine diffusers and discusses the influence of the different effects in a systematic way. Investigations by various researchers are presented and test turbine rigs for experiments under engine realistic duct inlet conditions are described. Special focus is laid on different measures for the designer to produce more aggressive diffuser layouts whilst keeping the losses low. The application of flow control, shape optimization and endwall contouring are promising actions to shorten the diffuser length and, furthermore, to gain an engine weight reduction. The paper ends with a discussion of new design concepts for turbine ducts as well as for future engine architectures. It can be concluded that intermediate turbine diffusers will become a key component for keeping the overall engine weight and fuel burn low.