航空动力学报
JOURNAL OF AEROSPACE   POWER
1998年 第13卷  第2期科技期刊
高推重比航空发动机调节规律分析
北京航空航天大学　　朱之丽　李　东
【摘要】　针对先进高推重比涡扇发动机采用的调节规律进行了研究。通过对采用不同调节规律下的混合加力涡扇发动机非安装性能进行对比，分析了高推重比发动机采用的调节规律的优越性。
主题词：　涡轮风扇发动机　调节　分析　性能
分类号：　V235.13
1　前　言
　　先进高推重比涡扇发动机的调节方案［1，2］含有N1控制回路和发动机压比的闭环控制回路。N1控制回路控制主燃烧室燃油流量以保持给定的风扇转速。发动机压比控制回路则当发动机处于中间状态和最大状态时，通过调节尾喷管喉道面积获得所要求的发动机压比，以保证发动机推力。加力状态时加力燃烧室采用保持总余气系数为常数的加力燃油调节规律。过去，对于传统的调节规律下的发动机性能进行过大量的研究，而对于上述调节规律下的发动机性能研究很少。为了获得采用上述调节规律对发动机特性带来的优缺点，本文计算了混合加力涡扇发动机在上述调节规律和传统调节规律下的非安装性能，并对计算结果进行了对比分析。2　不同调节规律下的发动机非安装性能对比
　　为了分析涡扇发动机的调节规律对非安装性能的影响，选择了有代表性的3种调节规律进行发动机性能计算，并对结果进行对比分析。这3种控制规律在尾喷管喉道面积A8调节规律及加力状态加力燃油调节规律上分别有所区别（见表1）。在进行发动机性能计算时，当某一飞行条件下涡轮进口温度T4超过最高允许值，则主燃油调节规律采用保持T4等于最高允许值的控制方案。
表1　3种调节规律一览表
　主燃油调节规律A8调节规律加力燃油调节规律
调节规律1N1=f(T1)A8=f(epr)等总余气系数
调节规律2N1=f(T1)A8=A8ds等总余气系数
调节规律3N1=f(T1)A8=f(epr)等加力温度
　　注：N1为风扇转子物理转速，epr为发动机压比；下标：1为发动机进口，ds为设计值。

2．1　调节规律1和调节规律2的非安装性能计算结果对比
这两种调节规律的A8调节规律不同：调节规律1采用A8=f(epr)；调节规律2采用A8=A8ds。
　　(1)中间状态发动机性能对比
　　图1给出两种调节规律下所获得的发动机性能，从图中可看出，低飞行马赫数范围性能相


图1　两种调节规律下中间状态时非安装的速度高度特性对比


图2　两种调节规律下风扇工作点的位置(H=11000 m，Ma=2.0)
差不大，但高飞行马赫数范围内调节规律1下发动机性能明显优于调节规律2下的性能。
　　分析原因，调节规律1中A8按照给定epr调节，为保证给定的epr必须增大A8，这使得低压涡轮膨胀比增大，低压涡轮功增加，因而维持相同风扇转子转速所需涡轮前温度T4较调节规律2所需涡轮前温度低。较低的T4一方面导致排气速度下降、高压转子转速降低及涵道比增加，结果低飞行马赫数范围推力相对较小和耗油率SFC相对较低；但另一方面较低的T4使发动机在较高飞行马赫数飞行时仍未达到最高允许值，而此时调节规律2对应的T4已达到最高允许值，风扇转子转速相应下降。由于高飞行马赫数下两种调节规律下风扇转速有明显差异（见图2所示）结果采用调节规律1的发动机在高飞行马赫数范围具有显著的性能优势。
　　(2)加力状态发动机性能对比
　　从图3中可以看到：两种调节规律下发动机最大状态性能相比，低马赫数飞行时推力相差不大；高马赫数飞行时，采用A8=f(epr)的调节规律下的推力F和耗油率SFC明显高于A8=A8ds下的推力和耗油率，特别是在5000 m和11000 m高度下，耗油率SFC随马赫数增大呈现非单调变化。


图3　两种调节规律下最大状态时非安装的速度高度特性对比分析原因，低马赫数时，两种调节规律下的风扇转子转速相同，总空气流量几乎相同；又由于加力燃油控制规律均采用等余气系数，对应的加力温度相差不大，排气速度相差不大，因而加力推力基本相差不大。由于调节规律1下T4较低，加力燃烧室进口气流温度相应也低，达到基本相同的加力温度所需加力燃油流量大，因此低马赫数飞行时加力耗油率较高，耗油率曲线出现了随马赫数增大呈非单调变化的趋势。高马赫数时，调节规律2下由于主燃油调节规律转为控制T4等于常数，其对应的风扇转子转速及总空气流量明显降低（见图2），结果加力推力明显低于调节规律1下的推力；又由于调节规律1下低的涡轮前温度和较大的空气流量使加力燃烧室中消耗更多的燃油，才可保证一定的总余气系数，所以加力耗油率较高。
2．2　调节规律1和调节规律3的非安装性能结果对比
　　这两个调节规律的加力燃油调节不同：调节规律1按等总余气系数调节加力燃油流量；调节规律3按等加力出口温度T7调节加力燃油流量。
　　在高马赫数飞行条件下加力燃油控制规律采用等总余气系数时会得到更大的加力推力，但耗油率也较高；低马赫数时，两种控制规律的推力和耗油率相差不大。


图4　两种调节规律下全加力状态时非安装的速度
高度特性对比分析原因：由于两种控制规律中采用相同的主燃油调节规律和A8调节规律，所以燃气发生器工作点相同，加力燃油调节规律所导致的不同的加力温度将是引起发动机性能差异的根本原因。在低马赫数飞行时，调节规律1下发动机加力温度T7较低，排气速度较低和加力燃油流量低，因此推力、耗油率略低；在高马赫数飞行时，调节规律1下的加力温度较高，排气速度较高导致推力大，加力燃油流量较大导致加力耗油率偏高。
　　除此之外，计算还给出采用调节规律3时的总余气系数随飞行条件的变化（见图4）。由图4中结果可知总余气系数随飞行速度变化很大，这将不利于燃烧的稳定性和充分发挥加力燃烧室的潜力。3　结　论
　　关于3种不同调节规律下涡扇发动机非加力状态和加力状态飞行性能的计算与分析，所得的结果表明：（1）采用调节规律1的突出优点在于：通过调节A8保证给定的发动机压比，不仅可确保发动机的推力，而且可使维持同样风扇转速所需的涡轮前温度较低，这使得发动机在高速飞行时具有明显的性能优势，推力大且不加力耗油率低。较低的涡轮前温度除了给发动机性能带来优势外，还可在改善发动机的热部件工作环境，提高可靠性，延长发动机寿命，增加风扇及高压压气机的喘振裕度等方面取得明显收益。另外采用调节规律1高速时加力温度上升明显，因而可获得更高的加力推力。（2）加力状态采用等总余气系数加力燃油调节规律，可提高加力燃烧室的工作稳定性和充分发挥性能潜力，使发动机在高速飞行时获得更大的加力推力。
女　47岁　硕士　副教授　北京航空航天大学404教研室
　                              参　考　文　献
1Gilyard G,Orme J.Subsonic Flight Test Evatuation of Performance Seeking Control Algorithm on an F-15 Airplane.AIAA 92-3743
2　Digital Electronic Engine Control(DEEC)Flight in an F-15 Aircraft.NASA Conference Publication 2298,28 Feb.1986

（责任编辑　魏星禄）
