何敏祥，邓少春，王德庆，文 强，宋瑞民，朱爱迪
(中国航发贵阳发动机设计研究所，贵州 贵阳 550081)
发动机在使用过程中，由于受叶片和机匣磨损、侵蚀、间隙变化等诸多因素的影响，必然导致其性能退化。部件效率降低、流路总压损失增大会影响发动机几乎所有部件的共同工作，使发动机工作过程参数和主要性能数据改变，主要表现为发动机同转速条件下推力变化，耗油率和排气温度升高[1-5]。国内外学者对部件影响发动机性能进行了大量的研究工作，得到了发动机部件、高/低压涡轮导向器、内/外涵喷口面积等对涡扇发动机总体性能及喘振裕度的影响[6-14]，明确了影响发动机性能的参数。
本文通过航空发动机总体性能计算程序仿真计算，分析某型发动机部件性能变化对发动机整机性能的影响。通过发动机总体稳态计算程序，分别调整风扇、压气机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮等部件的效率、压比等参数，得到各参数对发动机整机性能的影响。文中的转速、效率、压比、流量、总压恢复系数及推力、耗油率、温度等参数均为相对值。
2.1 风扇参数对发动机性能的影响
2.1.1 风扇效率
风扇效率变化对发动机性能的影响如图1所示，主要表现为：随着风扇效率降低，风扇维持转速和压比的需求功增加，需增加低压涡轮功率保持风扇换算转速(n1hs)不降低。增加低压涡轮功率可通过增加燃气流量、进口温度和落压比等来实现[1-5]。一般发动机主动可调量为燃油流量，采用增加燃油流量(Wf)提高燃烧室出口温度(Tt4)来增加低压涡轮功率，实现低压转子功率平衡。燃烧室出口温度增加使压气机转速(n2)增加，发动机推力(F)增大。此外，n2提高，发动机涵道比减小，耗油率(SFC)因而增加。
图1 风扇效率对发动机性能的影响
2.1.2 风扇压比
风扇压比变化对发动机性能的影响如图2所示，主要表现为：随着风扇压比降低，风扇需求功减小，发动机减小燃油流量控制转速不变，燃烧室出口温度下降，压气机转速降低，发动机涵道比增加，同时推力下降。由于部件效率变化不大，发动机耗油率变化也较小。
图2 风扇压比对发动机性能的影响
2.1.3 风扇流量
风扇流量变化对发动机性能的影响如图3所示，主要表现为：随着风扇流量降低，风扇需求功减小，发动机减小燃油流量控制n1hs转速不变，燃烧室出口温度下降，n2转速降低，同时导致涵道比增加，发动机推力受风扇流量影响而下降。由于部件效率变化不大，发动机耗油率主要受涵道比增加影响而有所降低。
图3 风扇流量对发动机性能的影响
2.2 压气机效率对发动机性能的影响
压气机效率变化对发动机性能的影响如图4所示，主要表现为：压气机效率降低时，压气机需求功增加，压气机需求功率大于高压涡轮提供的功率，压气机转速降低，压气机进口空气流量减小，发动机涵道比增大。低压涡轮功率减小，发动机为保持n1hs转速，增加燃油流量，导致燃烧室出口温度增大。
图4 压气机效率对发动机性能的影响
内涵流量变化引起高低压部件工作点变化，发动机高压涡轮、低压涡轮部件效率下降明显。压气机相对效率下降5%时，高压涡轮实际效率下降2.2%，低压涡轮实际效率下降1.1%，导致发动机耗油率增大。
发动机推力没有随着压气机效率的降低而减小，分析其原因，是发动机工作点偏移，风扇压比增加，补偿压气机压比下降。
2.3 燃烧室参数对发动机性能的影响
2.3.1 燃烧室效率
燃烧室效率变化对发动机性能的影响主要表现为：随着燃烧室效率降低，通过增加燃油流量保持燃烧室出口温度及转子功率平衡，发动机流道参数和高低压转子转速基本不变。由于燃油流量增加，燃烧室出口燃气流量增加，发动机推力略有增加，耗油率明显下降。燃烧室效率由0.995降为0.95，燃烧效率下降4.5%，发动机燃油流量增加4.3%，耗油率增大4.2%，而推力基本不变，仅增大0.08%，燃烧室出口温度减小0.17%。燃烧室效率主要影响发动机燃油消耗量和耗油率，其他性能参数基本不受影响。
2.3.2 燃烧室总压恢复系数
燃烧室总压恢复系数变化对发动机性能的影响主要为：燃烧室总压恢复系数降低，高低压涡轮落压比降低，高低压涡轮功降低，发动机增加燃油流量提高燃烧室出口温度，重新满足发动机功率需求。
2.4 高压涡轮对发动机性能的影响
2.4.1 高压涡轮流量(核心机流量)
高压涡轮(核心机)流量变化对发动机性能的影响主要为：随着高压涡轮流量降低，低压涡轮流量同样减小，高低压涡轮功同时减小，发动机增大燃油流量保持n1hs转速不变，燃烧室出口温度升高，n2转速升高，发动涵道比减小，发动机耗油率增大。
2.4.2 高导面积
发动机大状态时，高导、低导喉道处于临界状态，忽略冷却空气的影响，高导处流量和低导处流量可认为一致，则[15]：
Wa4=Wa5
(1)
(2)
(3)
其中，Wa为燃气流量，A为面积，P为压力，4为高导截面，5为低导截面，发动机大状态时，可认为q(λ4)=1，q(λ5)=1。
