田 川，曹惠玲

（1.廈門航空有限責(zé)任公司，廈門 361006；2.中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

田 川1，曹惠玲2

（1.廈門航空有限責(zé)任公司，廈門 361006；2.中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

應(yīng)用分析方法分別對單軸渦噴發(fā)動機、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機以及采用中冷回?zé)峒夹g(shù)后的渦扇發(fā)動機進行了全面的分析。結(jié)果表明，單噴和渦扇發(fā)動機的尾流損是航空發(fā)動機整體損中的最大組成部分，而航空發(fā)動機的第二大損發(fā)生在燃燒室，對渦扇發(fā)動機引入中冷回?zé)峒夹g(shù)后，可以有效提高發(fā)動機的整體利用率，減少尾流中的損失。

燃?xì)鉁u輪發(fā)動機；分析法；中冷回?zé)峒夹g(shù)；尾流損失

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機自問世半個多世紀(jì)以來，在技術(shù)水平上已取得了很大進步。但是，對于航空發(fā)動機的全面能效分析，仍多采用熱效率的方法，并不能有效揭示航空發(fā)動機中有效能的利用與損失情況，而分析正好可以解決這個問題。的概念是上世紀(jì)50年代才被提出的，概念的提出結(jié)束了延續(xù)近乎一個世紀(jì)的只注重能量的數(shù)量、忽略品質(zhì)的不合理現(xiàn)象[1]。將分析法應(yīng)用到航空發(fā)動機的能量利用分析在國內(nèi)研究相對較少，而國外已經(jīng)開展了大量的相關(guān)研究工作，國外現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)在航空發(fā)動機整體的分配中，尾流的損失非常大，是航空發(fā)動機內(nèi)部損失的2~4倍，成為損失的主要組成部分[2]。

1 航空發(fā)動機?分析原理簡介

1.1分析的原理

式中：TH為燃燒后未混合前煙氣的溫度，由燃燒計算確定；TL為外界環(huán)境的溫度。

熱效率只能對總熱量Q的利用情況進行分析，然而在總熱量Q中，即使是理想情況下，也只有部分可轉(zhuǎn)化為功，所以熱損失的數(shù)值不能真實反映功損失的情況。而效率可以真實地反映可利用的最大功當(dāng)中實際利用的情況，即

式中：Ex，gain為實際被利用或收益的；Ex，max為環(huán)境條件下理論上可利用的最大功。

式中：Ex，gain為實際被利用或收益的；Ex，max為環(huán)境條件下理論上可利用的最大功。

1.2 航空發(fā)動機分析

單噴發(fā)動機實際可利用的功為氣流流經(jīng)發(fā)動機后所增加的動能，而理論上可利用的最大功，即為熱量。由此得單噴發(fā)動機系統(tǒng)的整體效率為

式中：qma為發(fā)動機氣流流量；v5為發(fā)動機出口氣流流速；v0為發(fā)動機進口氣流流速。

式中：qmg1為內(nèi)涵道氣流流量；qmg2為外涵道氣流流量；v91為內(nèi)涵道出口氣流流速；v92為外涵道氣流出口流速。

式中：Ex0為系統(tǒng)進口氣流的焓；Ex1為系統(tǒng)出口氣流的焓。

式中：Ex1為壓氣機進口氣流的焓；Ex2為壓氣機出口氣流的焓；Wc為輸入壓氣機軸功。

式中：exf為燃油的化學(xué)；ex，a2為燃燒室進口氣流的焓；ex，g3為燃燒室出口氣流的焓。

式中：Ex3為渦輪進口氣流的焓；Ex4為渦輪出口氣流的焓；WT為渦輪輸出的軸功。

式中：h5為尾流氣流的焓值；S5為尾流氣流的熵值。

2 各種航空發(fā)動機?分析

2.1 單噴發(fā)動機分析

以不帶加力的單噴發(fā)動機為例，尾噴管為收縮形噴管，壓氣機總增壓比為8.75，渦輪前進口溫度為1 188 K，飛行高度11 km，飛行馬赫數(shù)為0.75，通過分析計算，可知發(fā)動機各部件損所占的比例如圖1所示。

圖1 單噴發(fā)動機分析Fig.1 Exergy analysis of single-spool turbo engine

2.2 CFM56-3渦扇發(fā)動機分析

CFM56-3是由CFM國際制造的高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機，用于波音737、空中客車A320、空中客車A340-200/300等飛機上，是世界上使用最為普遍的渦輪風(fēng)扇發(fā)動機之一。

CFM56-3發(fā)動機的總增壓比為25，渦輪前燃?xì)鉁囟葹? 336 K，涵道比為6，以飛行高度為11 km、飛行馬赫數(shù)為0.75的飛行狀態(tài)為例，分析各部件的損。

圖2 CFM56-3發(fā)動機分析Fig.2 Exergy analysis of CFM56-3 turbofan engine

GEnx發(fā)動機是GE公司為B787“夢幻”客機研制的新一代發(fā)動機，其各個參數(shù)指標(biāo)代表了目前最先進的水平。GEnx發(fā)動機的涵道比高達(dá)10~11，渦輪前溫度高達(dá)1 773 K，總增壓比高達(dá)45[7]。

