高性能經濟可承受先進加力燃燒室技術GOTChA 分解

鄧愛明，王中豪，張軍華，胡 斌，趙慶軍，3，黃 勇

(1.中國科學院工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院輕型動力重點實驗室，北京 100190；4.北京航空航天大學，北京 100191)

1 引言

軍用戰斗機常采用加力燃燒室來增加推力，以提高其加速性和機動性[1-2]。近年來，隨著戰斗機朝寬空域、高馬赫數的趨勢發展，美國制定了飛行馬赫數4.0 一級作戰飛機的研制計劃，渦輪基組合循環(TBCC)發動機[3]是其寬速域動力裝置的一個發展方向。TBCC 發動機渦輪后的燃燒室兼具了加力燃燒室和沖壓燃燒室的功能[4-6]，當其以加力燃燒室狀態工作時，發動機的涵道比、速度、溫度及流量變化范圍較大，要在寬廣的工作范圍保持高效、穩定的工作將面臨極為嚴峻的技術挑戰。為此，必須盡早制定加力燃燒室的技術路線和發展方向，并加強其預研工作。

當前國內航空發動機專項計劃要求，針對加力燃燒室真實環境下工作遇到的具體問題去開展工作。為提高研究工作的組織效率，規范項目管理，急需對加力燃燒室的研究目標和研究現狀進行分析，明確技術指標和急需開展的研究內容，并定量評估研究結果。在這一背景下，國內針對加力燃燒室開展了大量的研究工作，但這些工作缺少對加力燃燒室性能綜合評價的研究，導致各專項研究中難以給出明確的研究指標，不能定量分析加力燃燒室技術指標對發動機性能的影響，從而可能造成研究內容重復、研究指標沒有持續性等問題。

為此，本文提出了加力燃燒室技術綜合評價指標，并對加力燃燒室三個階段的技術指標進行了定量分析。同時，以美國預研計劃中采用的GOTChA管理方法為基礎[7-9]，給出了實現加力燃燒室第一階段目標的GOTChA 圖分解，明確了加力燃燒室研究面臨的技術挑戰和所需方法。研究結果將有助于加深研發人員對加力燃燒室研究現狀及研究目標可行性的認識，統籌開展基礎研究、技術開發及工程應用研發工作，協調確定加力燃燒室設計要求，并逐步建立加力燃燒室技術指標體系。

2 GOTChA 概念

GOTChA 由目的(Goals)、目 標(Objectives)、技術挑戰(Technical Challenges)和方法(Approaches)構成。目的指頂層技術目標，即最終要達到的結果。加力燃燒室研究的目的是要達到發動機總體提出的加力燃燒室設計技術指標。目標指部件和分系統要達到的技術水平。對于加力燃燒室，需要對發動機總體技術指標進行分解，對構成加力燃燒室的各部件參數及性能指標提出具體要求。技術挑戰指特定的科學/技術難點。方法指先進的科學技術方法，是解決技術挑戰或難點所必需的。通過更先進的理論分析、數值模擬方法或測試技術來深入研究當前遇到的技術難題，從而提升設計技術水平。

3 加力燃燒室技術綜合評價指標及影響

以美國VAATE 計劃為參考，提出了高性能經濟可承受先進加力燃燒室技術(HPAAAT)的綜合評價指標(CPAI)。CPAI定義為：

式中：η為加力燃燒室效率；σr為總壓恢復系數，為加力燃燒室出口總壓與其進口總壓之比；T*為加力燃燒室出口總溫；L/D為加力燃燒室長度(包括摻混段長度、擴壓段長度及燃燒區長度)與直徑之比，通常稱為加力燃燒室長徑比；C/Ls為產品成本與壽命周期之比。

