某型涡扇发动机特性分析

论文导读：飞机推进系统的性能决定着飞机的技、战术性能。对飞机推进系统（主要是发动机）特性的了解。本文利用建立的涡扇发动机数学模型进行了发动机性能特性计算。
关键词：涡扇，推进系统，特性
 

1、前言

飞机推进系统的性能决定着飞机的技、战术性能，空、地勤人员对新装备性能及特点的了解是正确使用和维护的前提。对飞机推进系统（主要是发动机）特性的了解，最快、最直接、最经济的方法是通过对发动机在各种飞行条件和大气条件下的性能进行仿真，为了进行性能仿真必须获得不同外界条件下的性能数据。

本文利用建立的涡扇发动机数学模型进行了发动机性能特性计算，计算结果与实验曲线进行了对比，分析了其误差。

2、发动机数学模型

建立涡扇发动机稳态数学模型，藉以求取发动机工作的稳态参数。把发动机看作由压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室和喷管组成的系统，同时考虑大气条件、进气道等因素的影响，描述部件进出口热力学状态，以质量和能量守恒为依据，兼顾功率平衡，建立发动机各部件的共同工作方程。论文发表。涡扇发动机特征截面如图1所示。论文发表。

图1发动机特征截面示意图

0-0：未受扰动的截面；1-1：进气道进口；52-52：外涵出口；2-2：低压压气机进口；21-21：高压压气机进口；22-22：外涵道进口；3-3：燃烧室进口；4-4：涡轮进口；5-5：涡轮出口；6-6：混合器出口；7-7：加力燃烧室出口；8-8：喷管喉部；9-9：喷管出口。

在较大转速时，高、低压涡轮的导向器和喷管最小截面均处于临界或超临界状态，较小涵道比的涡扇发动机的低压转子共同工作线可认为不随喷管喉部面积而变，根据给定的调节规律（最大和加力工作状态），可得稳态时的共同工作方程组如表1所示。

表1某涡扇发动机共同工作方程组表

序号	方程	说明
1		H≤11000m时
2		H>11000m时
3
4
5		进气道总压恢复系数由曲线获得
6
7		根据选取的低压压气机换算转速由低压压气机特性曲线查得、及
8		利用了分段平均比热法
9		根据选取的高压压气机换算转速由高压压气机特性曲线查得、及
10
11		利用了分段平均比热法
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30		加力燃烧室的燃烧效率
31	，	不加力时
32		加力时
33		≥175℃范围内时，在限动位置不变
34
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36	，	不加力时
37	，	加力时
38	，	理想情况下
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40		理想推力
41		有效推力，为喷管有效推力损失系数
42

3、计算结果

根据基本假设（导向器和喷管最小截面均处于临界或超临界状态，低压转子共同工作线不随喷管喉部面积而变等）和已知条件（如发动机的调节规律等），该文对某型涡扇发动机在最大工作状态下的推力、燃油消耗率随飞行高度、飞行速度的变化规律进行了数值分析。

3.1高度特性

高度特性是指发动机推力和燃油消耗率随飞行高度的变化特性。图2、图3表示了发动机最大状态下的高度特性曲线。

飞行高度升高时，发动机推力下降，主要是由于空气密度减小引起进入发动机的空气流量减小；燃油消耗率下降主要是单位推力增加引起的。

3.2速度特性

随着飞行速度的增加，推力和燃油消耗率的变化情况（即发动机的速度特性曲线）如图4、图5所示。论文发表。

由于受速度的影响，使进入发动机的空气总增压比和流量都有所增加。在发动机转速一定时，涡扇发动机的推力随飞行速度的变化规律基本上与涡喷发动机的相类似，但涵道比的大小决定其速度特性曲线是否出现像涡喷发动机那样的马鞍形变化规律，涵道比较小（一般小于1.0）的涡扇发动机，当飞行马赫数增大时，推力是先升后降，燃油消耗率是不断增大的。

4、误差及分析

4.1误差

最大工作状态下，当飞行高度H=5000m时，发动机有效推力和燃油消耗量随飞行马赫数的变化规律计算值与实验值对比如表2所示。

表2 最大工作状态变化时的数据对比

	计算值		查表（曲线）值		相对误差（%）
	推力 （kN）	燃油消耗量（kg/s）	推力 （kN）	燃油消耗量（kg/s）	推力相对 误差	燃油消耗量 相对误差
0.3	34.30	0.860	36.47	0.925	-6.0	-7.0
0.5	37.37	1.001	39.24	1.075	-4.8	-6.9
0.7	41.01	1.197	43.03	1.245	-4.7	-3.9
1	43.85	1.545	44.15	1.491	-0.7	+3.6
1.3	44.19	1.755	43.22	1.698	+2.2	+3.4
1.5	41.59	1.733	44.15	1.830	-5.8	-5.3

最大工作状态下，当飞行马赫数=1时，发动机有效推力和燃油消耗量随飞行高度H的变化规律计算值与实验值对比如表3所示。

表3 最大工作状态H变化时的数据对比

全加力工作状态下，当飞行高度H=8000m时，发动机有效推力和燃油消耗量随飞行马赫数的变化规律计算值与实验值对比如表4所示。

表4 全加力工作状态变化时的数据对比

	计算值		查表（曲线）值		相对误差（%）
	推力（kN）	燃油消耗量（kg/s）	推力（kN）	燃油消耗量（kg/s）	推力相对 误差	燃油消耗量相对误差
0.5	47.58	2.551	46.66	2.750	+2.0	-7.2
0.7	53.88	2.989	53.84	3.250	+0.0	-8.0
1	69.75	4.067	69.65	4.268	+0.1	-5.1
1.1	76.72	4.503	75.37	4.695	+1.8	-4.1
1.3	92.37	5.421	87.33	5.561	+5.8	-2.5
1.7	116.80	7.139	112.46	7.500	+3.9	-4.8

全加力工作状态下，当飞行马赫数=1时，发动机有效推力和燃油消耗量随飞行高度H的变化规律计算值与实验值对比如表5所示。

表5 全加力工作状态H变化时的数据对比

4.2分析

由上述各对照表可以看出，发动机的有效推力和燃油消耗量计算误差基本在5%左右，个别计算值误差偏大。分析认为，计算误差的来源大致有以下几方面原因：

①有的部件的效率或损失系数采用定值。如：主燃烧室的燃烧效率、涡轮效率、混合器的总压恢复系数等。

② 低压转子的共同工作线不变。在发动机几何尺寸不变的情况下，发动机的共同工作线是不变的，当喷口面积改变后，共同工作线将会移动（如喷口面积放大，共同工作线向右下方移动），从而会影响到压气机的参数。该发动机在＞288K后，最大工作状态下的喷口面积会随着升高而增大。

③发动机在最大和加力状态工作，当外界大气温度偏离标准条件时，没有对推力、燃油消耗量进行温度修正。

参考文献：
1。廉小纯、吴虎．发动机原理，北京：西北工业大学出版社，2005
2。谢寿生．某型加力涡扇发动机，西安：空军工程大学工程学院出版社，2002