渦扇發動機進氣畸變計算研究
2018-09-10 13:30:13黃求原
航空科學技術 2018年12期
黃求原
摘要：基于經典平行壓氣機模型理論和某型渦扇發動機計算主程序，開發了能夠模擬進氣畸變對渦扇發動機穩定性和性能影響的計算模型，研究了進氣總壓畸變和總溫畸變對風扇壓比、效率、喘振邊界線以及發動機推力、油耗的影響。數值計算結果表明，進氣總壓畸變和總溫畸變使得風扇的壓比減小、效率降低，喘振邊界線下移以及發動機凈推力減小、單位耗油率上升，降低了發動機的穩定性和性能。
關鍵詞：平行壓氣機模型;進氣畸變，渦扇發動機，數值計算
中圖分類號：V231.3 文獻標識碼：A
在航空渦扇發動機中，壓縮部件是對進口氣流量為敏感的部件。在飛機飛行過程中，進口氣流的畸變容易導致壓縮部件穩定性降低和發動機性能下降。因而，進氣畸變對航空渦扇發動機穩定性和性能影響的研究具有非常重要的意義。
對于航空發動機進氣畸變的分析，國內外已經開展了較為廣泛的研究，常見的計算方法有：采用插板模擬發動機進口畸變氣流，通過計算或試驗獲得畸變圖譜[1～3]，分析畸變對發動機壓縮部件穩定性的影響;采用一些簡化模型直接模擬進氣畸變對發動機各部件性能的影響，進而計算出進氣畸變對發動機推力、耗油率等性能的影響。這些簡化模型有：Pearson和McKenzie在1959年首次建立了經典平行壓氣機模型[4];Reid基于經典模型提出了“臨界畸變角”的概念[5];Korn的模型考慮了轉子葉片失速延遲的影響[6];Melick和Mazzawy等對經典模型進行了非定常修正，建立了多子區平行壓氣機模型Lecht提出了“有效進氣角”的概念[10];Cousins和Davis發展的模型考慮了動態響應、復雜畸變以及進氣旋流等情況[11];Yeh，Henderson和Moore等發展了激盤模型[12～14]。
本文基于經典平行壓氣機模型理論，發展了計算模型，以模擬穩態周向總壓畸變和總溫畸變對某型渦扇發動機穩定性和性能的影響。
1.1 物理模型
通常來說，認為徑向畸變對壓氣機穩定性的影響比較小[15]，因而本文發展的計算模型僅考慮穩態周向畸變的影響，包括總壓畸變和總溫畸變，即假定風扇的氣流沿徑向是均勻流動的。
在平行壓氣機模型中，根據進口周向畸變流場將風扇分為對應均勻來流的無畸變子壓氣機1和對應低壓力區或高溫度區的帶畸變子壓氣機2，如圖2所示。
平行壓氣機模型采用了以下4個基本假設：
（1）各子壓氣機之間并行工作，它們的出口靜壓相同;
（2）各子壓氣機的進氣條件各不相同，不同的子壓氣機相互獨立工作，且無動量、質量和能量的交換，它們之間通過出口邊界的條件聯系起來;
（3）各子壓氣機都按均勻進氣或“無畸變”的壓氣機特性線工作;
（4）子壓氣機工作流量達到無畸變壓氣機的喘振流量時，認為整臺壓氣機達到失穩點。
圖2為平行壓氣機模型計算示意圖。本文假定發動機進口氣流在經過進氣道之后，在風扇進口處，分成兩股平行的氣流分別進入無畸變的子壓氣機1和發生畸變的子壓氣機2，這兩股氣流相互之間沒有任何物質及能量的交換，然后在風扇出口截面混合成為一股氣流，最后又分成兩股氣流，一股進入外涵道，另一股進入高壓壓氣機，各自進入下一個對應的發動機部件。
1.2 數學模型及求解方法
圖3為風扇進氣畸變計算的數學模型。根據平行壓氣機理論，設風扇進口總面積為A，子壓氣機2（畸變部分）進口面積為AP*A，則子壓氣機1（無畸變部分）進口面積為（1-AP）*A。
已知T1*，p1*，m1，p1，TP，PP以及風扇特性圖、氣體焓值函數H（T*）、流量函數q（λ）和q（Ma），風扇進出口參數計算方法及步驟如下：
1.2.1 中間參數的求法
（1）根據總溫畸變指數TP和總壓畸變指數PP的定義，可知：
（2）根據流量連續方程，可得：
（3）根據平行壓氣機模型理論中子壓氣機出口靜壓相等，得：
p21=p22（6）
且總靜壓的關系式如下：
（4）根據能量連續方程，可得：
（5）由風扇特性線，可知：
（11）流量函數公式，有：
由風扇特性圖及以上幾個方程，聯立可解得子壓氣機1與子壓氣機2的進、出口參數，即：
1.2.2 出口參數求法
由于在兩平行壓氣機出口參數混為一股氣流參數，所以有：
（1）總能量（總焙）：
可求出T2*。
（2）總動量：
其中：
可得：
可求出T2和λ2。
最后，根據流量公式、總壓與靜壓關系，可得：式中：m2為兩股氣流的總流量（其值等于m1），R為氣體常數，K和λ均為常數。
這樣便獲得了風扇出口參數T2*，p2*，m2，p2，并得到了新的風扇增壓比π'和效率η'。然后，用進口參數T1*，p1*，m1，p1及出口參數T2*，p2*，m2，p2反向推導，進而得到了風扇新的流量特性線πC*'和效率特性線ηC*'將它們在主程序中替代原始流量特性線和效率特性線。這樣，新的程序便可以計算穩態周向總壓畸變和總溫畸變進氣條件下的發動機穩定性和性能。
