某涡桨发动机高空试验配装不同尾喷管对性能影响研究

易方欣 蔡建兵

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

涡桨发动机在世界上的运用十分广泛，因其较低的耗油率、极佳的经济性而被广泛应用于运输机、轰炸机和教练机等[1]。中国自20世纪60年代开始研制涡桨发动机，至今已有涡桨-5、涡桨-6以及涡桨-9系列发动机，而按照国际上对涡桨发动机代际划分标准来看，这些都属于第一、二代涡桨发动机，与国际水平还有一定的差距[2]，后续我国涡桨发动机的研制还有较长的一段路要走。

发动机试验是航空发动机在研制过程中必不可少的手段[3]，而发动机高空台试验在航空发动机发展历程中更是作用巨大。

高空台试验是在高空试验密闭仓内调整发动机的进气条件，模拟飞机在全飞行包线内的各种飞行状况，或者在飞行包线外进行工作包线扩展验证，用以验证发动机的高空工作能力。

本文某涡桨发动机进行高空试验时，配装两个不同尾喷管按照相同试验谱所进行的高空试验工作点与工作时间都是完全一致的，在对控制唯一变量—尾喷管的情况下进行的高空试验所得到的结果进行分析即可得到配装不同尾喷管的发动机在相同工作点的性能差异，分析试验数据可以找到不同尾喷管对于发动机在高空试验时的性能影响。

1.不同尾喷管的差异

涡轴、涡桨发动机的功率输出轴分为前输出轴和后输出轴，而前输出轴亚声速涡桨发动机的尾喷管多为结构简单的排气管[4]，本文前输出轴涡桨发动机所采用的是不可调收敛型喷管。

涡桨发动机的燃气能量大多数在动力涡轮就会转变为机械能经过减速器传给输出轴，且涡桨发动机大都是在亚声速情况下飞行，所以，燃气在不可调收敛型喷管中不完全膨胀的损失较小。但是不同的排气管流场必然会影响到动力涡轮后流场，而动力涡轮后不同的流体压力会使得动力涡轮的效率受到影响。

喷管[2]进、出口面积和喷管[1]进、出口面积是完全相同的，但二者的整体长度和结构形状是有差异的：

（1）喷管[1]整体更长，较长的长度使得喷管与中心轴线的夹角更小，气流过渡更平滑。喷管[1]整体构型如图1所示。

图1 尾喷管[1]简易模型图

（2）喷管[2]整体更短，更短的长度使得喷管与中心轴线的夹角更大，气流过渡更陡峭。喷管[2]整体构型如图2所示。

图2 尾喷管[2]简易模型图

喷管[2]的整体长度约为喷管[1]整体长度的60%，在进、出口面积相同的情况下喷管[1]相对喷管[2]近乎两倍的长度比会使得二者的收敛角度差距较大。

2.某涡桨发动机配装不同尾喷管试验分析

2.1 稳态性能数据

发动机配装两种尾喷管在ISA、相同马赫数、不同飞行高度进行了性能录取试验，喷管[2]相对喷管[1]稳态性能变化如下表所示：

表1中稳态数据为配装喷管[2]时的稳态数据减去配装喷管[1]时的稳态数据的值，即喷管[2]-喷管[1]的差值。

表1 喷管[2]相对喷管[1]的稳态性能变化幅度

2.2 高空试验数据分析

由试验数据可知，在H=7km、Ma=0.5、ISA，H=8km、Ma=0.5、ISA和H=9km、Ma=0.5、ISA这3种进气条件下，除了轴功率其他数据自巡航及以上工作状态的差值都为正值。

轴功率的差值有正有负是因为本文发动机在试验时上推至某一工作状态后，在轴台试验时将PLA（功率杆）推至规定角度后水力测功器控制的扭矩值无法完全稳定，导致发动机功率会在规定数值附近小幅度波动。所以本文的涡桨发动机配装不同喷管时在同一工作状态轴功率差值会有轻微的正负浮动变化。

在不同的进气条件下，各个工作状态的高压转速、低压转速、燃油流量、空气流量、涡轮前温度、排气温度都是配装喷管[2]时略高于配装喷管[1]的。从试验数据可以说明在高空、高速时配装收敛型喷管恒功率控制的某型涡桨发动机的尾喷管出口越小则发动机转速越高，且燃油消耗量和热力循环参数也会升高。

从H=7km、Ma=0.5、ISA全部工作状态，H=8km、Ma=0.5、ISA的80%最大功率、100%最大功率，H=9km、Ma=0.5、ISA的100%最大功率的变化幅度值可知：在一定的飞行高度、速度条件下，相较于喷管[2]，发动机配装喷管[1]达到更高轴功率时发动机所需要的转速以及燃油流量反而更低。

虽然其他工作状态的变化幅度为正，例如H=8km、Ma=0.5、ISA的90%最大功率状态，但是发动机配装喷管[2]相较于配装喷管[1]试验时只增加了很小的轴功率（+0.06%），而燃油消耗量增加了1.36%，温度方面T41温度增加了2.38%、T6温度增加了2.71%，可以说明此时喷管[2]的涡轮效率仍然是低于喷管[1]。

由上述可知，相较于喷管[2]，本文涡桨发动机配装喷管[1]时有着更好的动力涡轮效率、更优的发动机性能，在高空、高速的情况下达到更高的轴功率只需要更低的转速和燃油流量。

3.喷管对发动机性能影响分析

在“1不同尾喷管的差异”中已经列出了不同尾喷管的结构差异，从中可以分析得出：在两种尾喷管拥有相同进、出口面积情况下，喷管[1]相比喷管[2]有更修长的喷管长度、更小的喷管收敛角。

由图3可知，更小的收敛角可以得到更高的流量系数。因此相较于喷管[2]，喷管[1]有更高的尾喷管流量系数，更好的流通能力。

图3 尾喷管流量系数与面积比、收敛角的关系图

收敛喷管的可用膨胀比（πNZ,us）定义为喷管进口截面气流总压（Pa7）与环境静压（Pa）之比：

收敛喷管内气流恒处于不完全膨胀状态，此时喷管出口的气流马赫数恒等于1，可用膨胀比（πNZ,us）恒大于临界膨胀比（πNZ,cr），且（πNZ,us）随着πNZ,cr呈相关线性变化[4]。又如图4所示，临界膨胀比会随着收敛角度下降而减少、随着(R8/R7)2增加而下降，可知越小的喷管收敛角和更大的喷管面积会得到越小的临界膨胀比，进而得到越小的可用膨胀比。

图4 收敛喷管临界膨胀比关系曲线图

因此在进、出口面积相同的情况下，相较于喷管[2]，整体更修长、收敛角更小的喷管[1]有着更小的可用膨胀比，更低的尾喷管进口总压，更低的动力涡轮后燃气总压。在相同燃油流量的情况下，这会使配装喷管[1]的发动机动力涡轮有更大的涡轮膨胀比，更高的效率，产生更多的功。

4.结论

通过对某涡桨发动机配装不同尾喷管进行高空试验的试验数据分析可知：

某亚声速涡桨发动机配装两个不同的收敛型尾喷管进行相同的高空试验内容时，在两个尾喷管进、出口面积相同的情况下，更修长、平滑的喷管形状（更小的收敛角度）会使得该涡桨发动机拥有更好的动力涡轮效率，在同等燃油流量下某涡桨发动机配装更平滑、修长的尾喷管可以得到更大的轴功率和更低的耗油率，进而获得更优的发动机总体性能。