自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)方法

李瑞軍，王靖凱，吳 濛

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

自渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)世以來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)人員就一直在為如何解決大單位推力和低燃油消耗率之間的矛盾而努力工作。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力較大，但是耗油率太高；大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率較低，但是單位推力太小[1-2]，需要更大的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量來(lái)彌補(bǔ)。因此，需根據(jù)不同任務(wù)需求采取折衷的設(shè)計(jì)思路，但卻不能同時(shí)兼顧大單位推力和低耗油率的要求。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)某些部件的幾何形狀、尺寸或位置來(lái)改變其熱力循環(huán)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，利用變循環(huán)改變發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)，理論上可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種飛行和工作狀態(tài)下均具備良好的性能[3-5]。

自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的一種發(fā)展型，相比變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有更大的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍和更好的性能。關(guān)于自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，各種文獻(xiàn)資料說(shuō)法不一。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室預(yù)計(jì)，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率將比F135 發(fā)動(dòng)機(jī)的低25%，使飛機(jī)的作戰(zhàn)半徑增加25%～30%，續(xù)航時(shí)間增加30%～40%[6-8]；與常規(guī)循環(huán)結(jié)構(gòu)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完成相同的飛行任務(wù)可以節(jié)省12%～17%的燃油[9]；美國(guó)“自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)（Adapative Engine Technology Development，AETD）”項(xiàng)目中研究和驗(yàn)證的自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與F135 發(fā)動(dòng)機(jī)相比，燃油消耗量減少20%，凈推力增大5%，加力推力增大10%，航程延長(zhǎng)30%[10]。

以上數(shù)據(jù)大部分來(lái)源于外文資料或報(bào)道，其說(shuō)法和數(shù)據(jù)有較大差異，有的說(shuō)是耗油率降低，有的說(shuō)是燃油效率提高或是燃油消耗量降低，概念很不統(tǒng)一，對(duì)比的基礎(chǔ)和邊界條件也未知，很容易造成誤解。似乎凡是變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)或自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)都能夠達(dá)到這樣的性能優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)如何評(píng)價(jià)自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)勢(shì)開(kāi)展分析和討論。

1 自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)方法

航空發(fā)動(dòng)機(jī)一般用耗油率、單位推力、推重比等指標(biāo)評(píng)價(jià)其性能先進(jìn)程度或者優(yōu)勢(shì)，這些指標(biāo)相對(duì)比較單一，主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，未與終端產(chǎn)品飛機(jī)的使用結(jié)合，綜合評(píng)價(jià)能力不足。本文引入2 種評(píng)價(jià)方法用于自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)。

1.1 評(píng)價(jià)方法1

該方法基于發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)起飛質(zhì)量直接關(guān)聯(lián)的2個(gè)參數(shù)提出，即發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。

自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是提升飛機(jī)航程，因此在評(píng)價(jià)過(guò)程中有必要引入航程參數(shù)R，假設(shè)飛機(jī)巡航速度為V0，即可計(jì)算出飛行時(shí)間t

假設(shè)飛機(jī)所載燃油全部用于巡航，飛機(jī)載油質(zhì)量WF為[11-12]

式中：Fcr為發(fā)動(dòng)機(jī)巡航狀態(tài)安裝推力；i為配裝在飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)份數(shù)；Isfc.cr為發(fā)動(dòng)機(jī)巡航狀態(tài)耗油率。

飛機(jī)起飛質(zhì)量WTO定義為[13]

式中：WS為飛機(jī)機(jī)體質(zhì)量；WP為有效載荷質(zhì)量；WE為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量；WF為飛機(jī)載油質(zhì)量。

上式中與發(fā)動(dòng)機(jī)性能相關(guān)的參數(shù)為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量和在一定航程下飛機(jī)需要消耗的燃油質(zhì)量，由此引入燃油質(zhì)量和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量單位推力之和

將式（4）代入式（2）可得

式中：γcr為高空巡航時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力質(zhì)量。

從式（5）中可見(jiàn)，在給定航程，即固定巡航時(shí)間之后，可以按照巡航狀態(tài)的安裝耗油率和巡航狀態(tài)單位推力質(zhì)量計(jì)算ˉ，該值越小越好。

1.2 評(píng)價(jià)方法2

類(lèi)比運(yùn)輸機(jī)評(píng)價(jià)概念，引入飛機(jī)燃油效率ηAero，表示在消耗單位燃油流量時(shí)飛機(jī)完成任務(wù)的能力水平（航程和有效載荷的乘積），即

該參數(shù)即取決于飛機(jī)自身氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完善程度，也取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率。

為計(jì)算固定航程下的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，需引入航程計(jì)算式[14]

式中：L/D為飛機(jī)升阻比；V0為巡航速度；μ為飛機(jī)載油系數(shù)

在給定有效載荷和航程的情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得飛機(jī)空重比，根據(jù)式（9）[15]可計(jì)算出飛機(jī)起飛質(zhì)量，然后根據(jù)式（8）得出燃油消耗量，將該值代入式（6），即可得出飛機(jī)燃油效率。

2 自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)

2.1 利用方法1進(jìn)行評(píng)價(jià)

自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)耗油率降低的同時(shí)，也將帶來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的增加。利用方法1 可評(píng)價(jià)自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低與質(zhì)量增加之間的平衡關(guān)系，從式（5）中可見(jiàn)，該平衡關(guān)系受到巡航時(shí)間的影響，即與飛機(jī)的航程相關(guān)。

