高空條件下進口馬赫數變化對某型發動機性能及穩定性影響分析

盧明亮

（沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

航空發動機需在全包線范圍內可靠穩定工作，在運行過程中，外界環境變化會對其性能和穩定性產生影響。本文以某型中等涵道比渦輪風扇發動機機為研究對象，重點分析在高空條件下，發動機進口馬赫數變化對發動機性能和穩定性的影響，掌握在不同進口馬赫數條件下，發動機推力、耗油率、排氣溫度、喘振裕度等變化情況，為發動機控制規律設計提供有利依據，從而保證發動機性能和穩定性滿足設計要求。

1 計算條件

本文以Gasturb11計算平臺為基礎，計算發動機性能及穩定性。

1.1 性能計算條件

在計算發動機性能時，選取11km高度，將高壓物理轉速換算到標準大氣條件下，控制高壓換算轉速N2r分別等于98.2%、93.8%和92.2%，調整發動機進口馬赫數，分析發動機性能變化情況。

1.2 穩定性計算條件

1.2.1 風扇裕度計算條件

在計算發動機風扇裕度時，選取11km高度，將低壓物理轉速換算到標準大氣條件下，控制低壓換算轉速N1r分別等于91.9%、83.6%和80.4%條件下，調整發動機進口馬赫數，分析風扇裕度變化情況。

1.2.2 高壓壓氣機裕度計算條件

在計算發動機高壓壓氣機裕度時，選取11km高度，將高壓物理轉速換算到高壓壓氣機進口條件下，在控制高壓換算轉速N2r25分別等于87.6%、85.3%和84.6%條件下，調整發動機進口馬赫數，分析高壓壓氣機裕度變化情況。

2 計算結果分析

為了便于闡述，令各轉速下0.3Ma的計算結果為基準值n，分析不同轉速下馬赫數變化對發動機性能及穩定性的影響。

2.1 性能計算結果分析

如表1、圖1～圖3所示，在相同轉速條件下，當發動機進口馬赫數逐漸增大時，發動機推力呈現先減小再增大的趨勢；發動機耗油率呈現逐漸增大的趨勢；發動機排氣溫度呈現逐漸升高的趨勢。

發動機航空發動機推力計算公式為F=W9c9-Wac0+（P9-P0）A9，假設尾噴管完全膨脹（P0=P9），并忽略燃氣質量流量與空氣質量流量的差別（W9=Wa），則推力公式可以簡化為F=Wa（c9-c0）[1]。當發動機進口馬赫數逐漸增大時，發動機進口空氣流量Wa和進口空氣流速c0均增大，綜合作用下，發動機推力呈現先減小再增大的趨勢；由于發動機進口空氣流量Wa增大，發動機燃油流量隨之增大，同時考慮推力的變化趨勢，綜合影響下，耗油率逐漸增大，并且趨勢越來越平緩；另外由于發動機進口空氣流量Wa和燃油流量均增大，因此發動機排氣溫度逐漸升高。

表1 發動機性能隨馬赫數變化情況

圖1 推力隨馬赫數變化情況

圖2 耗油率隨馬赫數變化情況

圖3 排氣溫度隨馬赫數變化情況

2.2 穩定性計算結果分析

由表2和表3可以看出，在相同轉速條件下，隨著進口馬赫數的增大，發動機進口溫度升高、進口流量增大，渦輪落壓比增大，導致壓氣機和渦輪部件特性匹配發生變化，發動機共同工作線向下移動，遠離喘振邊界，風扇裕度和高壓壓氣機裕度增大，穩定性增強。

由圖4可以看出，在低轉速條件下，進口馬赫數對風扇裕度的影響更為顯著；由圖5可以看出，在不同轉速條件下，高壓壓氣機裕度受進口馬赫數的影響程度基本一致。

表2 風扇裕度隨馬赫數變化情況

表3 高壓壓氣機裕度隨馬赫數變化情況

圖4 風扇裕度隨馬赫數變化情況

圖5 高壓壓氣機裕度隨馬赫數變化情況

3 結束語

通過對某型中等涵道比發動機進行計算分析，可以得出以下結論：

（1）在飛行高度和環境溫度一定的條件下，控制發動機高壓換算轉速N2r不變，發動機進口馬赫增大時，發動機推力先減小后增大，發動機耗油率增大，排氣溫度升高；

（2）在飛行高度和環境溫度一定的條件下，控制發動機低壓換算轉速N1r不變，發動機進口馬赫增大時，風扇裕度增大；控制發動機高壓換算轉速N2r25不變，發動機進口馬赫增大時，高壓壓氣機裕度增大。