一种带喷气自驱动风扇的发动机总体性能研究

闫泽辉，李传鹏，邵小坤

(南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016)

0 引言

近年来随着经济社会的发展，民航客机对于经济性和环保性的追求越来越高，使得发动机的涵道比不断增大[1-3]。涵道比的增大一定程度上会使得发动机风扇的尺寸不断增大。由于风扇的噪声与风扇叶尖线速度的四次方呈正相关，风扇尺寸的增大必然导致其转速下降[4]，风扇、增压级和低压压气机等转子部件的转速不匹配问题将会越来越突出。

考虑到三转子发动机的复杂性[5]，为解决齿轮传动发动机可靠性不足的问题，本文依据桨尖喷气驱动旋翼的原理，在涵道风扇叶尖布置一圈箍环，在风扇叶片和箍环内部布置气体流动管路，从发动机中引出高温高压气体至风扇叶尖区域，依靠喷气产生的动力来驱动风扇。通过C++程序对带喷气自驱动风扇的发动机进行了建模计算，并与常规发动机作对比。通过对比结果对喷气自驱动风扇方案进行评估。

1 喷气自驱动风扇模型

1.1 风扇物理模型

图1所示为带箍环结构的发动机涵道风扇。从高压涡轮出口引过来的高温高压气体通过叶片的空腔管路进入中空的箍环，箍环中设有气体管路，气体从靠近叶片尾缘的箍环喷口喷出，通过反作用力驱动风扇旋转。

图1 喷气自驱动风扇物理模型

图2是喷气自驱动风扇内部气体管路结构简图。从核心机高压涡轮出口引出的高温高压气体经过涵道风扇的轮毂进入叶片内部，沿着风扇内部的管路到达叶尖区域，然后进入箍环空腔管路中，最后以一定的射流角从箍环喷口喷出，获得反向驱动力，如图3所示。

图2 风扇叶片尾缘示意图

图3 叶片S1流面箍环喷气示意图

采用带叶尖箍环的风扇，其优势主要体现在以下两方面：从风扇受力的角度来看，箍环不仅增加了涵道风扇的结构强度，也保证了所有风扇叶片受到的载荷是相同的，增强了风扇的稳定性；从叶片内气体管路角度来看，由于风扇叶片厚度较小，在其内部布置缩放管路的技术难度很大，而采用带箍环结构的风扇后，箍环的轴向尺寸较大，使得在箍环内部有足够的空间布置缩放喷管。

1.2 风扇数学模型

本文采用了低压涡轮出口处引气的方法，下面为自驱动风扇的具体计算模型：

气流从引气截面i到叶尖箍环喷口处j截面时，其总压

式中η为气流从i截面到j截面的总压损失系数，取0.02～0.04之间。

气流在管路中流动时，由于没有轴功率输出，所以总温基本保持不变。在叶尖箍环喷口j截面处，根据质量守恒方程得

质量流量函数系数MFPj满足

通过上述关系式可以得出气流从喷口截面j喷射时的马赫数Maj，所以喷口截面出口的静温Tj、静压pj可以由下式求出：

箍环喷口j截面处气流的速度

图4为箍环喷管射流示意图，喷口气流与主流方向有一定夹角α，所以喷流产生的有效驱动力

图4 箍环喷管射流示意图

最终求得驱动力产生的功率

PF=Fj·rFan·ω

喷气能够驱动风扇的条件就是喷气产生的功率等于风扇压缩空气消耗的功率，即达到功率平衡[6]。

2 程序仿真

2.1 发动机模型介绍

本文选取的发动机模型为GE90-115B，通过查阅资料，获取该发动机设计状态下的部件参数及总体性能参数，如表1所示。

表1 发动机设计点参数

图5为带叶尖喷气自驱动风扇的大涵道比涡扇发动机模块化的结构示意图。发动机出口采用分开排气的方式，内外涵道气流不发生掺混。

图5 带喷气自驱动风扇发动机结构简图

图6所示为带喷气自驱动风扇的涡扇发动机引放气、功率提取模型示意图。建模过程中，考虑了压气机中间级放气、涡轮冷却引气和发动机附件提取涡轮轴功等因素对发动机性能的影响。

图6 带喷气自驱动风扇的发动机引放气、功率提取模型

2.2 程序介绍

本文所编写的NUAAAED(NUAA aircraft engine design)软件是采用面向对象的建模思路，开发语言为C++语言，软件编写平台为Microsoft Visual Studio 2017，建立的发动机部件模型如图7所示。发动机各部件之间参数的传递过程全部由逻辑指针完成。部件进口截面参数所在的内存地址存放在指针m_pInlet中，截面出口参数所在的内存地址存放在指针m_pOutlet中，参数的传递过程仅需要指针地址的传递。传递的参数包括主要流量、总温、总压、油气比等。

图7 发动机部件模型

3 计算结果

3.1 设计点计算结果

图8和表2为带喷气自驱动风扇的大涵道比发动机设计点参数计算结果。由图8可以看出，采用喷气自驱动方案时，发动机的推力为116.8kN，耗油率为0.505kg/(dN·h)。

表2 风扇引气参数

图8 程序界面

3.2 非设计状态计算

本文采用对公开的发动机部件特性进行缩放的方法对带喷气自驱动风扇的大涵道比涡扇发动机的非设计状态进行计算。得到发动机的部件特性后，需要用到压气机和涡轮的特性图来获得流量、压比、效率等参数。针对压气机特性图的特点，采用二元插值的方法，只需确定以下特性图中的2个变量值，即可获得部件的其他特性参数。对于压气机部件，选取的初猜值为相似转速n和工作点取值β，通过n和β即可确定压气机的相似转速、流量、压比和效率。

图9为典型的民航客机飞行包线，对于发动机的非设计工况，如果对全包线范围的工作点进行计算，工作量十分巨大，因此本文选取了一些典型的工作点，如图9所示。

图9 典型民航客机飞行包线

3.3 与常规发动机对比

对于常规的双转子分开排气的涡扇发动机，通过Gasturb软件完成对其总体性能参数(推力、耗油率)的计算。

完成计算后，将两种发动机的推力和耗油率计算结果绘制成折线图，如图10和图11所示。由图中可以看出，两种类型的发动机推力及耗油率相差很小。

图10 两种类型发动机推力对比

图11 两种类型发动机耗油率对比

4 结语

本文通过喷气驱动旋翼的原理提出了一种新型的喷气自驱动发动机，解决未来涡扇发动机涵道比不断增大带来的部件转速不匹配问题。通过对带喷气自驱动风扇的发动机进行总体性能仿真，并与常规的双转子分开排气发动机对比，得出以下结论：

1) 采用喷气自驱动风扇后，发动机的推力及耗油率变化不大；

2) 由于喷气自驱动风扇发动机中低压涡轮仅需要驱动增压级做功，可以大大减少低压涡轮的级数，减轻发动机质量，进一步提升了发动机的推重比。