兩種雷諾數(shù)修正方法的比較

兩種雷諾數(shù)修正方法的比較

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，考慮到進(jìn)口條件的變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，尤其是穩(wěn)定工作領(lǐng)域的影響，已變得越來越重要。國外眾多相關(guān)試驗(yàn)和計(jì)算表明,雷諾數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和穩(wěn)定性的影響不容忽視,特別是在高空低馬赫數(shù)飛行條件下,雷諾數(shù)處于非自模區(qū),遠(yuǎn)低于臨界雷諾數(shù),壓氣機(jī)、渦輪部件效率大為降低,其高低壓壓氣機(jī)喘振邊界向下移動(dòng)致使發(fā)動(dòng)機(jī)性能和穩(wěn)定性大幅下降,這不僅嚴(yán)重影響飛機(jī)性能更重要的是影響其飛行包線和升限,嚴(yán)重威脅了飛行安全。因此,雷諾數(shù)已經(jīng)成為影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能及其穩(wěn)定性的主要因子之一,有效的評(píng)定其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、穩(wěn)定性的影響已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)研制和使用過程中迫切需要解決的問題。1影響模型和修正方法本文運(yùn)用Wassell方法對(duì)壓氣機(jī)、風(fēng)扇特性進(jìn)行修正同時(shí)運(yùn)用文獻(xiàn)建立的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型對(duì)渦輪特性進(jìn)行了雷諾數(shù)修正。1.1壓氣機(jī)特征的雷諾數(shù)校正1.1.1壓力檢測裝置效率的改進(jìn)(1)影響壓氣機(jī)效率的函數(shù)1-ηΡ=Κ?Re-mⅠ(1)1?ηP=K?Re?mⅠ(1)式中:ReⅠ為影響壓氣機(jī)效率的雷諾數(shù);K為常數(shù),計(jì)算結(jié)果表明K的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響,為避免其引起的誤差,根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)求出其值;m為影響系數(shù),是壓氣機(jī)氣動(dòng)參數(shù)和壓氣機(jī)幾何參數(shù)的函數(shù);根據(jù)文獻(xiàn)求出其值。(2)壓氣機(jī)的絕振特性c和可變效率p的關(guān)系ηC=π(k-1)/kC-1π(k-1)/kηΡC-1(2)ηC=π(k?1)/kC?1π(k?1)/kηPC?1(2)1.1.2壓氣機(jī)壓比的修正對(duì)壓氣機(jī)壓比的雷諾數(shù)修正采用相似功原理即:由上式得出雷諾數(shù)ReⅠ對(duì)壓氣機(jī)壓比πC的修正。1.1.3鐵t-2-生長分布及雷諾數(shù)計(jì)算壓氣機(jī)質(zhì)量流量Wa隨雷諾數(shù)ReⅡ的變化關(guān)系可用下式表示:tx?Wa-Wa*Wa*=f(ReⅡ)(4)tx?Wa?Wa?Wa?=f(ReⅡ)(4)式中:ReⅡ?yàn)橛绊憠簹鈾C(jī)流量的雷諾數(shù);t為第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片中徑處喉道寬度(m);x為第一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片中徑處前緣到葉片喉部的距離(m);Wa為對(duì)應(yīng)于ReⅡ的空氣流量(kg/s);Wa*為對(duì)應(yīng)于ReⅡ=1.0×105條件下的流量(kg/s)。1.1.4壓氣機(jī)氣壓比的雷諾數(shù)法壓氣機(jī)喘點(diǎn)壓比隨ReⅢ的變化關(guān)系可用下式表示:πs-π*sπ*s=f(ReⅢ)(5)πs?π?sπ?s=f(ReⅢ)(5)式中:ReⅢ為影響壓氣機(jī)喘點(diǎn)壓比的雷諾數(shù);πs為對(duì)應(yīng)于ReⅢ的喘點(diǎn)壓比;π*s這對(duì)應(yīng)于ReⅢ=105條件下的喘點(diǎn)壓比。1.2幾個(gè)軸功能的雷諾數(shù)校正1.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)效率的改進(jìn)渦輪效率ηT與其修正雷諾數(shù)ReT,Σ的變化關(guān)系為:1.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)流量修正渦輪流量函數(shù)BT與其修正雷諾數(shù)ReT,V之間的變化關(guān)系為:1.3部件基準(zhǔn)特性本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)各部件特性的雷諾數(shù),分別計(jì)算出ReⅡ=1.0×105,ReⅢ=105,ReT,Σ=2.0×105,ReT,V=2.5×105時(shí)的壓氣機(jī)流量、喘點(diǎn)壓比、渦輪效率、渦輪流量函數(shù)作為部件特性修正的基準(zhǔn)特性。2雷諾數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響運(yùn)用上述模型分別對(duì)A、B、C三種渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了性能計(jì)算,其中C型發(fā)動(dòng)機(jī)為具有增壓級(jí)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。下面以A型發(fā)動(dòng)機(jī)為例對(duì)雷諾數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)共同工作線,發(fā)動(dòng)機(jī)性能、穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析說明。