技術(shù)領域

本發(fā)明涉及航空渦輪風扇發(fā)動機(簡稱渦扇發(fā)動機)空氣系統(tǒng)氣源引氣及壓氣機的設計體系，是一種將空氣系統(tǒng)氣源引氣融入航空壓氣機設計的時間推進通流方法。

背景技術(shù)

在航空燃氣渦輪發(fā)動機中，主燃氣流以外的一些對飛機及發(fā)動機的安全和有效工作有重要功能的氣流構(gòu)成了發(fā)動機的空氣系統(tǒng)。根據(jù)飛機及發(fā)動機的不同工作狀態(tài)，空氣系統(tǒng)從發(fā)動機不同的壓氣機級引氣，將適當壓力和溫度的空氣用做飛機座艙空調(diào)和增壓系統(tǒng)、機翼熱防冰系統(tǒng)、發(fā)動機進口整流罩防冰系統(tǒng)、軸承潤滑系統(tǒng)封嚴、發(fā)動機熱端部件冷卻、內(nèi)部間隙控制等方面。其中發(fā)動機熱端部件冷卻用氣量占決定地位。

隨著渦輪進口燃氣溫度的逐年提高和飛行器外部環(huán)境的日益復雜多變，為保證飛機及發(fā)動機可靠工作所需的空氣系統(tǒng)流量也越來越大。林左鳴的“戰(zhàn)斗機發(fā)動機的研制現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，航空發(fā)動機”，航空發(fā)動機專業(yè)國內(nèi)核心期刊，2006年第32卷第1期的研究表明，第三代戰(zhàn)斗機發(fā)動機用于熱端部件冷卻的空氣系統(tǒng)流量占核心空氣流量的17～18％。另有研究表明，第四代戰(zhàn)斗機發(fā)動機的空氣系統(tǒng)流量占核心空氣流量的20％以上，而美國的F119發(fā)動機甚至達到25％。因而，空氣系統(tǒng)的氣源引氣對壓氣機主流流動及氣動性能的影響日益凸顯。

從壓氣機中引出高溫壓縮氣體會降低發(fā)動機的整機做功能力并干擾主流的流動，對發(fā)動機的性能不利。空氣系統(tǒng)氣源從壓氣機中引氣出的經(jīng)壓縮的空氣本應該進入燃燒室與燃料混合、燃燒，作為主氣流參與全機的熱力循環(huán)、對外做功，但為了空氣系統(tǒng)實現(xiàn)各功能的需要而被引出，失去了做功的機會，使發(fā)動機的整機做功能力下降。另一方面，大量氣流從壓氣機的主流中引出，會影響主流的流動，若引氣處理不當，不但增加流動損失，還會引起主流的不穩(wěn)定流動。J.Y.Andrew等人的“Effects?ofBleed?Air?Extraction?on?Thrust?Level?of?the?F404-GE-400?TurbofanEngine”，NASA?TM-104247與B.E.Alison的“The?Effects?of?CompressorSeventh-stage?Bleed?Air?Extraction?on?Performance?of?the?F100-PW-220Afterburning?Turbofan?Engine”，NASA?CR-179447的研究表明，隨空氣系統(tǒng)氣源引氣量的增加，發(fā)動機整機推力線性下降、耗油率線性上升。

在發(fā)動機環(huán)境中，壓氣機的工作條件是非常復雜的，在壓氣機設計中必須盡可能考慮真實工作環(huán)境中的各種條件。目前，關(guān)于空氣系統(tǒng)氣源引氣在壓氣機中設計體系中的考慮，國內(nèi)尚沒有公開發(fā)表的相關(guān)文獻，國外的壓氣機設計體系對此功能的考慮也較為初步，主要是在一維設計中進行了與引氣結(jié)構(gòu)相關(guān)的流道幾何修正，在二維設計中進行了對引氣后流量及堵塞的修正。這種引氣模型只能反映引氣對壓氣機主流流場的簡單影響，并不具備考慮引氣對壓氣機氣流角、端壁損失、葉排攻角、加功量及葉片造型等流場特性影響機理的功能。

綜上所述，第四代渦扇發(fā)動機空氣系統(tǒng)的總引氣量已達到核心空氣流量的25％。若空氣系統(tǒng)氣源引氣的影響在設計中未能正確的反映，會導致壓氣機性能的明顯下降以及喘振裕度的大幅降低。基于以上原因，我們提出了一種考慮空氣系統(tǒng)氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法這一發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用引氣的模型與壓氣機流道的邊界條件相結(jié)合，通過引氣位置處固壁邊界條件的修正，將空氣系統(tǒng)氣源引氣的引氣結(jié)構(gòu)和引氣參數(shù)(引氣位置、引氣面積、引氣量、引氣速度、引氣角度)融入壓氣機設計的時間推進通流方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：考慮空氣系統(tǒng)氣源引氣的壓氣機時間推進通流方法(圖1、2)，其特點在于步驟如下：

(1)根據(jù)飛機和發(fā)動機的總體指標，綜合考慮發(fā)動機空氣系統(tǒng)各功能對氣流參數(shù)的要求，得到需要從壓氣機部件引氣的空氣系統(tǒng)氣源的特征參數(shù)，包括氣源壓力、溫度、氣流量等。

(2)根據(jù)壓氣機的氣動熱力參數(shù)和方案設計，在壓氣機各葉排的機匣選取符合空氣系統(tǒng)氣源壓力、溫度等特性參數(shù)要求的適當氣源位置，從而確定氣源引氣位置。

(3)在壓氣機的時間推進通流設計方案中，對空氣系統(tǒng)氣源所在位置處的機匣固壁邊界條件修改為體現(xiàn)引氣要求的出口邊界條件，從而將氣源引氣的特征參數(shù)融入時間推進通流設計方案中。