趙偉辰，楊懷豐，劉亞君，李家瑞

(中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，遼寧 沈陽 110015)

0 引言

軍用無人戰(zhàn)斗機在現代空戰(zhàn)中具有高隱蔽性、低使用限制和零人員傷亡等特點。因我國軍用大型無人戰(zhàn)斗機動力裝置可供選擇的較少，為盡快滿足裝備部隊執(zhí)行任務的需要，將現有成熟渦扇發(fā)動機改裝為無人戰(zhàn)斗機動力裝置是快速且可靠性較高的技術途徑[1-2]。例如由美國聯(lián)合空戰(zhàn)系統(tǒng)計劃中發(fā)展形成的海軍無人戰(zhàn)斗機X-47B的動力裝置是由普惠公司F100-PW-220E發(fā)動機改裝而成F100-PW-220U[3]，配裝F-16戰(zhàn)斗機時不開加力狀態(tài)推力為66.7 kN[4]。

無人戰(zhàn)斗機相比有人戰(zhàn)斗機在執(zhí)行低空大馬赫數空對地打擊任務時需要更高的推力[5]。同時由于無人戰(zhàn)斗機存放至戰(zhàn)時才使用，對動力裝置只需中等壽命要求[6-7]?？紤]上述作戰(zhàn)任務與發(fā)動機壽命要求，需對動力裝置在允許壽命期內進行推力提升的增能使用。在保持現有發(fā)動機主要結構不變的基礎上，通過調整發(fā)動機變幾何部件幾何面積控制規(guī)律就能夠實現增能使用需求。

目前國內外許多學者致力于發(fā)動機變幾何部件可調面積控制規(guī)律優(yōu)化的研究，主要集中于發(fā)動機整機匹配使用要求和發(fā)動機性能優(yōu)化。王濤基于某燃氣輪機模型開展了動力渦輪導葉角度對燃氣輪機部件間匹配關系研究，指出導葉角度增大會引起燃機進氣流量與燃燒室出口溫度的升高[8]。BARBOSA J R等人基于燃氣發(fā)生器模型研究了壓氣機進口導葉調整對發(fā)動機穩(wěn)定性與加速時間的影響[9-10]。夏存江基于CFM56-3發(fā)動機模型研究了可調放氣活門和靜子葉片角度對發(fā)動機推力與穩(wěn)定性的影響[11]。李偉等人基于某型混合排氣加力渦扇發(fā)動機模型先后研究了高、低壓壓氣機進口導葉角度對發(fā)動機加速過程中穩(wěn)定性的影響和噴管面積調節(jié)精度對發(fā)動機加力性能的影響[11-13]。唐宇峰等人基于某分別排氣渦扇發(fā)動機模型，研究低壓換算轉速控制狀態(tài)下噴管面積對發(fā)動機性能的影響[14]。李志剛等人研究了高空9 km飛行工況中可調導葉與噴管喉道面積對渦扇發(fā)動機性能的影響[15]。袁繼來等人以某混合排氣發(fā)動機模型為基礎，研究混合器進口內外涵面積比對等低壓換算轉速下發(fā)動機性能的影響[16]。駱廣琦等人基于變循環(huán)發(fā)動機模型研究亞音速巡航點與超音速巡航點幾何變量組合調節(jié)對發(fā)動機性能的影響[17]。唐鴻羽等人提出增壓級可調放氣閥門控制規(guī)律設計方法，結果表明設計滿足增壓級與高壓壓氣機匹配性[18]。

考慮到變幾何部件試驗特性的缺乏，目前國內開展控制系統(tǒng)與可調幾何執(zhí)行機構聯(lián)合仿真還需試驗數據進一步支撐，而且基于模型的變幾何控制規(guī)律研究一般針對特定工況和特定部件，而發(fā)動機不同作戰(zhàn)任務工況控制狀態(tài)存在差異性。為了對現有發(fā)動機幾何控制規(guī)律優(yōu)化提供參考方向，同時為發(fā)動機多系統(tǒng)聯(lián)合仿真提供試驗數據支撐，本文基于某小涵道比混合排氣渦扇發(fā)動機模型，開展發(fā)動機增能后可變幾何部件對發(fā)動機性能影響的研究。

