某渦槳發動機高空試驗配裝不同尾噴管對性能影響研究

易方欣 蔡建兵

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

渦槳發動機在世界上的運用十分廣泛，因其較低的耗油率、極佳的經濟性而被廣泛應用于運輸機、轟炸機和教練機等[1]。中國自20世紀60年代開始研制渦槳發動機，至今已有渦槳-5、渦槳-6以及渦槳-9系列發動機，而按照國際上對渦槳發動機代際劃分標準來看，這些都屬于第一、二代渦槳發動機，與國際水平還有一定的差距[2]，后續我國渦槳發動機的研制還有較長的一段路要走。

發動機試驗是航空發動機在研制過程中必不可少的手段[3]，而發動機高空臺試驗在航空發動機發展歷程中更是作用巨大。

高空臺試驗是在高空試驗密閉倉內調整發動機的進氣條件，模擬飛機在全飛行包線內的各種飛行狀況，或者在飛行包線外進行工作包線擴展驗證，用以驗證發動機的高空工作能力。

本文某渦槳發動機進行高空試驗時，配裝兩個不同尾噴管按照相同試驗譜所進行的高空試驗工作點與工作時間都是完全一致的，在對控制唯一變量—尾噴管的情況下進行的高空試驗所得到的結果進行分析即可得到配裝不同尾噴管的發動機在相同工作點的性能差異，分析試驗數據可以找到不同尾噴管對于發動機在高空試驗時的性能影響。

1.不同尾噴管的差異

渦軸、渦槳發動機的功率輸出軸分為前輸出軸和后輸出軸，而前輸出軸亞聲速渦槳發動機的尾噴管多為結構簡單的排氣管[4]，本文前輸出軸渦槳發動機所采用的是不可調收斂型噴管。

渦槳發動機的燃氣能量大多數在動力渦輪就會轉變為機械能經過減速器傳給輸出軸，且渦槳發動機大都是在亞聲速情況下飛行，所以，燃氣在不可調收斂型噴管中不完全膨脹的損失較小。但是不同的排氣管流場必然會影響到動力渦輪后流場，而動力渦輪后不同的流體壓力會使得動力渦輪的效率受到影響。

噴管[2]進、出口面積和噴管[1]進、出口面積是完全相同的，但二者的整體長度和結構形狀是有差異的：

（1）噴管[1]整體更長，較長的長度使得噴管與中心軸線的夾角更小，氣流過渡更平滑。噴管[1]整體構型如圖1所示。

圖1 尾噴管[1]簡易模型圖

（2）噴管[2]整體更短，更短的長度使得噴管與中心軸線的夾角更大，氣流過渡更陡峭。噴管[2]整體構型如圖2所示。

圖2 尾噴管[2]簡易模型圖

噴管[2]的整體長度約為噴管[1]整體長度的60%，在進、出口面積相同的情況下噴管[1]相對噴管[2]近乎兩倍的長度比會使得二者的收斂角度差距較大。

2.某渦槳發動機配裝不同尾噴管試驗分析

2.1 穩態性能數據

發動機配裝兩種尾噴管在ISA、相同馬赫數、不同飛行高度進行了性能錄取試驗，噴管[2]相對噴管[1]穩態性能變化如下表所示：

表1中穩態數據為配裝噴管[2]時的穩態數據減去配裝噴管[1]時的穩態數據的值，即噴管[2]-噴管[1]的差值。

表1 噴管[2]相對噴管[1]的穩態性能變化幅度

2.2 高空試驗數據分析

由試驗數據可知，在H=7km、Ma=0.5、ISA，H=8km、Ma=0.5、ISA和H=9km、Ma=0.5、ISA這3種進氣條件下，除了軸功率其他數據自巡航及以上工作狀態的差值都為正值。

軸功率的差值有正有負是因為本文發動機在試驗時上推至某一工作狀態后，在軸臺試驗時將PLA（功率桿）推至規定角度后水力測功器控制的扭矩值無法完全穩定，導致發動機功率會在規定數值附近小幅度波動。所以本文的渦槳發動機配裝不同噴管時在同一工作狀態軸功率差值會有輕微的正負浮動變化。

