2種渦輪燃燒形式的渦扇發(fā)動機(jī)性能研究

徐興亞，唐 豪，鄭海飛，唐文彬

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

2種渦輪燃燒形式的渦扇發(fā)動機(jī)性能研究

徐興亞，唐 豪，鄭海飛，唐文彬

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京210016）

為了研究不同渦輪燃燒形式對大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的性能影響，在傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分別加入各型渦輪燃燒結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)計(jì)算模型，分析比較了在不同工作過程參數(shù)下，4種帶渦輪燃燒結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的性能（單位推力和單位燃油消耗率）隨風(fēng)扇增壓比、高壓壓氣機(jī)增壓比、高壓渦輪進(jìn)口總溫和涵道比的變化關(guān)系。結(jié)果表明：渦輪級間燃燒室（ITB）與渦輪葉間燃燒室(TIB)各有特點(diǎn)，但都能夠明顯提高傳統(tǒng)分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)的性能，其中高壓渦輪葉間燃燒室（H TIB）效果尤為突出。

渦輪葉間燃燒室；渦輪級間燃燒室；性能參數(shù)；熱力循環(huán)；數(shù)學(xué)模型

0 引言

高推質(zhì)比、高效率、低油耗、低排放和寬廣穩(wěn)定工作范圍的發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)模式是長期以來的研究焦點(diǎn)[1]。近年來,一些新型熱力循環(huán)被深入研究。1987年，Rmaohalli[2]提出了渦輪內(nèi)燃燒的概念，主要是用渦輪內(nèi)恒溫燃燒取代主燃燒室；1997年，Sirignano、Delplanque和Liu在保留主燃燒室的基礎(chǔ)上提出了渦輪內(nèi)等溫燃燒概念，并闡述了其物理原理[3-5]；2003年，K.H.Liew提出渦輪級間燃燒的概念，即在高、低壓渦輪過渡段之間實(shí)現(xiàn)組織燃燒[6]。以上都是利用渦輪前的高溫燃?xì)?，在渦輪葉間或渦輪級間進(jìn)行噴油燃燒，這在理論上可以提高熱力循環(huán)性能。相對于加力燃燒室來說，渦輪燃燒室能夠在少量增加耗油率的前提下，使單位推力大幅增大。對于不適合使用加力燃燒室的分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)來說，該技術(shù)特別值得關(guān)注。

本文研究比較了渦輪級間燃燒室（Inter-Turbine Burner，ITB） 發(fā)動機(jī)、渦輪葉間燃燒室（Turbine Inter-Blade Burner,TIB）發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)在不同過程參數(shù)下所體現(xiàn)出的性能；并比較了TIB下3種不同熱力循環(huán)的區(qū)別。

1 不同渦輪燃燒技術(shù)的熱力循環(huán)

目前，渦輪內(nèi)燃燒有多種技術(shù)方案，但本文僅比較2種在燃燒機(jī)理上具有代表性的渦輪燃燒形式：（1）渦輪級間燃燒室（ITB），是在高、低壓渦輪級間過渡段的流動通道內(nèi)建立1個微小型的等壓燃燒室。在結(jié)構(gòu)上是1個獨(dú)立的燃燒室，其熱力學(xué)原理與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)主燃燒室大致相同。（2）渦輪葉間燃燒室（TIB），即在渦輪葉片間安裝噴嘴，在其通道內(nèi)進(jìn)行燃燒，其原理是燃?xì)庠谖杖剂纤尫诺哪芰康耐瑫r對渦輪作功。這部分燃料的能量所轉(zhuǎn)化的機(jī)械功主要是驅(qū)動壓氣機(jī)所需要的。那么主流燃?xì)庠诮?jīng)過渦輪后，基本上沒有功量（熱量）的損失（理想狀態(tài)下），渦輪前后總溫相等或者渦輪后總溫略微下降，這樣在渦輪內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了等溫或者近似等溫燃燒[7]。

這2項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為極具挑戰(zhàn)性的航空動力熱力循環(huán)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。但國內(nèi)外各類文獻(xiàn)中均為研究1種渦輪燃燒形式對發(fā)動機(jī)性能的影響，缺乏對不同渦輪燃燒技術(shù)的區(qū)別比較，特別是缺少在分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)上的研究報道。

分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中Q代表傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機(jī)在主燃燒室（BASE）內(nèi)的燃燒，Q1a與Q1b分別代表高、低壓TIB燃燒，Q2代表了高、低壓ITB燃燒。

圖1 大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)