為定量評估加力燃燒室技術水平，需確定加力燃燒室的燃燒效率、總壓恢復系數、出口總溫、長徑比、成本與壽命周期等參數變化后對發動機推重比、耗油率、成本、壽命的影響。表1 給出了采用敏感度分析方法得出的推重比10 一級發動機加力燃燒室工作參數變化對發動機推力和耗油率的影響敏感系數[10]。由表可知，增大總空氣流量是提高發動機推力最有效的方法(其影響敏感系數為1.000)，其次是減小冷卻空氣系數和增大加力燃燒室出口總溫，加力燃燒室總壓損失對推力的影響敏感系數較低，而燃燒室效率對推力的影響敏感系數最低。提高加力燃燒室出口總溫、減小冷卻空氣系數和提高燃燒室效率是降低耗油率的有效手段，其影響敏感系數分別為1.062、0.740、0.700，加力燃燒室總壓恢復系數對耗油率的影響敏感系數為0.350。對于加力燃燒室，總空氣流量增大，實際上是通過增大加力燃燒室直徑或提高加力燃燒室進口氣流速度來實現的。在加力燃燒室結構不變的情況下，通過提高加力燃燒室進口氣流速度來增大空氣流量，能夠顯著提高推力。加力燃燒室的燃燒效率和燃燒室出口總溫密切相關，根據參考資料[11]可知，在相同供油量下，燃燒效率提高3%，出口總溫提高2%，燃燒效率和出口總溫同時提高將進一步提升發動機性能。

表1 推重比10 一級發動機加力燃燒室基準設計點特征參數變化對發動機性能的影響Table 1 Effects of afterburners characteristic parameter variations at design point on the performances of engines with thrust-weight-ratio of 10

4 加力燃燒室參數變化對發動機性能及部件特性的影響

(1) 燃燒效率的影響

相同供油量下，燃燒效率提高，加力燃燒室出口總溫也將提高。如當前技術水平下加力燃燒室燃燒效率為0.85，當提高5.9%達到0.90 時，加力燃燒室出口總溫將由原來的2 050 K 提高4%到2 131 K，推重比將提高2.22%。

(2) 總壓恢復系數的影響

對于一典型結構加力燃燒室，其冷態總壓損失3%，燃燒段總壓損失5%，總的總壓損失約8%，則總壓恢復系數為0.92。當總壓恢復系數要求提高到0.94，即總壓損失減小到6%(相對降低25%)后，由于熱阻損失幾乎不變，此時冷態總壓損失需降低到1%，即相對降低到33%。由冷態總壓損失Δσ與流阻系數A、堵塞比ε及加力燃燒室進口馬赫數Ma的關系式Δσ=Aε2Ma2可知，在A、Ma不變的情況下堵塞比需降低到原來的57%。如單獨采取減小槽寬的措施，以火焰穩定器初始槽寬為40 mm 的加力燃燒室為基準，要將總壓恢復系數提高到0.94，則槽寬需減小到23 mm 以下。如進口馬赫數提高10%，槽寬至少還要降到基準值的50%以下(20 mm)，這要求進一步減小穩定器所占堵塞面積，才能實現總壓恢復系數0.94 的目標。

(3) 冷卻空氣系數的影響

冷卻空氣系數對壁溫及壽命的影響非常顯著。需要基于燃燒效率，燃氣溫度、材料性能、壽命及可靠性要求才能提出合理的指標，并確定冷卻結構及技術方案。

(4) 加力燃燒室直徑及進口氣流速度的影響

加力燃燒室直徑增大1%，則空氣流量增加2.01%，推力增大2.01%；筒體質量增加1%(假設筒體質量占發動機總質量100 kg 的25%)，發動機總質量增加0.25%，則推重比增加1.76%。因此直徑對于增大發動機推重比非常敏感，其敏感系數為1.76。同時，直徑增大1%，冷卻氣量增大1%，推力降低0.66%，耗油率增大0.74%。綜合兩方面的影響可知，直徑增大時，推重比增大，推重比相對直徑變化的敏感系數為1.088。故綜合的推重比/耗油率的敏感系數僅為0.345。

加力燃燒室進口氣流速度提高10%，則空氣流量增大10%，發動機推力增大10%，質量不變情況下發動機的推重比也增大10%。故發動機推重比對氣流速度的變化非常敏感，其敏感系數達到1.000。

(5) 長徑比的影響

加力燃燒室長度縮短1%，推重比僅增加0.251%。減小加力燃燒段長度將顯著降低對冷卻空氣的需求。一個3 倍長徑比的加力燃燒室(摻混擴壓段長徑比為1，燃燒段長徑比為2)，如總長徑比減小20%，為2.4(0.9+1.5)，燃燒段減小25%，冷卻氣減少25%，推重比增大16.5%。推重比及推重比/耗油率對于長徑比的敏感系數分別為0.825、2.020。

