航空燃气涡轮发动机分析

田 川，曹惠玲

（1.厦门航空有限责任公司，厦门 361006；2.中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

田 川1，曹惠玲2

（1.厦门航空有限责任公司，厦门 361006；2.中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

应用分析方法分别对单轴涡喷发动机、涡轮风扇发动机以及采用中冷回热技术后的涡扇发动机进行了全面的分析。结果表明，单喷和涡扇发动机的尾流损是航空发动机整体损中的最大组成部分，而航空发动机的第二大损发生在燃烧室，对涡扇发动机引入中冷回热技术后，可以有效提高发动机的整体利用率，减少尾流中的损失。

燃气涡轮发动机；分析法；中冷回热技术；尾流损失

航空燃气涡轮发动机自问世半个多世纪以来，在技术水平上已取得了很大进步。但是，对于航空发动机的全面能效分析，仍多采用热效率的方法，并不能有效揭示航空发动机中有效能的利用与损失情况，而分析正好可以解决这个问题。的概念是上世纪50年代才被提出的，概念的提出结束了延续近乎一个世纪的只注重能量的数量、忽略品质的不合理现象[1]。将分析法应用到航空发动机的能量利用分析在国内研究相对较少，而国外已经开展了大量的相关研究工作，国外现有的研究发现在航空发动机整体的分配中，尾流的损失非常大，是航空发动机内部损失的2~4倍，成为损失的主要组成部分[2]。

1 航空发动机?分析原理简介

1.1分析的原理

式中：TH为燃烧后未混合前烟气的温度，由燃烧计算确定；TL为外界环境的温度。

热效率只能对总热量Q的利用情况进行分析，然而在总热量Q中，即使是理想情况下，也只有部分可转化为功，所以热损失的数值不能真实反映功损失的情况。而效率可以真实地反映可利用的最大功当中实际利用的情况，即

式中：Ex，gain为实际被利用或收益的；Ex，max为环境条件下理论上可利用的最大功。

式中：Ex，gain为实际被利用或收益的；Ex，max为环境条件下理论上可利用的最大功。

1.2 航空发动机分析

单喷发动机实际可利用的功为气流流经发动机后所增加的动能，而理论上可利用的最大功，即为热量。由此得单喷发动机系统的整体效率为

式中：qma为发动机气流流量；v5为发动机出口气流流速；v0为发动机进口气流流速。

式中：qmg1为内涵道气流流量；qmg2为外涵道气流流量；v91为内涵道出口气流流速；v92为外涵道气流出口流速。

式中：Ex0为系统进口气流的焓；Ex1为系统出口气流的焓。

式中：Ex1为压气机进口气流的焓；Ex2为压气机出口气流的焓；Wc为输入压气机轴功。

式中：exf为燃油的化学；ex，a2为燃烧室进口气流的焓；ex，g3为燃烧室出口气流的焓。

式中：Ex3为涡轮进口气流的焓；Ex4为涡轮出口气流的焓；WT为涡轮输出的轴功。

式中：h5为尾流气流的焓值；S5为尾流气流的熵值。

2 各种航空发动机?分析

2.1 单喷发动机分析

以不带加力的单喷发动机为例，尾喷管为收缩形喷管，压气机总增压比为8.75，涡轮前进口温度为1 188 K，飞行高度11 km，飞行马赫数为0.75，通过分析计算，可知发动机各部件损所占的比例如图1所示。

图1 单喷发动机分析Fig.1 Exergy analysis of single-spool turbo engine

2.2 CFM56-3涡扇发动机分析

CFM56-3是由CFM国际制造的高涵道比涡轮风扇发动机，用于波音737、空中客车A320、空中客车A340-200/300等飞机上，是世界上使用最为普遍的涡轮风扇发动机之一。

CFM56-3发动机的总增压比为25，涡轮前燃气温度为1 336 K，涵道比为6，以飞行高度为11 km、飞行马赫数为0.75的飞行状态为例，分析各部件的损。

图2 CFM56-3发动机分析Fig.2 Exergy analysis of CFM56-3 turbofan engine

GEnx发动机是GE公司为B787“梦幻”客机研制的新一代发动机，其各个参数指标代表了目前最先进的水平。GEnx发动机的涵道比高达10~11，涡轮前温度高达1 773 K，总增压比高达45[7]。

