預(yù)冷卻渦輪基發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算模型

預(yù)冷卻渦輪基發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算模型

由于普通汽油車(chē)的入口溫度和電機(jī)前溫度的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)的航空數(shù)量通常不超過(guò)3%。為了有效擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)的可工作包線的范圍,一種非常有效的辦法是采用噴水冷卻降低壓氣機(jī)的進(jìn)口溫度。這一方法已經(jīng)得到了美國(guó)MSE技術(shù)應(yīng)用公司的重視,并提出了射流預(yù)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的概念(SteamJet)。本文在常規(guī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,補(bǔ)充考慮了壓氣機(jī)進(jìn)口噴水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響,建立了考慮噴水的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算模型,并編制了計(jì)劃軟件,對(duì)預(yù)冷卻的渦輪基發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了計(jì)算和分析。1空氣流速、工質(zhì)、密度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的影響射流預(yù)冷卻渦輪基發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是在常規(guī)的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)前加裝噴水系統(tǒng),通過(guò)向進(jìn)氣道噴水冷卻空氣。這種發(fā)動(dòng)機(jī)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):第一,工質(zhì)含濕量增大,氣體常數(shù)增加,工質(zhì)熱容量變大,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣速度增大,單位推力增大;第二,水蒸發(fā)冷卻了進(jìn)氣道中的氣流,使氣流溫度下降,密度增加,進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量增加,也增大了推力;第三,雖然發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加主要是靠空氣溫度下降引起的,但噴入進(jìn)氣道的水汽化也使推力額外增大5%~20%。這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以工作到馬赫數(shù)6.0左右,是高超音速飛行器、軌道飛行器的理想動(dòng)力裝置,已受到高度重視。2空氣溫度cpv壓氣機(jī)噴水的熱力過(guò)程為空氣進(jìn)入壓氣機(jī)前的定壓冷卻過(guò)程,如圖1所示。假設(shè)噴入壓氣機(jī)前的純水全部變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽或干蒸汽。冷卻1kg壓氣機(jī)進(jìn)口空氣至溫度tout所需噴水量,可根據(jù)能量平衡方程求得。能量平衡方程為gw[—cpv(tout-t?s)+—cpw(t?s-t?win)+r]=Ηa(tin)-Ηa(tout)(1)gw[c—pv(tout?t?s)+c—pw(t?s?t?win)+r]=Ha(tin)?Ha(tout)(1)式中Ha(tin)、Ha(tout)分別為空氣在進(jìn)氣道出口溫度tin和噴水后壓氣機(jī)前的混合溫度tout時(shí)的焓;t″win為水的進(jìn)口溫度;gw為噴水量(即噴入壓氣機(jī)內(nèi)水的質(zhì)量流量和發(fā)動(dòng)機(jī)中空氣的質(zhì)量流量之比);t″s為噴入壓氣機(jī)前水的飽和溫度;r為汽化潛熱;—cpvc—pv、—cpwc—pw分別為水蒸氣和水的平均質(zhì)量定壓熱容。t″s和r由IAPWS-IF97國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中飽和溫度方程及飽和水及飽和水蒸氣焓的計(jì)算公式求得。3濕空氣熱力參數(shù)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所用的工質(zhì)為空氣,通常渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)是按干空氣做工質(zhì)通過(guò)計(jì)算或試驗(yàn)得到的,但是壓氣機(jī)噴水會(huì)影響工質(zhì)的特性參數(shù)和部件特性,因此需要對(duì)空氣和燃?xì)獾奶匦詤?shù)進(jìn)行修正。進(jìn)入壓氣機(jī)的濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物,根據(jù)完全氣體混合物的熱力性質(zhì)計(jì)算公式,得濕空氣(濕燃?xì)?熱力參數(shù)計(jì)算公式為cph=cpa+fcpF+dcpv1+f+d(2)hh=ha+fhF+dhv1+f+d(3)ΡΗΙh=ΡΗΙa+fΡΗΙF+dΡΗΙv1+f+d(4)Sh=ΡΗΙh-Rln(ΡΡ0)(5)Rh=ΣRigi=dRv+(1+f)Ra1+f+d(6)γh=cph/(cph-Rh)(7)a=√γRΤ(8)cph=cpa+fcpF+dcpv1+f+d(2)hh=ha+fhF+dhv1+f+d(3)PHIh=PHIa+fPHIF+dPHIv1+f+d(4)Sh=PHIh?Rln(PP0)(5)Rh=ΣRigi=dRv+(1+f)Ra1+f+d(6)γh=cph/(cph?Rh)(7)a=γRT????