由式(1)-式(3)可知，高压涡轮导向器喉道面积增大时，若低压涡轮导向器未达到临界，Wa4增大，通过q(λ5)增大匹配内涵流量的增大，Wa5也随着增大，发动机涵道比减小，低压涡轮总功增加，发动机通过减少燃烧室供油，降低高压涡轮进口总温，保持n1hs转速。发动机涵道比减小会增大耗油率。
若高压涡轮导向器面积A4增大，低压涡轮导向器处于临界状态时，q(λ4)=1，q(λ5)=1。由式(3)可知，高压涡轮落压比减小，高压转子转速下降，导致高压压气机流通能力下降，低压涡轮功率不足，发动机增加燃烧室供油，提高高低压涡轮进口总温保持n1hs转速。发动机涵道比增大会减小耗油率。
综上分析，发动机高压涡轮导向器临界、低压涡轮导向器未临界时，高压涡轮导向器面积增大能降低高低压涡轮流道温度；
高压涡轮导向器、低压涡轮导向器临界时，高压涡轮导向器面积增大反而会提高高低压涡轮流道温度。
2.4.3 高压涡轮效率
高压涡轮效率对发动机性能的影响主要为：高压涡轮效率与压气机效率对发动机的影响基本一致，高压涡轮效率下降，高压涡轮功率小于压气机功率，n2转速下降，导致压气机进口空气流量减小，涡轮空气流量减小导致涡轮功率减小，发动机通过增加燃油流量保持n1hs转速，燃烧室出口温度增加。
2.5 低压涡轮对发动机性能的影响
2.5.1 低导面积
低压涡轮导向器相当于核心机的喷口，低压涡轮导向器面积增大，高压涡轮膨胀比升高。高压涡轮进口处于临界状态，低压涡轮进口截面的干扰不会传递到高压涡轮进口截面，综合影响导致低压涡轮进口截面的温度、压力均降低。发动机采用混合排气的方式，低压涡轮后压力与外涵出口压力相互影响，降低幅度较小，低压涡轮落压比降低，单位焓降降低，发动机根据控制计划保证n1hs不变，增加燃烧室供油来提高高压涡轮进口总温，则高压涡轮单位功率增加，高压转速升高。由于低压换算转速不变，喷口一定的情况下，进口流量基本不变，则涵道比降低。风扇工作点变化不大，推力基本不变[15]。
2.5.2 低压涡轮效率
低压涡轮效率对发动机性能的影响主要为：低压涡轮效率变化对发动机性能的影响与风扇效率变化对发动机性能的影响，两者趋势相差不大。随着低压涡轮效率降低，低压涡轮输出有效功下降，为保持n1hs转速不变，发动机增加燃油流量，提高流道温度。
2.6 加力燃烧室对发动机性能的影响
2.6.1 加力燃烧室效率
调节加力燃烧室效率，由于发动机处于大状态，高压涡轮导向器、低压涡轮导向器均处于临界状态，加力燃烧室效率变化无法影响上游参数，主要影响加力燃烧室截面及下游参数，发动机上游参数不受影响，发动机加力状态推力和喷管出口温度随着加力燃烧室效率降低而降低。
2.6.2 加力燃烧室恢复系数
发动机处于大状态，高压涡轮导向器、低压涡轮导向器均处于临界状态，加力燃烧室总压恢复系数变化主要影响加力截面参数，发动机上游截面参数不受影响，发动机中间状态、加力状态推力随着加力燃烧室总压恢复系数降低而降低。
2.7 各部件对发动机性能的影响
各部件对发动机推力、耗油率、燃烧室出口温度的影响如图5-图7所示。由图可知，各部件对发动机性能影响程度存在很大差异：
(1)高低压转子效率和燃烧室总压恢复系数提高，发动机推力降低；
风扇压比、风扇流量和加力燃烧室总压恢复系数提高，发动机推力增大。风扇流量影响最大，高压转子效率影响次之，燃烧室总压恢复系数、低压转子效率影响较小。
(2)高低压转子效率、核心机流量、燃烧室效率和总压恢复系数提高，发动机耗油率均降低；
风扇压比和流量增大时耗油率变大；
其中风扇流量和加力燃烧室恢复系数(最大状态)对发动机耗油率影响最大，其次为高压涡轮效率、燃烧室效率、低压涡轮效率。
(3)高低压转子效率和燃烧室总压恢复系数提高，都会导致发动机燃烧室出口温度降低，其中高压转子效率影响最大，其次为燃烧室总压恢复系数、低压转子效率。风扇压比和流量增大导致燃烧室出口温度变大。
(4)主燃烧室、加力燃烧室效率和加力燃烧室总压恢复系数不影响发动机高低压涡轮流道温度，主要影响耗油率。加力燃烧室效率和加力燃烧室总压恢复系数影响发动机推力和加力截面温度。
图5 各部件对发动机推力的影响
图6 各部件对发动机耗油率的影响
本文基于发动机性能计算模型，仿真分析了各部件对发动机性能的影响。对于控制风扇换算转速n1hs的双转子涡扇发动机，各部件变化对发动机性能的影响如下：
(1)高低压转子效率和燃烧室总压恢复系数降低，以及风扇压比和风扇流量升高，发动机按控制计划调整燃油流量，引起部件性能和流道参数发生变化，导致发动机推力、耗油率和燃烧室出口温度升高。
(2)高压转子效率对发动机性能的影响最大，其次为燃烧室总压恢复系数、低压转子效率。
图7 各部件对发动机燃烧室出口温度的影响
(3)燃烧室、加力燃烧室效率和加力燃烧室总压恢复系数不影响发动机高低压涡轮流道温度，主要影响耗油率；
加力燃烧室效率和加力燃烧室总压恢复系数影响发动机推力和加力截面温度。