1 計算模型與方法

本文研究的發(fā)動機類型為小涵道比渦扇發(fā)動機，發(fā)動機總體性能計算使用零維計算程序，對于不同任務工況點，根據飛行高度H與飛行馬赫數Ma計算發(fā)動機進口總溫T1，根據T1和發(fā)動機控制規(guī)律插值確定發(fā)動機控制參數和各限制參數，迭代計算發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能參數。

將發(fā)動機低壓換算轉速n1R提高3.0%，對比模型計算與臺架試車點發(fā)動機的高壓換算轉速n2R與推力相對增加量ΔF如表1所示，其中n2R以模型計算n1R=1.000時結果為基準進行歸一化處理，可以觀察到轉速誤差<0.5%，推力相對增加量誤差為0.3%，具備工程使用精度要求。

表1 計算模型與臺架試驗對比 單位：%

發(fā)動機增能使用即提升發(fā)動機控制規(guī)律限制值，考慮轉子強度、燃燒室強度和高溫部件耐溫能力，將原始控制規(guī)律中低壓換算轉速限制值提高3.88%，低壓物理轉速限制值提高3.00%，高壓物理轉速限制值提高0.49%，高壓渦輪前總溫限制值提升1.86%，燃燒室前總壓限制值提升2.80%。

2 計算結果與分析

增能發(fā)動機計算工況點選取典型工況點，包括：0km、0.2 M點，該工況按低壓物理轉速n1控制；0.1km、0.8 M點，該工況按高壓物理轉速n2控制；5km、0.9 M點，該工況按高壓渦輪前溫度T4控制。發(fā)動機變幾何機構包含風扇進口可變彎度整流葉片角度α1，壓氣機進口可變彎度整流葉片角度α2和噴管喉道面積A8，對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能進行計算。

2.1 風扇進口可變彎度整流葉片角度影響

調整風扇進口可變彎度整流葉片角度α1后計算發(fā)動機性能的變化。角度調節(jié)后風扇特性由部件試驗測量得到，關角度后風扇同換算轉速下總壓比、壓縮效率和進口換算質量流量均降低，開角度后風扇特性變化趨勢相反，不同換算轉速下特性變化幅度不同，未測量轉速的特性線，由已測量的特性曲線插值獲得。計算發(fā)動機性能變化見表2-表4。其中：W1R表示風扇進口換算質量流量，πf表示風扇總壓比，SMf表示風扇穩(wěn)定裕度，T6表示低壓渦輪出口總溫，n2R25表示壓氣機換算轉速，Sfc表示耗油率。除推力F與耗油率Sfc是相對變化量外，其他參數變化量均為絕對變化量，表中正負表示與發(fā)動機原始狀態(tài)性能參數差值。

表2 0km、0.2 M n1控制工況點α1調節(jié)性能

表3 0.1km、0.8 M n2控制工況點α1調節(jié)性能

表4 5km、0.9 M T4控制工況點α1調節(jié)性能

由表2可得在0km、0.2 M點關α1角度后，發(fā)動機仍處于n1控制狀態(tài)。α1關2°和1°后在相同n1R時，風扇進口通流面積減小，W1R分別減小0.94kg/s和0.47kg/s，風扇耗功降低，πf分別降低0.031和0.016，SMf減小0.16%和0.08%。T4分別降低8.0K與4.0K，T6分別降低4.6K與2.3K，n2分別降低0.23%和0.11%。由于πf降低導致壓氣機進口總溫T25降低，n2R25降低幅度減小。發(fā)動機耗油率降低，轉差減小，推力分別減小1.10%與0.55%。開角度后W1R增加，風扇耗功增加，低壓渦輪功增加，變化趨勢與關角度相反。α1開2°后發(fā)動機進入T4控制狀態(tài)，n1R無法維持原狀態(tài)而降低0.43%，發(fā)動機推力增加0.63%。