下面以飞行高度为11 km、飞行马赫数为0.75的飞行状态为例，具体分析各部件的损。

图3 GEnx发动机分析Fig.3 Exergy analysis of GEnx turbofan engine

2.4 中冷回热后的GEnx涡扇发动机分析

中冷回热技术是在常规循环的基础上，增加了中冷和回热环节。

如图4所示，在压气机压缩气体过程中，随着气流被压缩，气流的温度会逐渐上升，采用了中冷，在每一级压缩后，气流在经过静子叶片时，气流与静子叶片中的换热器进行换热，从而使气流得到冷却，而在换热器中被加热的导热介质被送往外涵道的支撑结构中，并与外涵道的气流进行换热，将内涵道中的气流热量传递到外涵道气流中，被冷却的换热介质被输送回内涵道中的压气机静子叶片中，从而继续对内涵道气流进行冷却[8]。

图4 利用静子结构作为换热器的新概念中冷回热涡扇发动机Fig.4 New intercooled and recuperated turbofan engine by using stator vanes as heat exchanger

在回热过程中，高压压气机出口气流在流过高压压气机出口导向叶片和燃烧室进口导向叶片时，被换热介质加热，使气流在燃烧前得到预热，而换热后的换热介质则被重新输送回涡轮出口导向叶片的换热器，被涡轮出口气流重新加热。被加热后的换热介质可以重新被继续输送到高压压气机出口导向叶片和燃烧室进口导向叶片中，继续对高压压气机出口的气流进行加热[9]。

采用这种新概念的中冷回热发动机有效地节省了燃料消耗量。在压缩中的每一级都进行冷却，压缩过程从多变过程变为接近于定温过程，由此可以有效地减少压气机的耗功，提高压气机的工作效率[10]。

本文以飞行高度为11 km、飞行马赫数为0.75、采用新型中冷回热技术并将涵道比增加到14后的GEnx发动机为例，分析新型中冷回热涡扇发动机各部件的损。

如图5所示，在采用新型理想中冷回热并将涵道比增大到14后的GEnx发动机，发动机有效利用的上升到了31%。在采用中冷回热并增大涵道比后，尾流中的损有了明显下降，从33%降低到了26%。尾流中，温度损占发动机整体损的12.85%，而原始GEnx发动机的温度损高达22.4%，这说明在引入了回热技术后，既减少了压气机的耗功，又使尾流中未能被有效利用的温度得到了重新利用。整体来看，新型中冷回热并增大涵道比后的GEnx发动机有很大的发展前途。

图5 理想中冷回热涡扇发动机分析Fig.5 Exergy analysis of intercooled and recuperated turbofan engine

3 结语

[1]傅秦生.能量系统的热力学分析方法[M].西安：西安交通大学出版社，2005.

[2]CHRISTOPHER D MARLEY，DAVID W Riggins，et al.The thermodynamics of exergy losses and thrust production in gas turbine engines [C].AIAA Journal，2011.

[3]沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2005.

[4]何 为，吴玉庭，马重芳，等.单螺杆发动机空气动力系统能效分析[J].机械工程学报，2011，47（6）：150-155.

[5]瞿红春，林兆福.民用航空燃气涡轮发动机原理[M].北京：兵器工业出版社，2006.

[6]王新月.气体动力学基础[M].西安：西北工业大学出版社，2006.

[7]陈 光.用于波音787客机的GEnx发动机设计特点[J].航空发动机，2010，36（1）：1-5.

[8]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[9]YUTAKA ITO，TAKAO NAGASAKI.Suggestion of intercooled and recuperated jet engine using already equipped components as heat exchangers[C].AIAA Journal，2011.

[10]曹梦源，唐海龙，陈 敏，等.中冷回热航空涡扇发动机热力循环初步分析[J].航空动力学报，2009，24（11）：2465-2470.

（责任编辑：杨媛媛）

Exergy analysis of gas turbine engine

TIAN Chuan1，CAO Hui-ling2
（1.Xiamen Airlines，Xiamen 361006，China；2.College of Aeronautical Engineering，CAUC，Tianjin 300300，China）

In order to find out the exergy loss of aero-engines，and to reveal the weakest chain of the exergy utilization，this article analyzes the exergy efficiency of single-spool turbo engine，turbofan engine and the intercooled and recuperated turbofan engine.The calculation results prove that the exergy loss during the wake equilibration process is the largest part of the exergy loss，which is more than one third of the overall exergy. The second largest part of the exergy loss is in the combustion chamber.When the intercooled and recuperated components are applied，the entire exergy efficiency can be better，what's more，the exergy loss during the wake equilibration process is significantly reduced.By analyzing the exergy efficiency of different types of aero-engines，this article will contribute to the design and improvement of the future aero-engines.

gas turbine engine；exergy efficiency；intercooled and recuperated aero-engine；wake loss

V235.1

：A

：1674-5590（2014）01-0028-05

2012-07-04；

：2012-09-21

田 川（1989—），男，河北保定人，工程师，学士，研究方向为航空发动机状态性能分析.