ITB燃燒有2種熱力循環(huán)模式[8]：（1）如圖2（a）所示的3-4-4b-5b-1過程，其特點(diǎn)是高壓渦輪前燃?xì)鉁囟萒3與低壓渦輪前燃?xì)鉁囟萒4b相等，能夠提供更大推力；（2）3'-4'-4b-5b-1過程，其特點(diǎn)是降低主燃燒室的出口溫度至T3'，從而有效減少NOX的排放。目前國內(nèi)對ITB已經(jīng)展開研究[9-10]。為了更好體現(xiàn)ITB性能，本文計(jì)算采用推力較大的模式。

TIB燃燒有3種熱力循環(huán)模式：（1）如圖2（b）中黃線所示的低壓渦輪葉間燃燒（LTIB）；（2）如圖2（b）中綠線所示的高壓渦輪葉間燃燒（HTIB）；（3）如圖2 （b）中綠線和紅線所示的高低壓渦輪葉間共同燃燒（H<IB）。由于目前國內(nèi)對渦輪葉間等溫燃燒研究較少，本文同時分析比較TIB的3種模式。

僅從圖2中的溫熵圖可見，不論哪種渦輪燃燒形式比傳統(tǒng)的布雷頓循環(huán)（1-2-3-4-5-1）都明顯地增大了循環(huán)熱量，有效提高了輸出功，且H<IB要明顯優(yōu)于HTIB、LTIB和ITB，但后3種結(jié)構(gòu)的熱力性能優(yōu)劣猶未可知；同時，從熱力學(xué)循環(huán)性能分析的角度看，僅說明了理論可行性，而最需要關(guān)注的是，當(dāng)各類新型熱力學(xué)循環(huán)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)后能否真正提升其性能，還需要進(jìn)一步使用數(shù)值計(jì)算來驗(yàn)證比較。

圖2 2種渦輪燃燒形式的熱力循環(huán)

2 熱力性能數(shù)學(xué)模型

對于分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)來說，衡量其性能是否優(yōu)良的主要性能參數(shù)是單位推力FS和單位燃油消耗率sfc。假設(shè)內(nèi)外涵尾噴管完全膨脹，同時忽略燃?xì)饬髁颗c入口空氣流量的差別，那么分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)的單位推力為[11]

式中：C0、C9f、C9分別為發(fā)動機(jī)入口、外涵道出口、內(nèi)涵道出口的流速；Wa、W9f、W9分別為發(fā)動機(jī)入口、外涵道出口、內(nèi)涵道出口的流量。

根據(jù)能量平衡原理及燃燒室數(shù)值模型，可建立同時適合4種燃燒室的能量關(guān)系式

式中：W1、T1、fa1分別為燃燒室入口燃?xì)饬髁俊囟?、油氣比；T2、fa2為燃燒室出口燃?xì)鉁囟?、油氣比；Wf為燃燒室的燃油流量；H(T，fa)為焓函數(shù)，函數(shù)變量為氣體溫度與油氣比；ηt為燃燒室的燃燒效率；Hu為燃油低熱值；LTIB為渦輪軸輸出功 （對于主燃燒室和ITB其值為0）。

通過式（2）可求出各燃燒室的燃油流量Wf，從而得到單位燃油消耗率

本文以美國GE公司的TF34系列渦扇發(fā)動機(jī)為研究對象，在傳統(tǒng)分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，采用部件法[12]，加入渦輪燃燒模塊，建立氣動熱力計(jì)算模型，利用C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)編寫出1套針對帶渦輪燃燒技術(shù)的分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)的總體性能計(jì)算程序。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)時，由于風(fēng)扇增壓比πF、高壓壓氣機(jī)增壓比πCH、高壓渦輪進(jìn)口總溫Tt4和涵道比B對FS和sfc有著極大影響，如何選取最合理的過程參數(shù)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)尤為重要。通過氣動熱力計(jì)算，分析了ITB、TIB與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)下性能參數(shù)隨過程參數(shù)的變化情況。

3.1 風(fēng)扇壓比的選取

發(fā)動機(jī)性能（FS和sfc）隨風(fēng)扇壓比變化關(guān)系如圖3所示。 圖中，Ma=0.6、H=7 kM、B=6.2、πCH=14、Tt4=1500 K。

圖3 發(fā)動機(jī)性能隨風(fēng)扇壓比變化關(guān)系

從圖3中可見，與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相同，ITB與TIB發(fā)動機(jī)也有對應(yīng)最大推力的最佳增壓比πF,opt和最小油耗的最經(jīng)濟(jì)增壓比πF,ec，但傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的低壓渦輪輸出給風(fēng)扇的功的能力不足，而ITB與TIB有著更為寬廣的風(fēng)扇增壓比可變范圍。與熱力循環(huán)分析結(jié)果一致，在各種循環(huán)過程中，H<IB輸出功最大，表現(xiàn)在圖3（a）上就是H<IB單位推力最大。

