航空发动机进气道性能参数解析

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：进气道对发动机性能的影响通过两个方面评价：总压恢复系数和进气道畸变指数。一般而言，进气道内边界层造成的总压损失为1%～2%。这是因为进气道的唇口截面始终保持为超声速状态，其流动参数和流量不变。该曲线表示的是当来流马赫数固定时超声速外压式进气道的总压恢复随流量系数的变化情况。图2-20进气道特性图2.4.2.2进气道畸变进气道畸变

进气道对发动机性能的影响通过两个方面评价：总压恢复系数和进气道畸变指数。

2.4.2.1　总压恢复系数

进气道总压恢复系数被定义为进气道出口截面的平均总压pt2与自由来流总压pt0之比，如式（2－17）所示：

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总压恢复系数是衡量进气道内部熵增大小，或者说流动不可逆性程度的一个参数。就理想的进气道而言，其总压恢复系数等于1.0；而对于任何真实的进气道，其总压恢复系数总是小于1.0。进气道设计的最大挑战在于如何使总压损失最小，即尽可能使总压恢复系数最大，因为总压恢复系数对推进系统的性能有着线性的影响规律。视具体的推进系统不同，一般来说，进气道的总压恢复系数每减少1%，将导致发动机推力减少1.5%，单位燃油消耗率增加2.5%。进气道内的总压损失有三大来源：边界层、掺混或剪切层，以及激波。

进气道内部、外部的各个固壁表面上都会产生边界层。边界层导致总压损失的大小取决于边界层的厚度和状态（层流、湍流，或者是过渡状态）。当然，边界层导致的具体影响与飞行条件以及进气道的尺寸和形状有关，但即使是最简单的直管，也会由于边界层而产生总压损失。一般而言，进气道内边界层造成的总压损失为1%～2%。

如果进气道壁面出现了边界层流动分离，则分离区内及其周围的掺混和剪切作用会导致额外的总压损失。扩张比较大的进气道更容易发生边界层分离。这是因为在扩压器内产生了较高的逆压强梯度。对于出口偏置的进气道而言，其进、出口的中心线位置偏移往往会由于内通道的横向二次流而导致边界层分离。边界层分离导致的总压损失可能是非常严重的，一般为2%～5%。

超声速进气道的总压恢复问题较为独特，因为其上游是超声速气流，而出口处流动发动机要求为亚声速。为了将超声速流动转变为亚声速流动，超声速进气道中常会出现正激波，正激波造成的总压损失在很大程度上取决于波前马赫数。当波前马赫数为1.3时，正激波造成的总压损失接近2%；而当波前马赫数为2 时，正激波造成的总压损失达30%。因此，当飞行速度马赫数超过1.3 时，必须在正激波的上游对来流进行减速，通过多道较弱的斜激波产生较小的总压损失。图2－19 表示了这种情况。

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图2-19　超声速进气道中的激波

进气道设计和发动机工作状态对总压恢复系数的影响通常采用如图2－20 所示的进气道节流特性曲线表示。该曲线表示的是当来流马赫数固定时超声速外压式进气道的总压恢复随流量系数的变化情况。曲线上的转折点被称为临界状态，此时结尾正激波刚好停留在进气道唇口面上，且流量系数仍保持最大。当流量系数减小时，进气道进入亚临界状态，正激波离开唇口，部分流体在其下游溢出唇罩。当流量系数降至最小可用状态时，进气道开始喘振。在曲线上的超临界状态部分，进气道的正激波进入了唇罩下游的通道内，超临界状态下，进气道的流量系数保持恒定。这是因为进气道的唇口截面始终保持为超声速状态，其流动参数和流量不变。进气道的总压恢复系数之所以沿着曲线逐渐下降，是因为随着正激波向扩压器下游移动，波前马赫数增加，故总压损失逐渐增加。另外，注意图中进气道的流量系数无法达到1，因为外压缩斜激波总会导致部分的超声速溢流出现。

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图2-20　进气道特性图

2.4.2.2　进气道畸变

进气道畸变描述的是进气道出口平面的参数分布特征。由于压气机或风扇都是绕一条轴线旋转的，因此进气道出口的流场应当尽可能保持均匀。如果进气道出口的速度场存在畸变，即某区域的速度和其他区域不同，则当旋转叶片通过该畸变区域时气流的当地攻角将发生变化。如果当地攻角超过了叶片的失速攻角，则叶片将发生失速，使得其气动性能恶化，并可能导致气流倒流和发动机熄火。外流参数变化、飞行器出现大攻角和侧滑角姿态、进气道出口偏置，以及高扩压比或激波/边界层干扰产生的流动分离等都是进气道畸变的来源。一些进气道的畸变还会随时间变化，这样便产生了动态畸变。

对发动机工作性能影响最大的是压力畸变。图2－21 所示为一个典型的进气道总压畸变图谱。图2－21 中线旁的数字表示该等值线上的总压恢复系数值，黑色圆点表示总压探针的位置。

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图2-21　进气道压力畸变示意图

除了压力畸变，进气道还有温度畸变，主要是由于吸入进气道前不同总温的气流而形成的畸变，例如导弹排出的废气、前面飞机排出的燃气、反推力状态下吸入本身的回流气体、舰载飞机弹射起飞时吸入的蒸汽等。

旋流畸变是隐身飞机特有的，主要是由于进气道采用了S 弯构型，造成气流在进气管路内产生一定旋转角度流动进而产生压力梯度。

美国和俄罗斯有不同的进气道畸变指标，我国目前工程上常用的是俄罗斯的定义：总压畸变指数用综合畸变指数表示，由三个分量之和组成，即沿进口截面的总压周向不均匀度、径向总压不均匀度、总压随时间变化的面平均紊流度。

俄罗斯发动机行业通过大量的研究数据表明，径向总压不均匀度对各种不同结构形式发动机的稳定性影响很小，通常不予考虑。因此，综合畸变指数定义为周向不均匀度和面平均紊流度的叠加。

温度畸变指数有多种表达形式，主要有高温区周向范围、温度畸变持续时间、面平均温升、面平均相对温升、温度场周向不均匀度和温升率等。

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