由表3和表4可得，發(fā)動機在n2與T4控制工況點，開關α1角度對高壓級無影響，發(fā)動機仍保持原控制狀態(tài)。對于0.1km、0.8 M的n2控制狀態(tài)點，α1關2°和1°，n1R分別提高0.36%與0.18%，W1R分別降低0.48kg/s和0.24kg/s，F分別降低0.26%與0.14%。對于5km、0.9 M的T4控制狀態(tài)，α1關2°和1°推力分別降低0.42%與0.20%。開角度影響程度與關角度相當。

2.2 壓氣機進口可變彎度整流葉片角度影響

調整壓氣機進口可變彎度整流葉片角度α2后計算發(fā)動機性能的變化，角度調節(jié)后壓氣機特性由部件試驗測量得到。調開α2角度，相同換算轉速下壓氣機耗功增加，總壓比升高，進口換算質量流量增加，關角度特性變化相反。計算發(fā)動機性能變化見表5-表7，其中：SMc表示壓氣機穩(wěn)定裕度，W25R表示壓氣機進口換算質量流量。

表5 0km、0.2 M n1控制工況點α2調節(jié)性能

表6 0.1km、0.8 M n2控制工況點α2調節(jié)性能

表7 5km、0.9 M T4控制工況點α2調節(jié)性能

由表5可得，在0km、0.2 M工況點，α2關2°和1°后壓氣機耗功降低，n2上升相同幅度至限制值，進入n2控制狀態(tài)，T4分別降低14.4K和1.8K，T6降低8.1K和1.0K；高壓渦輪功降低，低壓渦輪功也降低，n1R分別下降1.21%和0.49%，W1R分別降低0.84kg/s和0.45kg/s。發(fā)動機轉差增大，耗油率降低，推力分別降低1.34%和0.48%。調開α2角度后發(fā)動機仍處于n1控制狀態(tài)，風扇性能不變，πf、W1R與SMf維持原數值。α2開1°和2°后，n2分別降低0.44%和0.86%。因風扇狀態(tài)不變，T25維持不變，n2R25降低幅度相同，SMc分別降低0.14%和0.32%。T4降低1.9K和4.6K，T6降低1.2K和3.0K。發(fā)動機轉差減小，耗油率降低，推力小幅降低0.04%與0.11%。

由表6可得，在0.1km、0.8 M工況點，調關α2角度后發(fā)動機仍處于n2控制，T4降低明顯，在關2°和1°后分別降低了26.1K和12.8K，T6分別降低14.6K和7.1K；高、低壓渦輪功降低，n1R降低1.49%和0.75%；πf降低0.089與0.044，n2R25升高0.52%與0.26%。發(fā)動機轉差增大，耗油率降低，推力降低3.87%與1.91%。開α2角度1°和2°后，T4與T6上升幅度相同，發(fā)動機進入T4控制，n2無法維持原值分別降低0.12%與0.50%，n1R升高0.52%與0.61%。發(fā)動機轉差減小，耗油率升高，推力分別增加1.38%與1.57%。

由表7得，在5km、0.9 M工況點，關α2角度2°和1°后，n2均提升0.21%進入n2控制狀態(tài)，T4分別降低18.1K和5.4K；高、低壓渦輪功降低，n1R降低0.73%和0.26%。發(fā)動機轉差增大，耗油率降低，推力降低0.86%和0.28%。開α2角度后發(fā)動機仍處于T4控制，開1°和2°后n2分別降低0.38%與0.73%；W25R小幅增加，高、低壓渦輪功小幅增加，導致n1R小幅增加了0.08%和0.15%。發(fā)動機轉差減小，推力略微增加0.05%與0.11%。

2.3 噴管喉道面積影響

調整噴管喉道面積A8后計算發(fā)動機性能的變化，縮小A8后低壓渦輪落壓比減小，溫降減小，渦輪功降低，擴大A8后低壓渦輪性能變化趨勢相反。計算發(fā)動機性能變化見表8-表10。