5 加力燃燒室技術指標對綜合評價指標的影響

根據表1 及長徑比對綜合評價指標的影響分析可知：

由CPAI 的定義可知，加力燃燒室長徑比、出口總溫及燃燒效率對加力燃燒室綜合評價指標的影響較大，而總壓恢復系數對綜合評價指標的影響較小。為此，對于先進的加力燃燒室，可采取以下措施提高推重比、降低耗油率。

(1) 減小冷卻空氣系數

減小冷卻空氣系數是提高推重比、降低耗油率的有效手段，同時也是提高燃燒效率及加力燃燒室總溫的有效手段。更多的新鮮冷卻空氣參與燃燒將提高未燃氣中氧氣的含量，有利于提高燃燒速度，縮短燃燒長度，降低富油區域中未燃碳氫比例。

(2) 提高加力燃燒室進口氣流速度，降低流動阻力

加力燃燒室進口氣流速度的提高，一方面能增大空氣流量，但另一方面將增大總壓損失，降低總壓恢復系數。因此，僅提高氣流速度對于提高推重比的作用有限，需要采用小槽寬火焰穩定技術、支板和穩定器一體化技術[12-14]，以降低流動損失。

(3) 提高燃燒效率，增大燃燒室出口總溫

提高燃燒效率，耗油率將明顯降低，而推力對燃燒效率的敏感系數很小。增大燃燒室出口總溫雖能提高推重比，但耗油率也將提高，同時將增大冷卻氣量，故需要根據總體推重比和耗油率折中考慮，以確定合理的出口總溫。

6 加力燃燒室當前技術水平及分階段研究目標

綜上分析可知，提高加力燃燒室進口氣流速度、減少冷卻空氣系數及減小燃燒室長徑比，是先進加力燃燒室的發展方向。由于總壓恢復系數、燃燒效率、加力燃燒室出口總溫對發動機性能指標的影響敏感系數較低，建議發動機總體方案放寬對這些指標的要求?？紤]研究項目的持續性和可量化性，先進加力燃燒室研制可分三個階段實施。第一階段是達到發動機總體最低可接受的目標，需采用顯著的技術改進或革新式的技術創新，以達到總體的基本需求，具備參與整機試驗技術驗證的能力，從而解決總體技術方案是否可行的問題。第二階段是達到加力燃燒室設計的性能目標要求，需要在第一階段的基礎上通過優化具體的技術方案，漸進式發展以解決高性能指標問題。第三階段是達到最終目標，著重提高經濟可承受性，需降低成本、延長工作壽命。

按照優先滿足總體驗證需求，其次滿足高性能要求，最后達到經濟可承受性要求的發展思路，提出的加力燃燒室各階段的技術指標見表2。表中，加力燃燒室的當前技術水平設定為1.0，具體參數應依據基準發動機的技術參數進行修改。

7 高性能經濟可承受先進加力燃燒室技術的GOTChA 圖

基于表2 給出的加力燃燒室分階段技術指標，根據加力燃燒室技術發展趨勢和現狀[15-20]，圖1 示出了高性能經濟可承受先進加力燃燒室研究第一階段的GOTChA 圖，圖中SOA 指當前技術水平。

表2 加力燃燒室分階段技術指標Table 2 Technical index of afterburner staged technology index

8 結束語

以美國VAATE 計劃為參考，提出了先進加力燃燒室技術綜合評價指標。采用敏感度分析方法，獲得了加力燃燒室的燃燒效率、總壓恢復系數、出口總溫、長徑比及壽命周期內成本等技術指標對綜合評價指標的定量影響，明確了提高加力燃燒室進口氣流速度、減小冷卻空氣系數以及縮減加力燃燒室長徑比是先進加力燃燒室的發展方向。按照優先滿足總體驗證需求，其次滿足高性能要求，最后達到經濟可承受性要求的發展思路，給出了加力燃燒室發展各階段具體的技術指標。根據第一階段的目的與當前技術水平的差異，在GOTChA 圖中列出了具體的研究目標以及為解決技術挑戰所采用的方法，對加力燃燒室技術方案論證和項目管理具有指導意義。

圖1 高性能經濟可承受先進加力燃燒室技術的GOTChA 圖Fig.1 GOTChA chart for high performance affordable advanced afterburner technology