HTIB發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)在圖3中顯得尤為突出，在其最經(jīng)濟(jì)壓比下的耗油率與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的幾乎相同，但推力增大的幅度要大得多，這是由于在高壓壓氣機(jī)增壓比不變的情況下，高壓渦輪不需對風(fēng)扇壓比增大而輸出額外的功，那么維持高壓渦輪內(nèi)等溫燃燒的油量相對較少的同時，在低壓渦輪入口就能得到高溫氣體，從而推力就大。對于ITB與LTIB來說，二者性能相似，ITB略高于LTIB，這是由于在高壓渦輪出口后，ITB的低溫燃?xì)庥?個定壓燃燒溫升的過程，而LTIB等溫燃燒僅維持低溫不變。

3.2 壓氣機(jī)壓比的選取

發(fā)動機(jī)性能（FS和sfc）隨壓氣機(jī)壓比變化關(guān)系如圖4所示。圖中，Ma=0.6、H=7 kM、B=6.2、πF=1.8、Tt4=1500 K。

圖4 發(fā)動機(jī)性能隨壓氣機(jī)壓比變化關(guān)系

與圖3不同，圖4中的曲線較平緩，這是由于對于大涵道比分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)來說，內(nèi)涵道空氣流量較少，僅提供較少部分推力，推力主要由外涵道提供。雖然壓氣機(jī)壓比的增大無法對大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生較大影響,但I(xiàn)TB與TIB的總體趨勢依舊明顯優(yōu)于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)。在4種渦輪燃燒結(jié)構(gòu)中，ITB在較小的壓比下就可達(dá)到最經(jīng)濟(jì)壓比，這就無法做到以進(jìn)一步增加壓氣機(jī)壓力來同時減少油耗增大推力；與ITB相反，LTIB過早的達(dá)到最大推力的最佳增壓比，隨著壓比增大，sfc的變化就越平緩,且較大的壓比帶來的是壓氣機(jī)和渦輪級數(shù)的增加，從而增加發(fā)動機(jī)質(zhì)量，因此壓氣機(jī)壓比應(yīng)適當(dāng)選取。同理適用于HTIB與H<IB。值得一提的是HTIB的性能略有降低，這是由于在HTIB內(nèi)，既要噴油以維持高壓渦輪內(nèi)的等溫，還要因高壓渦輪對壓氣機(jī)壓力提高所需要的輸出功額外噴油，而在高壓下提高燃?xì)鈮毫?，比低壓下所需的功要多，因此其油耗快速增加?/p>

3.3 渦輪前溫度的選取

由于渦輪燃燒技術(shù)的特殊性，必須同時考慮高、低壓渦輪進(jìn)口溫度Tt4和Tt5的選取。其中H<IB與ITB需要設(shè)定Tt5，而前者為等溫燃燒過程，后者為恢復(fù)到主燃燒室出口溫度的溫升過程，因此2種情況均設(shè)定Tt5=Tt4。

發(fā)動機(jī)性能（FS和sfc）隨高壓渦輪前溫度變化關(guān)系如圖5所示。圖中，Ma=0.6、H=7 kM、B=6.2、πF=1. 8、πCH=14。

圖5 發(fā)動機(jī)性能隨高壓渦輪前溫度變化關(guān)系

從圖5中可見，與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相同，ITB與TIB發(fā)動機(jī)的FS隨著Tt4的升高單調(diào)增大，耗油率sfc存在最經(jīng)濟(jì)渦輪前溫度。由于H<IB與HTIB最經(jīng)濟(jì)溫度相對較低，無法顯示在計(jì)算溫度取值范圍內(nèi)，但剛好體現(xiàn)了H<IB與HTIB的優(yōu)勢，即由于采用高壓渦輪內(nèi)等溫燃燒技術(shù)，在較低溫度下就能產(chǎn)生較大推力，這是LTIB與ITB所不具備的。

此外，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)在Tt4＞1400 K時才產(chǎn)生推力，這是由于在很低的Tt4下，只有很小的加熱量，僅夠克服氣流流動過程損失而不能產(chǎn)生推力，但是ITB 與TIB在1300 K就能提供推力，而且盡管傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的Tt4達(dá)到1600 K，其產(chǎn)生的單位推力也依然小于1400 K下ITB與TIB的。渦輪燃燒技術(shù)帶來的較低渦輪前溫度不僅能夠降低NOX的排放，對渦輪的熱防護(hù)也十分有利[13]。