圖1、圖2給出了A型發(fā)動(dòng)機(jī)Ma=0.9,H=20km時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)工作線和喘振邊界的影響示意圖。從上圖中可以看出由于雷諾數(shù)的影響喘振邊界內(nèi)移,工作點(diǎn)換算流量、壓比降低,工作線向接近喘振邊界的左下方移動(dòng),同時(shí)喘振邊界點(diǎn)壓比流量均降低,向左下方內(nèi)側(cè)移動(dòng),該兩方面因素均必然使得風(fēng)扇、壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度大幅下降。同時(shí)工作點(diǎn)壓比、流量的降低,也必然使得發(fā)動(dòng)機(jī)性能劇烈變化。為了更為清晰地理解雷諾數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響,圖3～圖8分別給出了H=20km,A型發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作過程參數(shù)和性能隨飛行馬赫數(shù)的變化關(guān)系。部件特性考慮雷諾數(shù)修正后,風(fēng)扇、壓氣機(jī)壓比下降,流量降低,同時(shí)渦輪前總溫升高。流量減小導(dǎo)致推力降低,但這完全被由于渦輪前總溫升高而導(dǎo)致的推力增大所抵消,結(jié)果使得推力升高,單位推力升高,耗油率增大(為對(duì)比的需要本文所計(jì)算的3種發(fā)動(dòng)機(jī)均采用nFcor=const的調(diào)節(jié)規(guī)律)?？紤]高低壓渦輪特性修正后,渦輪流通能力下降,渦輪前總溫升高,同樣使得推力增大,單位推力,耗油率升高。因此,綜合考慮風(fēng)扇、壓氣機(jī)、高低壓渦輪特性的的雷諾數(shù)修正后,發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化更為顯著,推力進(jìn)一步增大,耗油率進(jìn)一步升高,穩(wěn)定裕度大幅下降。表1、表2分別給出了3種發(fā)動(dòng)機(jī)在H=10.0km,Ma=0.5飛行條件(該點(diǎn)處影響各部件特性的雷諾數(shù)最小,因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響也最為顯著)下控制規(guī)律為nFcor=const的性能、穩(wěn)定裕度的相對(duì)變化。從表1、表2可以看出在高空低速區(qū),雷諾數(shù)對(duì)3種大動(dòng)機(jī)性能均有顯著影響。3不同雷諾數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率、推力以及u3000條運(yùn)用Wassell方法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型分別對(duì)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、高低壓渦輪部件特性進(jìn)行了雷諾數(shù)修正,并分別對(duì)A,B,C三種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了性能計(jì)算(3種發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)規(guī)律均為nFcor=const),定量計(jì)算出了雷諾數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、穩(wěn)定性的影響程度。計(jì)算結(jié)果表明:(1)由于雷諾數(shù)的影響,發(fā)動(dòng)機(jī)在高空低速區(qū)渦輪前總溫劇烈升高。在Ma=0.5,H=20km處A發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前總溫T4由1059.83K增加到1155.83K,B發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前總溫T4由1183.57K增加到1260.25K,C發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前總溫T4由1238.0K增加到1331.85K。(2)雷諾數(shù)的影響,使得發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率顯著增加。以本文所計(jì)算3種渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例,A,B,C三種發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma=0.5,H=20km處耗油率分別增加10.35%,8.18%,9.67%。(3)雷諾數(shù)的影響,使得發(fā)動(dòng)機(jī)推力顯著增加。A,B,C三種發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma=0.5,H=20km處推力分別增加5.96%,3.85%,3.12%。(4)雷諾數(shù)的影響,在高空低速區(qū),3種發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度顯著下降。在Ma=0.5,H=20km處,A發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇穩(wěn)定裕度由17.4%下降到12.9%,壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度由18.06%下降到15.26%;B發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇穩(wěn)定裕度由13.79%下降到11.51%,壓氣機(jī)穩(wěn)定裕度由24.46%下降到20.63%;C發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇穩(wěn)定裕度由14.83%下降到11.95%,增壓級(jí)穩(wěn)