喷管喉道面积变化对大涵道比分排涡扇发动机性能的影响

2011-04-27唐宇峰沈锡钢李泳凡李瑞军

航空发动机 2011年1期

唐宇峰，沈锡钢，李泳凡，李瑞军

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

1 引言

现役大涵道比分排涡扇发动机的喷管面积基本不可调，但在试车前可以通过更换不同面积的喷管，以寻求最佳的喷管面积而使发动机性能最优。因此，在试验前，需研究不同的内、外喷管喉道面积对发动机性能的影响，确定最优的内、外涵喷管喉道面积。航空发动机推力、耗油率、涡轮进口温度、喘振裕度等参数的变化趋势通常相互矛盾，造成发动机性能往往达不到预先设计要求。通过调节内、外涵喷管喉道面积可以得到这些相互制约参数的最佳值，从而达到优化发动机性能的目的。

本文计算和分析了大涵道比分排涡扇发动机内、外涵喷管喉道面积变化对发动机性能的影响。

2 喷管喉道面积变化对发动机性能影响计算分析

在较高转速范围工作时，航空发动机高、低压涡轮导向器进口处于临界状态，计算中忽略效率变化对发动机性能的影响。由于大涵道比涡扇发动机在慢车以上状态（不包括慢车）一般都采用n1R(低压换算转速)作为调节参数的控制规律，因此下面只计算分析在n1保持不变情况下发动机喷管面积变化对发动机性能的影响。

2.1 内涵喷管喉道面积变化的影响

内涵喷管喉道面积对转差的影响如图1所示。地面状态选取n1R＝94%、92%、91%、90%、89%；高空状态则选取n1R＝96%、97%、98%、99%、100%；等值线为低压转子相对换算转速，内涵喷管喉道面积增大，低压转子转速不变，高压转子转速减慢。在地面状态下，内涵喷管喉道面积增大5%，发动机高压转子换算转速减慢约0.75%；在高空状态下，内涵喷管喉道面积增大5%，发动机高压转子换算转速减慢约2%。

发动机内涵喷管喉道面积增加，转差减小。这是因为内涵喷管面积增大，导致喉道截面压力降低，低压涡轮膨胀比增大，因此低压涡轮功增大，低压转子转速有加快的趋势；又因为高压涡轮进出口界面临界[1]，所以干扰不会传到45截面处，高压涡轮膨胀比不变，为了保持n1R不变则需要减少供油量，因此n2R减慢，转差减小。

内涵喷管喉道面积对外涵工作点的影响如图2所示。地面状态选取n1R＝94%、92%、91%、90%、89%；空中状态则选取n1R＝96%、97%、98%、99%、100%；发动机低压转子转速保持不变，随内涵喷管喉道面积增加，风扇外涵工作线基本不变，进口流量基本不变。

因为n1R保持不变，外涵流量保持不变，与外涵流量相比，内涵流量变化非常小，所以内涵喷管喉道面积变化，但进口流量基本不变。

对低压压气机工作点影响如图3所示。从图中可见，在地面状态和高空状态下，内涵喷管喉道面积变化对低压压气机影响较大，内涵喷管喉道面积增大，低压转子共同工作线上移，发动机低压压气机裕度减小。

在地面和高空状态下，随着A8的增大，高压压气机工作点沿共同工作线下移，如图4所示。无论在地面还是高空状态下，A8增大，n1R保持不变，则T4降低，如图5所示。在地面状态下，A8增大5%，当n1R＝94%时，T4降低0.89%～0.90%；当n1R＝89%时，T4降低0.74%～0.80%；在高空状态下，A8增大5%，n1R保持不变，当n1R＝100%时，T4降低2.3%～2.7%；当n1R＝96%时，T4降低1.78%～2.30%。

由于发动机高压涡轮进、出口临界，高压涡轮膨胀比不变，因此需减少燃烧室供油，高压转子转速降低，高压转子沿共同工作线下移，对高压压气机裕度基本没有影响；增大内涵喷管喉道面积，低压涡轮膨胀比增大，为了保证功率平衡，需降低低压涡轮进口总温，因为燃烧室出口温度与高压涡轮的功成正比，涡轮功与其对应转子转速的3次方成正比[2]，而涡轮功与燃烧室出口温度成正比，所以在高状态下，T4降低的幅度要比在低状态下的大。