下面以飛行高度為11 km、飛行馬赫數(shù)為0.75的飛行狀態(tài)為例，具體分析各部件的損。

圖3 GEnx發(fā)動機分析Fig.3 Exergy analysis of GEnx turbofan engine

2.4 中冷回?zé)岷蟮腉Enx渦扇發(fā)動機分析

中冷回?zé)峒夹g(shù)是在常規(guī)循環(huán)的基礎(chǔ)上，增加了中冷和回?zé)岘h(huán)節(jié)。

如圖4所示，在壓氣機壓縮氣體過程中，隨著氣流被壓縮，氣流的溫度會逐漸上升，采用了中冷，在每一級壓縮后，氣流在經(jīng)過靜子葉片時，氣流與靜子葉片中的換熱器進行換熱，從而使氣流得到冷卻，而在換熱器中被加熱的導(dǎo)熱介質(zhì)被送往外涵道的支撐結(jié)構(gòu)中，并與外涵道的氣流進行換熱，將內(nèi)涵道中的氣流熱量傳遞到外涵道氣流中，被冷卻的換熱介質(zhì)被輸送回內(nèi)涵道中的壓氣機靜子葉片中，從而繼續(xù)對內(nèi)涵道氣流進行冷卻[8]。

圖4 利用靜子結(jié)構(gòu)作為換熱器的新概念中冷回?zé)釡u扇發(fā)動機Fig.4 New intercooled and recuperated turbofan engine by using stator vanes as heat exchanger

在回?zé)徇^程中，高壓壓氣機出口氣流在流過高壓壓氣機出口導(dǎo)向葉片和燃燒室進口導(dǎo)向葉片時，被換熱介質(zhì)加熱，使氣流在燃燒前得到預(yù)熱，而換熱后的換熱介質(zhì)則被重新輸送回渦輪出口導(dǎo)向葉片的換熱器，被渦輪出口氣流重新加熱。被加熱后的換熱介質(zhì)可以重新被繼續(xù)輸送到高壓壓氣機出口導(dǎo)向葉片和燃燒室進口導(dǎo)向葉片中，繼續(xù)對高壓壓氣機出口的氣流進行加熱[9]。

采用這種新概念的中冷回?zé)岚l(fā)動機有效地節(jié)省了燃料消耗量。在壓縮中的每一級都進行冷卻，壓縮過程從多變過程變?yōu)榻咏诙剡^程，由此可以有效地減少壓氣機的耗功，提高壓氣機的工作效率[10]。

本文以飛行高度為11 km、飛行馬赫數(shù)為0.75、采用新型中冷回?zé)峒夹g(shù)并將涵道比增加到14后的GEnx發(fā)動機為例，分析新型中冷回?zé)釡u扇發(fā)動機各部件的損。

如圖5所示，在采用新型理想中冷回?zé)岵⒑辣仍龃蟮?4后的GEnx發(fā)動機，發(fā)動機有效利用的上升到了31%。在采用中冷回?zé)岵⒃龃蠛辣群?，尾流中的損有了明顯下降，從33%降低到了26%。尾流中，溫度損占發(fā)動機整體損的12.85%，而原始GEnx發(fā)動機的溫度損高達(dá)22.4%，這說明在引入了回?zé)峒夹g(shù)后，既減少了壓氣機的耗功，又使尾流中未能被有效利用的溫度得到了重新利用。整體來看，新型中冷回?zé)岵⒃龃蠛辣群蟮腉Enx發(fā)動機有很大的發(fā)展前途。

圖5 理想中冷回?zé)釡u扇發(fā)動機分析Fig.5 Exergy analysis of intercooled and recuperated turbofan engine

3 結(jié)語

[1]傅秦生.能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2005.

[2]CHRISTOPHER D MARLEY，DAVID W Riggins，et al.The thermodynamics of exergy losses and thrust production in gas turbine engines [C].AIAA Journal，2011.

[3]沈維道，蔣智敏，童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[4]何 為，吳玉庭，馬重芳，等.單螺桿發(fā)動機空氣動力系統(tǒng)能效分析[J].機械工程學(xué)報，2011，47（6）：150-155.

[5]瞿紅春，林兆福.民用航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機原理[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2006.

[6]王新月.氣體動力學(xué)基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[7]陳 光.用于波音787客機的GEnx發(fā)動機設(shè)計特點[J].航空發(fā)動機，2010，36（1）：1-5.

[8]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[9]YUTAKA ITO，TAKAO NAGASAKI.Suggestion of intercooled and recuperated jet engine using already equipped components as heat exchangers[C].AIAA Journal，2011.

[10]曹夢源，唐海龍，陳 敏，等.中冷回?zé)岷娇諟u扇發(fā)動機熱力循環(huán)初步分析[J].航空動力學(xué)報，2009，24（11）：2465-2470.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Exergy analysis of gas turbine engine

TIAN Chuan1，CAO Hui-ling2
（1.Xiamen Airlines，Xiamen 361006，China；2.College of Aeronautical Engineering，CAUC，Tianjin 300300，China）

In order to find out the exergy loss of aero-engines，and to reveal the weakest chain of the exergy utilization，this article analyzes the exergy efficiency of single-spool turbo engine，turbofan engine and the intercooled and recuperated turbofan engine.The calculation results prove that the exergy loss during the wake equilibration process is the largest part of the exergy loss，which is more than one third of the overall exergy. The second largest part of the exergy loss is in the combustion chamber.When the intercooled and recuperated components are applied，the entire exergy efficiency can be better，what's more，the exergy loss during the wake equilibration process is significantly reduced.By analyzing the exergy efficiency of different types of aero-engines，this article will contribute to the design and improvement of the future aero-engines.

gas turbine engine；exergy efficiency；intercooled and recuperated aero-engine；wake loss

V235.1

：A

：1674-5590（2014）01-0028-05

2012-07-04；

：2012-09-21

田 川（1989—），男，河北保定人，工程師，學(xué)士，研究方向為航空發(fā)動機狀態(tài)性能分析.