一種帶噴氣自驅動風扇的發動機總體性能研究

閆澤輝，李傳鵬，邵小坤

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

近年來隨著經濟社會的發展，民航客機對于經濟性和環保性的追求越來越高，使得發動機的涵道比不斷增大[1-3]。涵道比的增大一定程度上會使得發動機風扇的尺寸不斷增大。由于風扇的噪聲與風扇葉尖線速度的四次方呈正相關，風扇尺寸的增大必然導致其轉速下降[4]，風扇、增壓級和低壓壓氣機等轉子部件的轉速不匹配問題將會越來越突出。

考慮到三轉子發動機的復雜性[5]，為解決齒輪傳動發動機可靠性不足的問題，本文依據槳尖噴氣驅動旋翼的原理，在涵道風扇葉尖布置一圈箍環，在風扇葉片和箍環內部布置氣體流動管路，從發動機中引出高溫高壓氣體至風扇葉尖區域，依靠噴氣產生的動力來驅動風扇。通過C++程序對帶噴氣自驅動風扇的發動機進行了建模計算，并與常規發動機作對比。通過對比結果對噴氣自驅動風扇方案進行評估。

1 噴氣自驅動風扇模型

1.1 風扇物理模型

圖1所示為帶箍環結構的發動機涵道風扇。從高壓渦輪出口引過來的高溫高壓氣體通過葉片的空腔管路進入中空的箍環，箍環中設有氣體管路，氣體從靠近葉片尾緣的箍環噴口噴出，通過反作用力驅動風扇旋轉。

圖1 噴氣自驅動風扇物理模型

圖2是噴氣自驅動風扇內部氣體管路結構簡圖。從核心機高壓渦輪出口引出的高溫高壓氣體經過涵道風扇的輪轂進入葉片內部，沿著風扇內部的管路到達葉尖區域，然后進入箍環空腔管路中，最后以一定的射流角從箍環噴口噴出，獲得反向驅動力，如圖3所示。

圖2 風扇葉片尾緣示意圖

圖3 葉片S1流面箍環噴氣示意圖

采用帶葉尖箍環的風扇，其優勢主要體現在以下兩方面：從風扇受力的角度來看，箍環不僅增加了涵道風扇的結構強度，也保證了所有風扇葉片受到的載荷是相同的，增強了風扇的穩定性；從葉片內氣體管路角度來看，由于風扇葉片厚度較小，在其內部布置縮放管路的技術難度很大，而采用帶箍環結構的風扇后，箍環的軸向尺寸較大，使得在箍環內部有足夠的空間布置縮放噴管。

1.2 風扇數學模型

本文采用了低壓渦輪出口處引氣的方法，下面為自驅動風扇的具體計算模型：

氣流從引氣截面i到葉尖箍環噴口處j截面時，其總壓

式中η為氣流從i截面到j截面的總壓損失系數，取0.02～0.04之間。

氣流在管路中流動時，由于沒有軸功率輸出，所以總溫基本保持不變。在葉尖箍環噴口j截面處，根據質量守恒方程得

質量流量函數系數MFPj滿足

通過上述關系式可以得出氣流從噴口截面j噴射時的馬赫數Maj，所以噴口截面出口的靜溫Tj、靜壓pj可以由下式求出：

箍環噴口j截面處氣流的速度

圖4為箍環噴管射流示意圖，噴口氣流與主流方向有一定夾角α，所以噴流產生的有效驅動力

圖4 箍環噴管射流示意圖

最終求得驅動力產生的功率

PF=Fj·rFan·ω

噴氣能夠驅動風扇的條件就是噴氣產生的功率等于風扇壓縮空氣消耗的功率，即達到功率平衡[6]。

2 程序仿真

2.1 發動機模型介紹

本文選取的發動機模型為GE90-115B，通過查閱資料，獲取該發動機設計狀態下的部件參數及總體性能參數，如表1所示。

表1 發動機設計點參數

圖5為帶葉尖噴氣自驅動風扇的大涵道比渦扇發動機模塊化的結構示意圖。發動機出口采用分開排氣的方式，內外涵道氣流不發生摻混。

圖5 帶噴氣自驅動風扇發動機結構簡圖

圖6所示為帶噴氣自驅動風扇的渦扇發動機引放氣、功率提取模型示意圖。建模過程中，考慮了壓氣機中間級放氣、渦輪冷卻引氣和發動機附件提取渦輪軸功等因素對發動機性能的影響。

圖6 帶噴氣自驅動風扇的發動機引放氣、功率提取模型

2.2 程序介紹

本文所編寫的NUAAAED(NUAA aircraft engine design)軟件是采用面向對象的建模思路，開發語言為C++語言，軟件編寫平臺為Microsoft Visual Studio 2017，建立的發動機部件模型如圖7所示。發動機各部件之間參數的傳遞過程全部由邏輯指針完成。部件進口截面參數所在的內存地址存放在指針m_pInlet中，截面出口參數所在的內存地址存放在指針m_pOutlet中，參數的傳遞過程僅需要指針地址的傳遞。傳遞的參數包括主要流量、總溫、總壓、油氣比等。

圖7 發動機部件模型

3 計算結果

3.1 設計點計算結果

圖8和表2為帶噴氣自驅動風扇的大涵道比發動機設計點參數計算結果。由圖8可以看出，采用噴氣自驅動方案時，發動機的推力為116.8kN，耗油率為0.505kg/(dN·h)。

表2 風扇引氣參數

圖8 程序界面

3.2 非設計狀態計算

本文采用對公開的發動機部件特性進行縮放的方法對帶噴氣自驅動風扇的大涵道比渦扇發動機的非設計狀態進行計算。得到發動機的部件特性后，需要用到壓氣機和渦輪的特性圖來獲得流量、壓比、效率等參數。針對壓氣機特性圖的特點，采用二元插值的方法，只需確定以下特性圖中的2個變量值，即可獲得部件的其他特性參數。對于壓氣機部件，選取的初猜值為相似轉速n和工作點取值β，通過n和β即可確定壓氣機的相似轉速、流量、壓比和效率。

圖9為典型的民航客機飛行包線，對于發動機的非設計工況，如果對全包線范圍的工作點進行計算，工作量十分巨大，因此本文選取了一些典型的工作點，如圖9所示。

圖9 典型民航客機飛行包線

3.3 與常規發動機對比

對于常規的雙轉子分開排氣的渦扇發動機，通過Gasturb軟件完成對其總體性能參數(推力、耗油率)的計算。

完成計算后，將兩種發動機的推力和耗油率計算結果繪制成折線圖，如圖10和圖11所示。由圖中可以看出，兩種類型的發動機推力及耗油率相差很小。

圖10 兩種類型發動機推力對比

圖11 兩種類型發動機耗油率對比

4 結語

本文通過噴氣驅動旋翼的原理提出了一種新型的噴氣自驅動發動機，解決未來渦扇發動機涵道比不斷增大帶來的部件轉速不匹配問題。通過對帶噴氣自驅動風扇的發動機進行總體性能仿真，并與常規的雙轉子分開排氣發動機對比，得出以下結論：

1) 采用噴氣自驅動風扇后，發動機的推力及耗油率變化不大；

2) 由于噴氣自驅動風扇發動機中低壓渦輪僅需要驅動增壓級做功，可以大大減少低壓渦輪的級數，減輕發動機質量，進一步提升了發動機的推重比。