高性能经济可承受先进加力燃烧室技术GOTChA 分解

邓爱明，王中豪，张军华，胡 斌，赵庆军，3，黄 勇

(1.中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院轻型动力重点实验室，北京 100190；4.北京航空航天大学，北京 100191)

1 引言

军用战斗机常采用加力燃烧室来增加推力，以提高其加速性和机动性[1-2]。近年来，随着战斗机朝宽空域、高马赫数的趋势发展，美国制定了飞行马赫数4.0 一级作战飞机的研制计划，涡轮基组合循环(TBCC)发动机[3]是其宽速域动力装置的一个发展方向。TBCC 发动机涡轮后的燃烧室兼具了加力燃烧室和冲压燃烧室的功能[4-6]，当其以加力燃烧室状态工作时，发动机的涵道比、速度、温度及流量变化范围较大，要在宽广的工作范围保持高效、稳定的工作将面临极为严峻的技术挑战。为此，必须尽早制定加力燃烧室的技术路线和发展方向，并加强其预研工作。

当前国内航空发动机专项计划要求，针对加力燃烧室真实环境下工作遇到的具体问题去开展工作。为提高研究工作的组织效率，规范项目管理，急需对加力燃烧室的研究目标和研究现状进行分析，明确技术指标和急需开展的研究内容，并定量评估研究结果。在这一背景下，国内针对加力燃烧室开展了大量的研究工作，但这些工作缺少对加力燃烧室性能综合评价的研究，导致各专项研究中难以给出明确的研究指标，不能定量分析加力燃烧室技术指标对发动机性能的影响，从而可能造成研究内容重复、研究指标没有持续性等问题。

为此，本文提出了加力燃烧室技术综合评价指标，并对加力燃烧室三个阶段的技术指标进行了定量分析。同时，以美国预研计划中采用的GOTChA管理方法为基础[7-9]，给出了实现加力燃烧室第一阶段目标的GOTChA 图分解，明确了加力燃烧室研究面临的技术挑战和所需方法。研究结果将有助于加深研发人员对加力燃烧室研究现状及研究目标可行性的认识，统筹开展基础研究、技术开发及工程应用研发工作，协调确定加力燃烧室设计要求，并逐步建立加力燃烧室技术指标体系。

2 GOTChA 概念

GOTChA 由目的(Goals)、目 标(Objectives)、技术挑战(Technical Challenges)和方法(Approaches)构成。目的指顶层技术目标，即最终要达到的结果。加力燃烧室研究的目的是要达到发动机总体提出的加力燃烧室设计技术指标。目标指部件和分系统要达到的技术水平。对于加力燃烧室，需要对发动机总体技术指标进行分解，对构成加力燃烧室的各部件参数及性能指标提出具体要求。技术挑战指特定的科学/技术难点。方法指先进的科学技术方法，是解决技术挑战或难点所必需的。通过更先进的理论分析、数值模拟方法或测试技术来深入研究当前遇到的技术难题，从而提升设计技术水平。

3 加力燃烧室技术综合评价指标及影响

以美国VAATE 计划为参考，提出了高性能经济可承受先进加力燃烧室技术(HPAAAT)的综合评价指标(CPAI)。CPAI定义为：

式中：η为加力燃烧室效率；σr为总压恢复系数，为加力燃烧室出口总压与其进口总压之比；T*为加力燃烧室出口总温；L/D为加力燃烧室长度(包括掺混段长度、扩压段长度及燃烧区长度)与直径之比，通常称为加力燃烧室长径比；C/Ls为产品成本与寿命周期之比。