在不同的進氣條件下，各個工作狀態的高壓轉速、低壓轉速、燃油流量、空氣流量、渦輪前溫度、排氣溫度都是配裝噴管[2]時略高于配裝噴管[1]的。從試驗數據可以說明在高空、高速時配裝收斂型噴管恒功率控制的某型渦槳發動機的尾噴管出口越小則發動機轉速越高，且燃油消耗量和熱力循環參數也會升高。

從H=7km、Ma=0.5、ISA全部工作狀態，H=8km、Ma=0.5、ISA的80%最大功率、100%最大功率，H=9km、Ma=0.5、ISA的100%最大功率的變化幅度值可知：在一定的飛行高度、速度條件下，相較于噴管[2]，發動機配裝噴管[1]達到更高軸功率時發動機所需要的轉速以及燃油流量反而更低。

雖然其他工作狀態的變化幅度為正，例如H=8km、Ma=0.5、ISA的90%最大功率狀態，但是發動機配裝噴管[2]相較于配裝噴管[1]試驗時只增加了很小的軸功率（+0.06%），而燃油消耗量增加了1.36%，溫度方面T41溫度增加了2.38%、T6溫度增加了2.71%，可以說明此時噴管[2]的渦輪效率仍然是低于噴管[1]。

由上述可知，相較于噴管[2]，本文渦槳發動機配裝噴管[1]時有著更好的動力渦輪效率、更優的發動機性能，在高空、高速的情況下達到更高的軸功率只需要更低的轉速和燃油流量。

3.噴管對發動機性能影響分析

在“1不同尾噴管的差異”中已經列出了不同尾噴管的結構差異，從中可以分析得出：在兩種尾噴管擁有相同進、出口面積情況下，噴管[1]相比噴管[2]有更修長的噴管長度、更小的噴管收斂角。

由圖3可知，更小的收斂角可以得到更高的流量系數。因此相較于噴管[2]，噴管[1]有更高的尾噴管流量系數，更好的流通能力。

圖3 尾噴管流量系數與面積比、收斂角的關系圖

收斂噴管的可用膨脹比（πNZ,us）定義為噴管進口截面氣流總壓（Pa7）與環境靜壓（Pa）之比：

收斂噴管內氣流恒處于不完全膨脹狀態，此時噴管出口的氣流馬赫數恒等于1，可用膨脹比（πNZ,us）恒大于臨界膨脹比（πNZ,cr），且（πNZ,us）隨著πNZ,cr呈相關線性變化[4]。又如圖4所示，臨界膨脹比會隨著收斂角度下降而減少、隨著(R8/R7)2增加而下降，可知越小的噴管收斂角和更大的噴管面積會得到越小的臨界膨脹比，進而得到越小的可用膨脹比。

圖4 收斂噴管臨界膨脹比關系曲線圖

因此在進、出口面積相同的情況下，相較于噴管[2]，整體更修長、收斂角更小的噴管[1]有著更小的可用膨脹比，更低的尾噴管進口總壓，更低的動力渦輪后燃氣總壓。在相同燃油流量的情況下，這會使配裝噴管[1]的發動機動力渦輪有更大的渦輪膨脹比，更高的效率，產生更多的功。

4.結論

通過對某渦槳發動機配裝不同尾噴管進行高空試驗的試驗數據分析可知：

某亞聲速渦槳發動機配裝兩個不同的收斂型尾噴管進行相同的高空試驗內容時，在兩個尾噴管進、出口面積相同的情況下，更修長、平滑的噴管形狀（更小的收斂角度）會使得該渦槳發動機擁有更好的動力渦輪效率，在同等燃油流量下某渦槳發動機配裝更平滑、修長的尾噴管可以得到更大的軸功率和更低的耗油率，進而獲得更優的發動機總體性能。