608所黄兴研究员团队：桨扇发动机推进效率分析方法研究

文摘科技 2024-09-29 09:48 陕西

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桨扇发动机推进效率分析方法研究

文章亮点：评估涡扇、涡桨、桨扇发动机的推进效率对中高飞行马赫数下桨扇发动机具有重要意义。基于分开排气涡扇发动机模式，采用能量—动量方法推导、建立推进效率分析的数学模型，形成涡桨、涡扇及桨扇发动机统一的推进效率分析方法；选取不同外涵风扇压比、等效涵道比及不同飞行马赫数开展计算。结果表明：在中低飞行马赫数下涡桨发动机推进效率较高，在中高飞行马赫数下桨扇发动机推进效率较高，在高亚声速飞行马赫数下涡扇发动机推进效率较高，印证了现有的涡桨、桨扇及涡扇发动机优势推进效率的飞行马赫数区间分布规律，为涡扇、涡桨、桨扇发动机推进效率研究分析提供了方法。

研究背景：桨扇发动机（Propfan Engine），又称开式转子发动机、无涵道风扇发动机，是一种兼具涡扇发动机高亚声速飞行，涡桨发动机推进效率高、耗油率低的航空发动机。桨扇发动机既可以看成安装有高性能螺旋桨的涡桨发动机，又可以看成没有外涵道罩的超大涵道比涡扇发动机，主要由燃气发生器、动力涡轮、传动装置、对转桨扇组成。桨扇发动机可以根据桨扇部件位置分为拉进式与推进式两种类型，又可以根据驱动方式分为齿轮传动与直接驱动两种类型。

在20世纪70年代初石油危机的大背景下，美英、法等国纷纷开展低能耗先进航空发动机研制，桨扇发动机的研究得到充分重视。作为NASA“高能效飞行器计划”（ACEE）的一部分，“先进涡轮螺旋桨（Advance Turboprop Project，简称ATP）”计划对桨扇发动机的研究起到了极大的促进作用；在20世纪80年代，桨扇发动机的研究达到高潮，通用电气（GE）公司研制出的GE36及普惠（P&W）公司与艾利逊（Allison）公司联合研制的578DX开式转子发动机均完成地面和飞行验证试验，结果基本达到了预期目标：开式转子发动机比常规涡扇发动机节油20%~30%，在节能方面显示出巨大潜力；在20世纪80年代中后期，乌克兰的伊夫琴科设计局为安-70宽体运输机设计了桨扇发动机D-27，其对转桨扇部件采用前排8桨叶和后排6桨叶的布局，马刀形设计的桨叶大幅降低了叶尖速度，具有高起飞推力、高巡航速度、高飞行效率的特点；21世纪初，世界经济逐步进入复苏阶段，油价重新突破100美元大关，让桨扇发动机再次成为航空业关注的热点之一。罗罗公司实施的“Option15-50”桨扇发动机项目，并称桨扇发动机的燃油效率可以提高25%~30%，是“真正的游戏规则改变者”；赛峰集团开展了齿轮传动开式转子发动机验证机及地面试车。在总体分析方面，2011年瑞典Larsson等开展了同等水平下齿轮传动涡扇发动机和齿轮传动开式转子发动机耗油率对比工作；2013年佐治亚理工学院Perullo等开展了开式转子发动机与CFM56-7B发动机和Leap-X ATF发动机在推进效率、耗油率等方面的对比研究；从2014年起法国Bellocq等开展了桨扇发动机与其他类型发动机的对比研究；2016年西北工业大学屠秋野等开展了开式转子发动机计算模型及调节研究；2019年西北工业大学康瑞元等开展了桨扇发动机总体建模及调节参数对比研究。在推进效率研究方面，温占永等给出了在活塞发动机、涡桨发动机、涡喷发动机及涡扇发动机中，涡扇发动机在亚跨声速下具有最高推进效率的结论；严成忠、Bellocq给出了涡桨、桨扇及涡扇发动机推进效率随飞行马赫数的变化关系，但未给出相关的理论支持。

由于涡桨、桨扇可以看成具有较小压比、较大等效涵道比且不带外罩的分开排气涡扇发动机，因此本文以分开排气涡扇发动机为研究对象，采用能量—动量形式分别对内外涵的能量关系及动量关系进行推导，建立涡桨、涡扇及桨扇发动机推进效率分析的统一数学模型，形成涡桨、涡扇及桨扇发动机推进效率统一的分析方法；计算分析不同外涵风扇压比及涵道比下的推进效率及不同飞行马赫数小涡桨、涡扇及桨扇发动机的推进效率，以期为中高飞行马赫数下桨扇发动机所具有的高推进效率优势提供理论支撑。

研究展望：1）本文针对涡桨、涡扇及桨扇发动机，采用分开排气涡扇发动机模式及能量—动量原理建立了适应于涡桨、涡扇及桨扇发动机推进效率计算评估的统一模型，为涡桨、涡扇及桨扇发动机推进效率对比提供了计算方法。

2）采用本文所建立的推进效率计算模型，开展涡桨、桨扇及涡扇发动机推进效率随马赫数变化关系的计算及分析，计算结果印证了现有涡桨、桨扇及涡扇发动机优势推进效率的飞行马赫数区间分布规律，说明所建立模型的合理性，并为桨扇发动机在中高飞行马赫数下所具有高推进效率的优势提供了理论支撑。

3）本文所建立的推进效率模型及计算结果可为飞行器的发动机选型提供建议，针对目前高亚声速客运/货用飞行器，桨扇发动机可作为其优选动力。

引用格式：黄兴, 李伟, 杨宇飞, 等. 桨扇发动机推进效率分析方法研究[J]. 航空工程进展, 2024, 15(4): 50-55. HUANG Xing, LI Wei, YANG Yufei, et al. Research on analysis method of propulsive efficiency of prop-fan engine[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2024, 15(4): 50-55. (in Chinese)

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