航空并联混合动力涡扇发动机热力循环与工作特性研究

为确定并联混合动力涡扇发动机的能量利用效率,并对不同电功率输入下发动机工作特性与性能参数的变化规律进行研究,本文从理论上对发动机有效循环功的来源进行划分,并由此分别定义并联混合动力涡扇发动机的电能利用率和燃油利用率;使用航空发动机性能仿真软件PROOSIS搭建基于CFM56-7B26发动机的并联混合动力涡扇发动机零维模型,模拟不同电功率输入条件下的发动机稳态性能。研究结果表明:并联混合动力涡扇发动机内涵道的循环类型仍然是基于布雷顿循环的实际循环,输入的电功率对发动机外涵道推力的贡献占比远高于其对内涵道推力的贡献;电能利用率始终明显高于燃油利用率,这也是并联混合动力涡扇发动机实现节能的主要原因;当输入的电功率增加时,发动机的涵道比增加,涡轮前温度与总压比降低,各部件的稳态工作点将发生移动,可能造成部件效率的下降。由于电功率的输入以及电能的高利用效率,并联混合动力涡扇发动机的油耗和能耗均低于常规涡扇发动机。

航空并联混合动力专用涡扇发动机快速设计方法

为解决航空并联混合动力系统直接使用传统涡扇发动机时存在的发动机效率下降与低压压气机喘振问题,提出了一种通过质量流量预测确定涵道比的并联混合动力专用涡扇发动机快速设计方法,使用PROOSIS搭建了并联混合动力涡扇发动机模型,对发动机设计结果进行了性能评估与能量利用分析。研究表明,在与基准发动机相同的涡轮前总温限制下,设计结果能够满足推力需求。与在并联混合动力系统中使用基准发动机相比,使用设计的专用发动机时的油耗、能耗、低压压气机防喘振性能更优。混合度越高,使用专用发动机产生的性能提升越大。由于能量利用历程不同,发动机外涵道电能利用率远高于内涵道电能利用率和燃油利用率,这是并联混合动力涡扇发动机节能的根本原因。