√(8)式中下標(biāo)a、F、v、h分別表示空氣、燃油、水蒸氣和混合氣,d為濕度,cp為質(zhì)量定壓熱容,h為焓,PHI為熵函數(shù),S為熵,R為氣體常數(shù),Ri為各組分的氣體常數(shù),γ為比熱比,a為音速,P、T分別為壓氣機(jī)的進(jìn)口壓力與溫度,P0為大氣壓力。當(dāng)油氣比f(wàn)=0時(shí),所得的值為濕空氣熱力參數(shù);當(dāng)油氣比f(wàn)≠0時(shí),所得的值為濕燃?xì)鉄崃?shù)。4高比能參數(shù)函數(shù)按相似原理,只要保證絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的Ma數(shù)相等,就可認(rèn)為它們是處于相似狀態(tài)下工作。由于噴水的影響,發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的絕對(duì)值發(fā)生了變化,但是它們的相似參數(shù)卻近似地保持不變。所以,只要將各性能參數(shù)表示為各相似參數(shù)對(duì)氣體性質(zhì)的函數(shù),就可以求出噴水后發(fā)動(dòng)機(jī)各性能相似參數(shù)的修正系數(shù)。并用于壓氣機(jī)部件特性、渦輪部件特性及燃燒室特性計(jì)算的修正。發(fā)動(dòng)機(jī)換算轉(zhuǎn)速的修正系數(shù)CΗn=√γaRaγhRh(9)CHn=γaRaγhRh????√(9)換算空氣流量的修正系數(shù)CΗqmk=√γkRhγhRa(10)CHqmk=γkRhγhRa????√(10)燃油流量的修正系數(shù)CΗqmry=cpFcpFh√γaRhγhRa(11)CHqmry=cpFcpFhγaRhγhRa????√(11)式中cpF、cpFh分別為燃油及燃油與水蒸氣混合的質(zhì)量定壓熱容。5噴氣機(jī)的預(yù)處理根據(jù)上述計(jì)算分析模型,本文編制了計(jì)算射流預(yù)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)性能的軟件,并以一小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為例,進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算時(shí),選擇保持動(dòng)壓50kPa的飛行軌跡,如圖2所示。分別計(jì)算了保持壓氣機(jī)前總溫為560K,600K,650K,三種情況下噴水量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。從圖3可以看出,不同的壓氣機(jī)進(jìn)口溫度限制決定開(kāi)始噴水預(yù)冷卻的飛行馬赫數(shù)不同。若限制壓氣機(jī)進(jìn)口溫度不超過(guò)560K,則當(dāng)飛行速度達(dá)到Ma=2.7時(shí),就需要噴水冷卻;如果限制壓氣機(jī)進(jìn)口溫度不超過(guò)650K,飛行速度達(dá)到Ma=3.3時(shí),才需要噴水冷卻。從噴水量需求角度,限制壓氣機(jī)進(jìn)口溫度高時(shí)需要的水量少,當(dāng)達(dá)到Ma=5.5時(shí),壓氣機(jī)進(jìn)口溫度限制在560K時(shí)需要的水量占空氣流量的43%;如果壓氣機(jī)進(jìn)口溫度限制在650K時(shí)需要的水量?jī)H占空氣流量的32%。另外,從圖4可以看出,若不采取噴水冷卻方式,常規(guī)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)只能工作到3馬赫數(shù),而采用噴水措施,則可以工作到Ma=5.7以上,并且此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力仍然高出海平面標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下推力的70%,從推力的角度考慮,預(yù)冷卻的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是小型二級(jí)入軌飛行器的第一級(jí)或高速飛行器動(dòng)力的理想推進(jìn)系統(tǒng)。圖5給出了限制不同的渦輪前燃?xì)鉁囟葧r(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)推力隨飛行馬赫數(shù)的變化,若渦輪前燃?xì)鉁囟却髣t推力大。圖6給出了限制不同的換算轉(zhuǎn)速時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)推力隨飛行馬赫數(shù)的變化,換算轉(zhuǎn)速低發(fā)動(dòng)機(jī)推力也低。圖7給出了預(yù)冷卻的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖隨飛行馬赫數(shù)的變化,同時(shí),也給出了高性能的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖隨飛行馬赫數(shù)的變化?？梢钥吹?雖然隨著飛行馬赫數(shù)的增加,預(yù)冷卻的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),但是,即使在Ma=5.5時(shí),預(yù)冷卻的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖仍然與固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖接近。因此,從比沖的角度考慮,預(yù)冷卻的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。6發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算結(jié)果根據(jù)上述計(jì)算分析結(jié)果,可以看出:1)本文計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化趨勢(shì)和美國(guó)MSE公司對(duì)Steamje