3.2.1 PATR发动机与航空燃气涡轮发动机最大推力状态的比较
在分析了PATR发动机的控制特性后,在对推力的调节方面,PATR发动机与航空燃气涡轮发动机有所不同。
对于航空燃气涡轮发动机,如尾喷管可调的不加力的单轴涡喷发动机,该发动机最大推力状态的控制规律可表述为:分别通过调节燃油流量和尾喷管喉部面积,保持涡轮入口温度和物理转速分别为其最大值,即
由于航空燃气涡轮发动机一般为富氧燃烧,即给油量小于完全燃烧所需燃油量,给油量完全是通过影响燃烧过程来调节转速的。所以当给油量qmf增大时,发动机转速n和涡轮前温度T4不能独立变化,故按所给控制规律,给定飞行条件下,当涡轮前温度已达最大值时,若增加给油量qmf以使涡轮物理转速增大,发动机必然超温; 当涡轮物理转速已达最大值时,若增加给油量以使涡轮前温度增大,发动机必定超转。
对于PATR发动机,由于总氢流量首先对空气进行预冷,远大于燃烧所需,这使得温度{Ta8,Th1}与总氢流量qm,f可独立调节。
3.2.2 PATR发动机最大推力状态的确定
依据上述分析,要使PATR发动机处于最大推力状态,应当首先使主燃室温度Ta8、氦涡轮入口温度Th1、尾喷管喉部面积ACS取得最大值,其次要尽可能地增加总氢流量qm,f。
因此,PATR发动机的最大推力状态控制规律可表述为:随着飞行条件(飞行马赫数、高度)的变化,通过改变控制量{qm,b,qm,pb,ACS}以保持{Ta8,Th1,ACS}为最大值,并使总氢流量qm,f达到允许的最大值,即
在增加总氢流量时,发动机可能碰到两个安全工作边界,如图 10所示。第一,总氢流量的增加会使空气流路工作点沿工作线向上移动,导致空气压气机换算转速增大,这可能会使发动机触碰空气压气机最大换算转速边界; 第二,总氢流量的增加会使氦气流路工作点沿工作线向上移动,氦压气机增压比增大,这导致氦压气机即氦路最高压力升高,而氦气流路为闭合回路,回路内最大压力存在最大允许值,所以发动机可能会因此触碰氦回路最大压力边界。
图 10 最大推力状态下发动机可能触碰的安全边界
Fig.10 Safety boundary that the engine may touch under maximum thrust
对于不同发动机,由于特性不同,两个安全边界的位置不同,触碰这两个安全边界的次序不同; 同一发动机,来流条件不同时,两个安全边界的位置不同,触碰这两个安全边界的次序也不同。本文基于PATR发动机变工况模型,得到如图 11所示的发动机在最大推力状态下的飞行包线。
图 11 最大推力状态下发动机的飞行包线
Fig.11 Flight envelope of the engine under maximum thrust
在换算转速区,发动机最大推力在空气压气机最大换算转速边界上取得,此时(qm,f)max由空气压气机最大换算转速ncor,AC决定,空气压气机最大换算转速ncor,AC成为控制目标,此时式(18)中控制规律的形式可进一步表示为
在氦回路压力区,发动机最大推力在氦回路最大压力边界上取得,此时(qm,f)max由氦回路最大压力ph,top决定,氦回路最大压力ph,top成为控制目标,式(18)中控制规律的形式可进一步表示为
为了描述方便,称式(19)所示的控制规律为PATR发动机的换算转速区最大推力状态控制规律,式(20)所示的控制规律为PATR发动机的氦路压力区最大推力状态控制规律。
3.3 PATR发动机最大比冲状态控制规律
3.3.1 PATR发动机最大比冲与航空燃气涡轮发动机最经济巡航状态的比较
航空发动机巡航状态的性能要求是在给定推力要求下,发动机达到最低耗油率。
航空发动机获得最佳巡航状态的方法是,在一定给油量qmf下,变化发动机转速,找到发动机推力最大的点,然后不同给油量qmf下取得的发动机推力最大点就会组成一条工作线,发动机的巡航状态沿这条工作线变化,耗油率最低,经济性最好。在这条工作线上存在一个(qmf)min,当qmf=(qmf)min时,发动机耗油率达到给定飞行条件下的最小值。(qmf)min由发动机能正常工作的最低转速决定。
可以看出,PATR发动机和航空发动机一样,一定的飞行条件下,若给定推力要求,存在一个工作点,该工作点比冲最高(对航空发动机而言是耗油率最低),这些工作点形成的工作线上存在一个(qmf)min,当qmf=(qmf)min时,发动机比冲(耗油率)达到给定飞行条件下的最大值(最小值)。
3.3.2 PATR发动机最大比冲状态的确定
依据上述分析,要使PATR发动机处于最大比冲状态,应当首先使主燃室温度Ta8、氦涡轮入口温度Th1、尾喷管喉部面积ACS取得最大值,其次要尽可能地减小总氢流量qm,f,即
总氢流量的减小会使空气流路工作点沿工作线向下移动,使发动机触碰空气压气机喘振边界,或者使对空气的冷却过程减弱,预冷器氦路出口温度会升高,发动机因此触碰预冷器材料最高温度边界,如图 12所示。
图 12 最大比冲状态下发动机可能触碰的安全边界
Fig.12 Safety boundary that the engine may touch under maximum specific impact condition
对于不同发动机,由于特性不同,两个安全边界的位置不同,触碰这两个安全边界的次序不同; 对于同一发动机,来流条件不同时,两个安全边界的位置不同,触碰这两个安全边界的次序也不同。本文基于PATR发动机变工况模型,得到如图 13所示的发动机最大比冲状态下的飞行包线,包线内分为喘振边界区和预冷器温限区。
图 13 最大比冲状态下发动机可能触碰的安全边界
Fig.13 Safety boundary that the engine may touch under maximum specific impact condition
在喘振边界区,发动机最大推力在空气压气机喘振边界上取得,此时式(20)中控制规律的形式进一步表示为
在预冷器温限区,发动机最大推力在预冷器材料最高温度边界上取得,式(20)中控制规律的形式进一步表示为
为了描述方便,称式(22)所示的控制规律为PATR发动机的喘振边界区最大比冲状态控制规律,式(23)所示的控制规律为PATR发动机的预冷器温限区最大比冲状态控制规律。