預冷卻渦輪基發動機性能計算模型

由于普通汽油車的入口溫度和電機前溫度的限制，發動機的航空數量通常不超過3%。為了有效擴展發動機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的進口溫度。這一方法已經得到了美國MSE技術應用公司的重視,并提出了射流預冷卻發動機的概念(SteamJet)。本文在常規渦輪發動機性能計算模型的基礎上,補充考慮了壓氣機進口噴水對發動機性能的影響,建立了考慮噴水的渦噴發動機性能計算模型,并編制了計劃軟件,對預冷卻的渦輪基發動機性能進行了計算和分析。1空氣流速、工質、密度對發動機推力的影響射流預冷卻渦輪基發動機的工作原理是在常規的渦噴發動機壓氣機前加裝噴水系統,通過向進氣道噴水冷卻空氣。這種發動機有三個優點:第一,工質含濕量增大,氣體常數增加,工質熱容量變大,發動機排氣速度增大,單位推力增大;第二,水蒸發冷卻了進氣道中的氣流,使氣流溫度下降,密度增加,進入發動機的空氣流量增加,也增大了推力;第三,雖然發動機推力增加主要是靠空氣溫度下降引起的,但噴入進氣道的水汽化也使推力額外增大5%~20%。這種發動機可以工作到馬赫數6.0左右,是高超音速飛行器、軌道飛行器的理想動力裝置,已受到高度重視。2空氣溫度cpv壓氣機噴水的熱力過程為空氣進入壓氣機前的定壓冷卻過程,如圖1所示。假設噴入壓氣機前的純水全部變為過熱蒸汽或干蒸汽。冷卻1kg壓氣機進口空氣至溫度tout所需噴水量,可根據能量平衡方程求得。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)分別為空氣在進氣道出口溫度tin和噴水后壓氣機前的混合溫度tout時的焓;t″win為水的進口溫度;gw為噴水量(即噴入壓氣機內水的質量流量和發動機中空氣的質量流量之比);t″s為噴入壓氣機前水的飽和溫度;r為汽化潛熱;—cpvc—pv、—cpwc—pw分別為水蒸氣和水的平均質量定壓熱容。t″s和r由IAPWS-IF97國際標準中飽和溫度方程及飽和水及飽和水蒸氣焓的計算公式求得。3濕空氣熱力參數渦輪噴氣發動機所用的工質為空氣,通常渦輪噴氣發動機的性能參數是按干空氣做工質通過計算或試驗得到的,但是壓氣機噴水會影響工質的特性參數和部件特性,因此需要對空氣和燃氣的特性參數進行修正。進入壓氣機的濕空氣是干空氣和水蒸氣的混合物,根據完全氣體混合物的熱力性質計算公式,得濕空氣(濕燃氣)熱力參數計算公式為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為質量定壓熱容,h為焓,PHI為熵函數,S為熵,R為氣體常數,Ri為各組分的氣體常數,γ為比熱比,a為音速,P、T分別為壓氣機的進口壓力與溫度,P0為大氣壓力。當油氣比f=0時,所得的值為濕空氣熱力參數;當油氣比f≠0時,所得的值為濕燃氣熱力參數。4高比能參數函數按相似原理,只要保證絕對運動和相對運動中的Ma數相等,就可認為它們是處于相似狀態下工作。由于噴水的影響,發動機性能參數的絕對值發生了變化,但是它們的相似參數卻近似地保持不變。所以,只要將各性能參數表示為各相似參數對氣體性質的函數,就可以求出噴水后發動機各性能相似參數的修正系數。并用于壓氣機部件特性、渦輪部件特性及燃燒室特性計算的修正。發動機換算轉速的修正系數CΗn=√γaRaγhRh(9)CHn=γaRaγhRh????√(9)換算空氣流量的修正系數CΗqmk=√γkRhγhRa(10)CHqmk=γkRhγhRa????√(10)燃油流量的修正系數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量定壓熱容。5噴氣機的預處理根據上述計算分析模型,本文編制了計算射流預冷卻發動機性能的軟件,并以一小型渦噴發動機為例,進行了計算分析。計算時,選擇保持動壓50kPa的飛行軌跡,如圖2所示。分別計算了保持壓氣機前總溫為560K,600K,650K,三種情況下噴水量對發動機性能的影響。從圖3可以看出,不同的壓氣機進口溫度限制決定開始噴水預冷卻的飛行馬赫數不同。若限制壓氣機進口溫度不超過560K,則當飛行速度達到Ma=2.7時,就需要噴水冷卻;如果限制壓氣機進口溫度不超過650K,飛行速度達到Ma=3.3時,才需要噴水冷卻。從噴水量需求角度,限制壓氣機進口溫度高時需要的水量少,當達到Ma=5.5時,壓氣機進口溫度限制在560K時需要的水量占空氣流量的43%;如果壓氣機進口溫度限制在650K時需要的水量僅占空氣流量的32%。另外,從圖4可以看出,若不采取噴水冷卻方式,常規渦噴發動機只能工作到3馬赫數,而采用噴水措施,則可以工作到Ma=5.7以上,并且此時發動機的推力仍然高出海平面標準狀態下推力的70%,從推力的角度考慮,預冷卻的渦輪發動機是小型二級入軌飛行器的第一級或高速飛行器動力的理想推進系統。圖5給出了限制不同的渦輪前燃氣溫度時,發動機相對推力隨飛行馬赫數的變化,若渦輪前燃氣溫度大則推力大。圖6給出了限制不同的換算轉速時,發動機相對推力隨飛行馬赫數的變化,換算轉速低發動機推力也低。圖7給出了預冷卻的渦輪噴氣發動機的比沖隨飛行馬赫數的變化,同時,也給出了高性能的固體火箭發動機的比沖隨飛行馬赫數的變化。可以看到,雖然隨著飛行馬赫數的增加,預冷卻的渦輪噴氣發動機的比沖呈現降低的趨勢,但是,即使在Ma=5.5時,預冷卻的渦輪噴氣發動機的比沖仍然與固體火箭發動機的比沖接近。因此,從比沖的角度考慮,預冷卻的渦輪噴氣發動機具有明顯的優勢。6發動機計算結果根據上述計算分析結果,可以看出:1)本文計算的發動機性能變化趨勢和美國MSE公司對Steamje