为定量评估加力燃烧室技术水平，需确定加力燃烧室的燃烧效率、总压恢复系数、出口总温、长径比、成本与寿命周期等参数变化后对发动机推重比、耗油率、成本、寿命的影响。表1 给出了采用敏感度分析方法得出的推重比10 一级发动机加力燃烧室工作参数变化对发动机推力和耗油率的影响敏感系数[10]。由表可知，增大总空气流量是提高发动机推力最有效的方法(其影响敏感系数为1.000)，其次是减小冷却空气系数和增大加力燃烧室出口总温，加力燃烧室总压损失对推力的影响敏感系数较低，而燃烧室效率对推力的影响敏感系数最低。提高加力燃烧室出口总温、减小冷却空气系数和提高燃烧室效率是降低耗油率的有效手段，其影响敏感系数分别为1.062、0.740、0.700，加力燃烧室总压恢复系数对耗油率的影响敏感系数为0.350。对于加力燃烧室，总空气流量增大，实际上是通过增大加力燃烧室直径或提高加力燃烧室进口气流速度来实现的。在加力燃烧室结构不变的情况下，通过提高加力燃烧室进口气流速度来增大空气流量，能够显著提高推力。加力燃烧室的燃烧效率和燃烧室出口总温密切相关，根据参考资料[11]可知，在相同供油量下，燃烧效率提高3%，出口总温提高2%，燃烧效率和出口总温同时提高将进一步提升发动机性能。

表1 推重比10 一级发动机加力燃烧室基准设计点特征参数变化对发动机性能的影响Table 1 Effects of afterburners characteristic parameter variations at design point on the performances of engines with thrust-weight-ratio of 10

4 加力燃烧室参数变化对发动机性能及部件特性的影响

(1) 燃烧效率的影响

相同供油量下，燃烧效率提高，加力燃烧室出口总温也将提高。如当前技术水平下加力燃烧室燃烧效率为0.85，当提高5.9%达到0.90 时，加力燃烧室出口总温将由原来的2 050 K 提高4%到2 131 K，推重比将提高2.22%。

(2) 总压恢复系数的影响

对于一典型结构加力燃烧室，其冷态总压损失3%，燃烧段总压损失5%，总的总压损失约8%，则总压恢复系数为0.92。当总压恢复系数要求提高到0.94，即总压损失减小到6%(相对降低25%)后，由于热阻损失几乎不变，此时冷态总压损失需降低到1%，即相对降低到33%。由冷态总压损失Δσ与流阻系数A、堵塞比ε及加力燃烧室进口马赫数Ma的关系式Δσ=Aε2Ma2可知，在A、Ma不变的情况下堵塞比需降低到原来的57%。如单独采取减小槽宽的措施，以火焰稳定器初始槽宽为40 mm 的加力燃烧室为基准，要将总压恢复系数提高到0.94，则槽宽需减小到23 mm 以下。如进口马赫数提高10%，槽宽至少还要降到基准值的50%以下(20 mm)，这要求进一步减小稳定器所占堵塞面积，才能实现总压恢复系数0.94 的目标。

(3) 冷却空气系数的影响

冷却空气系数对壁温及寿命的影响非常显著。需要基于燃烧效率，燃气温度、材料性能、寿命及可靠性要求才能提出合理的指标，并确定冷却结构及技术方案。

(4) 加力燃烧室直径及进口气流速度的影响

加力燃烧室直径增大1%，则空气流量增加2.01%，推力增大2.01%；筒体质量增加1%(假设筒体质量占发动机总质量100 kg 的25%)，发动机总质量增加0.25%，则推重比增加1.76%。因此直径对于增大发动机推重比非常敏感，其敏感系数为1.76。同时，直径增大1%，冷却气量增大1%，推力降低0.66%，耗油率增大0.74%。综合两方面的影响可知，直径增大时，推重比增大，推重比相对直径变化的敏感系数为1.088。故综合的推重比/耗油率的敏感系数仅为0.345。

加力燃烧室进口气流速度提高10%，则空气流量增大10%，发动机推力增大10%，质量不变情况下发动机的推重比也增大10%。故发动机推重比对气流速度的变化非常敏感，其敏感系数达到1.000。

(5) 长径比的影响

加力燃烧室长度缩短1%，推重比仅增加0.251%。减小加力燃烧段长度将显著降低对冷却空气的需求。一个3 倍长径比的加力燃烧室(掺混扩压段长径比为1，燃烧段长径比为2)，如总长径比减小20%，为2.4(0.9+1.5)，燃烧段减小25%，冷却气减少25%，推重比增大16.5%。推重比及推重比/耗油率对于长径比的敏感系数分别为0.825、2.020。