3.4 涵道比的選取

發(fā)動機(jī)性能（FS和sfc）隨涵道比變化關(guān)系如圖6所示。圖中，Ma=0.6、H=7 kM、πF=1.8、πCH=14、Tt4=1500 K。

圖6 發(fā)動機(jī)性能隨涵道比變化關(guān)系

圖6（a）中各類發(fā)動機(jī)的單位推力曲線基本平行，這是由于涵道比的改變并不影響熱力循環(huán)過程而只是改變了流量的分配。對于傳統(tǒng)分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)而言，內(nèi)、外涵出口速度相等時能量分配為最佳，因此在風(fēng)扇壓比一定的情況下，會有1個最經(jīng)濟(jì)涵道比。帶渦輪燃燒技術(shù)發(fā)動機(jī)由于增加了燃燒過程，內(nèi)涵出口速度較大，因此最經(jīng)濟(jì)涵道比要大于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的。

圖6（b）中LTIB曲線相對平緩，這是由于其低壓渦輪內(nèi)等溫燃燒，內(nèi)涵氣流出口速度較小，已經(jīng)較接近外涵出口，耗油率降低速度放緩。

3.5 發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)性能比較

由以上分析可知，發(fā)動機(jī)內(nèi)增加渦輪燃燒結(jié)構(gòu)必然帶來單位推力的大幅增大，但對發(fā)動機(jī)的耗油率的影響有待進(jìn)一步研究，將推力增大與耗油率提高結(jié)合比較研究才能夠更全面作性能評估。設(shè)定飛行狀態(tài)為：Ma=0.6、H=7 kM，B=6.2，Tt4=1500 K，以總壓比為單一變量，分別選擇各結(jié)構(gòu)的最經(jīng)濟(jì)風(fēng)扇壓比和最適合壓氣機(jī)壓比，比較ITB、TIB與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)性能。

從表1中可見，ITB、LTIB與H<IB的單位推力與耗油率比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的都有所增加，但單位推力增大的幅度要遠(yuǎn)高于油耗率提高的幅度。其中ITB 與LTIB性能提升幅度較小，H<IB單位推力最大但耗油率也最高。性能最突出的是HTIB發(fā)動機(jī)，在單位推力大幅增大情況下耗油率沒有提高反而略有降低，體現(xiàn)了高壓渦輪內(nèi)等溫循環(huán)概念的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

通過對4種應(yīng)用渦輪燃燒技術(shù)的發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)在不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的單位推力和單位燃油消耗率的對比發(fā)現(xiàn)，渦輪燃燒技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

（1）依據(jù)熱力循環(huán)原理以及性能計(jì)算分析，采用渦輪燃燒技術(shù)的TIB與ITB是可行的，在單位燃燒消耗率僅少量提高的同時大幅增大單位推力，明顯提高了傳統(tǒng)分別排氣渦扇發(fā)動機(jī)的性能。

（2）ITB與TIB相比，同為增加低壓渦輪作功的ITB與LTIB性能相似，但都不如利用高溫燃?xì)庠诟邏簻u輪內(nèi)等溫燃燒的HTIB，而高、低壓渦輪內(nèi)共同等溫燃燒的H<IB燃燒室單位推力最大、油耗也最高。

（3）渦輪燃燒技術(shù)帶來了更寬廣的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，壓比與涵道比大幅增大；同時在較低的渦輪前溫度下也能提供較大推力，為下一代航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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Performance Study of Turbofan Engine with Two Forms of Combustion in Turbine

XU Xing-ya,TANG Hao,ZHENG Hai-fei，TANG Wen-bin
（College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China）

In order to study the influence of different technical schemes of combustion in turbine on a high bypass ratio turbofan engine,by adding each thermodynamic model of combustion in turbine to the mathematical model of traditional engine.The relations between engines with combustion in turbine and traditional engine in different parameters(ondesign)were calculated and compared as fan pressure boost ratio,high pressure compressor pressure boost ratio,high pressure turbine inlet total temperature and bypass ratio.The results show that:Inter-Turbine Burner(ITB)and Turbine Inter-Blade Burner(TIB)have different features.Both of them can significantly improve the performance of traditional separate-flow turbofan engine,and the effect of High pressure Turbine Inter-Vane Burner(HTIB)is particularly prominent.

combustion in ITB turbine;TIB;performance parameter;thermodynamic cycle;mathematical model

徐興亞（1990），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇沼詈酵七M(jìn)理論與工程。

國家自然科學(xué)基金（51076064）資助

2013-03-12