表8 0km、0.2 M n1控制工況點A8調節(jié)性能

表9 0.1km、0.8 M n2控制工況點A8調節(jié)性能

表10 5km、0.9 M T4控制工況點A8調節(jié)性能

由表8得，在0km、0.2 M工況，喉道面積縮小，低壓渦輪功降低，T4上升以維持原有n1，發(fā)動機轉入T4控制狀態(tài)。由于噴口面積縮小2%后，低壓渦輪溫降更低，在T4同樣提升2.5K至限制值時，更小喉道面積狀態(tài)發(fā)動機的T6提升了3.8K。A8縮小2%和1%后，n2分別上升0.08%與0.07%，n1R下降0.53%與0.20%，喉道面積縮小后風扇外涵出口靜壓升高，SMf分別降低1.72%和0.88%。發(fā)動機轉差增大，耗油率升高，推力增加0.76%與0.48%。擴大噴口面積后低壓渦輪功增加，發(fā)動機維持原n1控制狀態(tài)不變，喉道面積擴大1%與2%后，SMf增加0.94%與2.02%，T4分別降低6.2K與13.6K，T6分別降低4.7K與10.0K，n2降低0.18%與0.38%，發(fā)動機轉差減小，耗油率降低，推力降低0.76%與1.55%。

由表9可得，在0.1km、0.8 M工況點，噴管喉道面積縮小與擴大后發(fā)動機仍處于n2控制狀態(tài)，核心機狀態(tài)不變，在A8縮小2%和1%后，T6分別增加2.6K和1.2K。n1R降低0.45%與0.21%，SMf降低1.55%與0.79%。發(fā)動機轉差增大，耗油率升高，推力增大0.37%與0.21%。A8擴大后發(fā)動機性能變化趨勢相反，量級相當。

由表10得，在5km、0.9 M工況點，噴管喉道面積縮小與擴大后發(fā)動機仍處于T4控制，T4維持不變。由于A8縮小后低壓渦輪溫降降低，A8縮小2%與1%后，T6分別升高2.3K和1.2K，n2無變化，n1R降低0.16%和0.09%，SMf降低1.74%和0.85%，n2R25小幅降低0.07%與0.03%。發(fā)動機推力增大0.65%與0.32%。A8擴大后性能變化趨勢相反。

3 結語

本文基于某無人戰(zhàn)斗機用增能小涵道比混排渦扇發(fā)動機模型，研究了3個典型工作狀態(tài)下，風扇、壓氣機進口可變彎度整流葉片角度和噴管喉道面積調節(jié)對發(fā)動機性能的影響，得出以下主要結論：

1)0km、0.2 M點在低壓物理轉速控制狀態(tài)，調開風扇整流葉片角度，縮小噴管喉道面積后發(fā)動機推力增加，調開1°后推力增加0.55%，風扇進口換算流量增加0.47kg/s，噴管喉道面積縮小1%后推力增加0.48%，風扇穩(wěn)定裕度降低0.88%。上述兩種調節(jié)方式有可能使發(fā)動機進入高壓渦輪前溫度控制狀態(tài)；

2)0.1km、0. 8 M點在高壓物理轉速限制狀態(tài)，調開風扇、壓氣機整流葉片角度，縮小噴管喉道面積發(fā)動機推力增加。其中調壓氣機整流葉片效果明顯，但發(fā)動機有可能進入高壓渦輪前溫度控制狀態(tài)。調開壓氣機整流葉片1°，推力增加1.38%，燃燒室出口溫度升高8K；

3)5km、0.9 M點在高壓渦輪前溫度限制狀態(tài)，調開風扇整流葉片角度，縮小噴管喉道面積發(fā)動機推力增加。調開1°后推力增加0.24%，風扇進口換算流量增加0.35kg/s，噴管喉道面積縮小1%后推力增加0.32%，風扇穩(wěn)定裕度降低0.85%；

4)在低壓物理轉速與高壓渦輪前溫度控制狀態(tài)下調節(jié)壓氣機整流葉片角度對發(fā)動機推力影響很小。調節(jié)噴管喉道面積對3種控制狀態(tài)發(fā)動機推力影響的量級相當。