5 加力燃烧室技术指标对综合评价指标的影响

根据表1 及长径比对综合评价指标的影响分析可知：

由CPAI 的定义可知，加力燃烧室长径比、出口总温及燃烧效率对加力燃烧室综合评价指标的影响较大，而总压恢复系数对综合评价指标的影响较小。为此，对于先进的加力燃烧室，可采取以下措施提高推重比、降低耗油率。

(1) 减小冷却空气系数

减小冷却空气系数是提高推重比、降低耗油率的有效手段，同时也是提高燃烧效率及加力燃烧室总温的有效手段。更多的新鲜冷却空气参与燃烧将提高未燃气中氧气的含量，有利于提高燃烧速度，缩短燃烧长度，降低富油区域中未燃碳氢比例。

(2) 提高加力燃烧室进口气流速度，降低流动阻力

加力燃烧室进口气流速度的提高，一方面能增大空气流量，但另一方面将增大总压损失，降低总压恢复系数。因此，仅提高气流速度对于提高推重比的作用有限，需要采用小槽宽火焰稳定技术、支板和稳定器一体化技术[12-14]，以降低流动损失。

(3) 提高燃烧效率，增大燃烧室出口总温

提高燃烧效率，耗油率将明显降低，而推力对燃烧效率的敏感系数很小。增大燃烧室出口总温虽能提高推重比，但耗油率也将提高，同时将增大冷却气量，故需要根据总体推重比和耗油率折中考虑，以确定合理的出口总温。

6 加力燃烧室当前技术水平及分阶段研究目标

综上分析可知，提高加力燃烧室进口气流速度、减少冷却空气系数及减小燃烧室长径比，是先进加力燃烧室的发展方向。由于总压恢复系数、燃烧效率、加力燃烧室出口总温对发动机性能指标的影响敏感系数较低，建议发动机总体方案放宽对这些指标的要求。考虑研究项目的持续性和可量化性，先进加力燃烧室研制可分三个阶段实施。第一阶段是达到发动机总体最低可接受的目标，需采用显著的技术改进或革新式的技术创新，以达到总体的基本需求，具备参与整机试验技术验证的能力，从而解决总体技术方案是否可行的问题。第二阶段是达到加力燃烧室设计的性能目标要求，需要在第一阶段的基础上通过优化具体的技术方案，渐进式发展以解决高性能指标问题。第三阶段是达到最终目标，着重提高经济可承受性，需降低成本、延长工作寿命。

按照优先满足总体验证需求，其次满足高性能要求，最后达到经济可承受性要求的发展思路，提出的加力燃烧室各阶段的技术指标见表2。表中，加力燃烧室的当前技术水平设定为1.0，具体参数应依据基准发动机的技术参数进行修改。

7 高性能经济可承受先进加力燃烧室技术的GOTChA 图

基于表2 给出的加力燃烧室分阶段技术指标，根据加力燃烧室技术发展趋势和现状[15-20]，图1 示出了高性能经济可承受先进加力燃烧室研究第一阶段的GOTChA 图，图中SOA 指当前技术水平。

表2 加力燃烧室分阶段技术指标Table 2 Technical index of afterburner staged technology index

8 结束语

以美国VAATE 计划为参考，提出了先进加力燃烧室技术综合评价指标。采用敏感度分析方法，获得了加力燃烧室的燃烧效率、总压恢复系数、出口总温、长径比及寿命周期内成本等技术指标对综合评价指标的定量影响，明确了提高加力燃烧室进口气流速度、减小冷却空气系数以及缩减加力燃烧室长径比是先进加力燃烧室的发展方向。按照优先满足总体验证需求，其次满足高性能要求，最后达到经济可承受性要求的发展思路，给出了加力燃烧室发展各阶段具体的技术指标。根据第一阶段的目的与当前技术水平的差异，在GOTChA 图中列出了具体的研究目标以及为解决技术挑战所采用的方法，对加力燃烧室技术方案论证和项目管理具有指导意义。

图1 高性能经济可承受先进加力燃烧室技术的GOTChA 图Fig.1 GOTChA chart for high performance affordable advanced afterburner technology