内涵喷管喉道面积对推力与耗油率的影响如图6所示。从图中可见，在地面状态下，A8增大5%，n1R保持不变（n1R＝94%），发动机推力约减小0.9%，耗油率约降低1%。在高空状态下，内涵喷管喉道面积增大5%，n1R保持不变（n1R＝100%），发动机推力约减小3.3%，耗油率约降低1.5%。

放大内涵喷管喉道面积，低压转子转速保持不变，发动机进口总流量基本不变，高压转子转速减慢，压比减小，高压转子工作点下移，燃烧室出口温度下降，因此推力和耗油率均减小。

2.2 外涵喷管喉道面积变化的影响

发动机外涵喷口面积增大，转差减小，反之增大。外涵喷管喉道面积对转差的影响如图7所示。从图中可见，在地面状态下，A18增大3%，n1R保持不变，n2R变化量Δn2R＝－0.5%～－0.8%；在高空状态下，A18增大3%，n1R保持不变，Δn2R＝－2%～－4%。

随着外涵喷口面积的增加，风扇所消耗的功将减小，低压涡轮功不变，发动机剩余功率增大，低压转子转速有上升的趋势。若低压转子转速n1R保持不变，则必须减少燃烧室供油量，高压转子转速减慢，转差减小。

外涵喷管喉道面积对外涵工作点的影响如图8所示。从图中可见，无论在地面还是高空状态下，A18增大，风扇外涵共同工作线均右移，即远离喘振边界。外涵喷管喉道面积对低压压气机工作点的影响如图9所示。从图中可见，A18增大，在地面和高空状态下，低压压气机共同工作线均左移，即靠近喘振边界。

增大外涵喷管喉道面积，风扇外涵压比减小，流量增大，外涵流通能力变强，风扇外涵共同工作线右移，远离喘振边界，裕度增大，但n1R保持不变，增大A18，由于转差减小，发动机核心机流通能力下降，堵塞增压级，工作线靠近喘振边界，裕度减小。

外涵喷管喉道面积对高压压气机工作点的影响如图10所示。从图中可见，外涵喷管喉道面积调节对高压转子共同工作线没有影响。A18增大，高压压气机工作点沿共同工作线下移。外涵喷管喉道面积对燃烧室出口温度T4的影响如图11所示。从图中可见，无论在地面还是高空状态下，A18增大，n1R保持不变，T4减小。在地面状态下，A18增大3%，在n1R＝94%时，T4降低0.9%～1.1%；在n1R＝89%时，T4降低0.4%～0.6%。

风扇压比减小使风扇所需要的功减小，剩余功增大，因此低压转子转速有上升的趋势，为了保持低压转子转速不变，需要降低油量，降低燃烧室出口温度。所以在高状态下T4降低的幅度要比在低状态下的大。

发动机推力的变化直接影响飞机的基本性能[3]，因此研究喷管面积的变化对推力的影响很有必要。外涵喷管喉道面积对推力和耗油率的影响如图12所示。从图中可见，在地面状态（n1R＝94%）下，A18从0.90增大到0.95时，推力出现最大值，增大1.72%，耗油率降低2.78%；当A18增大到0.975后，推力开始减小。耗油率在A18增大到1.4时出现拐点，逐渐增加；在高空状态（n1R＝100%）下，A18从0.86增大到0.90时，推力出现最大值，增大1.57%，耗油率降低0.83%。当A18增大到0.92后，推力减小，耗油率在A18增大到1.04的时候出现拐点，逐渐升高。

从以上分析可知，分别存在对应最佳的推力和最低耗油率的外涵喷管喉道面积。原因是外涵喷管喉道面积增大，发动机进口空气流量增大，外涵排气速度减慢。在一定范围内，空气流量增大的影响大于发动机气流速度减慢的影响，因此发动机推力增大，耗油率降低，对发动机性能有一定改善。但当调整面积过大后，气流速度减慢的影响超过空气流量增大带来的增益，推力减小。外涵喷管面积放大，高压压气机压比减小得慢，而低压压气机压比增大得快，所以总压比增大，耗油率降低，在总压比等于最佳增压比时，耗油率最低，此时喷管面积继续增大则耗油率升高。