假設(shè)飛機(jī)燃油全部用于巡航，巡航高度為11 km，巡航馬赫數(shù)為0.8。首先研究耗油率每降低1%和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量每增加1%對(duì)的一般規(guī)律。航程分別按照3500、4500 km 計(jì)算，巡航耗油率和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量WE對(duì)影響的計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 巡航耗油率Isfc.cr和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量WE變化對(duì)的影響

從圖中可見(jiàn)：

（1）當(dāng)耗油率降低和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加至某一平衡點(diǎn)時(shí)，存在最小值，發(fā)動(dòng)機(jī)性能方案最優(yōu)。

（2）最優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低值和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加值與飛機(jī)航程相關(guān)，航程越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)平衡點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低值和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加值越大。

（3）在本文假設(shè)的任務(wù)條件下，當(dāng)航程R=3500 km 時(shí)，相比基準(zhǔn)值，耗油率降低約45%、發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加約80%時(shí)值最小；當(dāng)航程增加至R=4500 km時(shí)，使最小的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低值和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加值更大。

在同等技術(shù)水平條件下，假設(shè)自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在亞聲速巡航狀態(tài)下耗油率降低10%、質(zhì)量增加分別為30%和20%的2 種情況下，研究飛機(jī)航程達(dá)到多少時(shí)，自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)更有優(yōu)勢(shì)，航程R和質(zhì)量WE對(duì)的影響如圖2所示。

從圖中可見(jiàn)：

（1）航程越長(zhǎng)，自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)越明顯。

（2）假設(shè)自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在巡航狀態(tài)下的耗油率降低10%，如果質(zhì)量增加達(dá)到30%，則航程需超過(guò)3500 km 時(shí)，才能體現(xiàn)自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)；如果質(zhì)量增加控制在20%，則航程在3000 km 以上即可體現(xiàn)自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)。

2.2 利用方法2進(jìn)行評(píng)價(jià)

假設(shè)飛機(jī)有效載荷Wp=5 t，飛機(jī)巡航速度V0=850 km/h，研究飛機(jī)在不同升阻比L/D和航程R條件下，自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)降低不同耗油率時(shí)，飛機(jī)節(jié)省的燃油消耗量和飛機(jī)燃油效率提升值。飛機(jī)空重比參考文獻(xiàn)[15]進(jìn)行計(jì)算，載油系數(shù)μ通過(guò)式（7）計(jì)算，通過(guò)反復(fù)的循環(huán)迭代，可計(jì)算出完成假設(shè)任務(wù)時(shí)需要消耗的燃油流量和燃油效率。同樣假設(shè)飛機(jī)燃油全部用于巡航，巡航高度為11 km，巡航馬赫數(shù)為0.8。巡航耗油率Isfc.cr對(duì)燃油消耗質(zhì)量WF和燃油效率ηAero影響的最終計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從圖中可見(jiàn)：

（1）自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相比常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，在耗油率降低時(shí)，其對(duì)飛機(jī)燃油消耗質(zhì)量和燃油效率的影響程度與飛機(jī)航程和飛機(jī)升阻比相關(guān)，飛機(jī)航程越長(zhǎng)、升阻比越小，耗油率降低帶來(lái)的收益越明顯。

（2）在巡航航程R=3500 km，L/D=10.5 時(shí)，如果自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的巡航耗油率相比常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的降低10%，可使飛機(jī)燃油消耗質(zhì)量減少約19%，飛機(jī)燃油效率提高約24%。

圖3 巡航耗油率Isfc.cr變化對(duì)WF和ηAero的影響

（3）在巡航航程R=4500 km，L/D=10.5 時(shí)，如果自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的巡航耗油率相比常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的降低10%，可使飛機(jī)燃油消耗量減少約24%，飛機(jī)燃油效率提高約30%。

3 結(jié)論

本文開(kāi)展了2 種評(píng)價(jià)自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)勢(shì)的方法研究。第1 種方法以發(fā)動(dòng)機(jī)重量和飛機(jī)燃油消耗量之和為評(píng)價(jià)目標(biāo)值；第2 種方法以飛機(jī)燃油消耗量和燃油效率為評(píng)價(jià)目標(biāo)值，最終可得出如下結(jié)論：

（1）性能評(píng)價(jià)方法1 既考慮了自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，也考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加帶來(lái)的劣勢(shì)，因此存在某個(gè)平衡點(diǎn)，要體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，需盡可能控制發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加不要過(guò)大。同時(shí)，當(dāng)自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)用在航程更長(zhǎng)的飛機(jī)上時(shí)，其優(yōu)勢(shì)才能體現(xiàn)得更明顯。

（2）性能評(píng)價(jià)方法2 僅考慮了自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，未考慮發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加帶來(lái)的劣勢(shì)，但考慮了升阻比的影響。該方法揭示了發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率特性影響飛機(jī)機(jī)體及方案的設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率對(duì)飛機(jī)燃油消耗量的影響呈指數(shù)關(guān)系，并非線性關(guān)系，而且受到航程和飛機(jī)升阻比的影響。原因是在發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低的條件下完成同樣任務(wù)時(shí)，飛機(jī)起飛質(zhì)量減小，需發(fā)動(dòng)機(jī)提供的推力更小，則燃油消耗質(zhì)量必然更少。