可变面积涵道引射器对变循环发动机性能影响

分析了变循环发动机前、后涵道引射器的几何调节方式,建立了变循环发动机稳态及过渡态数学模型,并考虑了前涵道引射器和模态选择阀门由于面积突变引起的局部总压损失,模拟了变循环发动机单外涵模式、双外涵模式及模态转换过渡态过程中,前、后涵道引射器面积对发动机性能和稳定性的影响,并与NASA试验数据进行了对比.结果表明：单外涵模式,放大前涵道引射器内涵进口面积会减小变循环发动机的回流裕度,但可增大风扇和核心驱动风扇级的喘振裕度;在由单外涵模式过渡至双外涵模式的模态转换后期,减小后涵道引射器外涵进口面积可减缓风扇压比的下降;建议前涵道引射器选择总面积保持不变而内涵进口面积改变,后涵道引射器选择内涵进口面积保持不变而外涵进口面积改变的调节方式.     

变循环发动机性能数值模拟

在常规双轴涡扇发动机性能模拟程序的基础上,添加了模式选择阀门、前可调面积涵道引射器、后可调面积涵道引射器、核心涵道等部件模块,并加入了低压涡轮导向器面积、高压压气机转子叶片角度、风扇转子叶片角度、核心驱动风扇级转子叶片角度等调节变量,编写了双外涵变循环发动机性能数值模拟程序,模拟了一种带核心风扇级的双外涵变循环发动机的高度、速度和节流特性.计算表明:与单外涵模式相比,双外涵模式的单位推力和耗油率低,受飞行条件影响的主要为前涵道比.随着低压转子转速的降低,双外涵模式的总涵道比呈增大的趋势,发动机的耗油率大幅降低.此外,变循环发动机在几何调节参数不变的情况下,对工作条件较敏感,必须特别注意各调节参数与发动机工作条件的匹配.      

兼顾多状态的核心机驱动风扇级与高压压气机设计

针对变循环发动机压缩系统多模式和多工况的工作特点,开展了核心机驱动风扇级(CDFS)多状态和多目标兼顾设计,CDFS、前涵道引射器和高压压气机气动一体化设计,大攻角范围、低损失可调导叶和静子设计。针对压缩系统的气动设计难点,在设计点选取、叶片造型、流场设计、调节规律设计方面提出了解决措施和优化方向。数值模拟与试验结果表明:实现了压缩系统在多模式下的性能兼顾,达到了预期的流量调节范围和涵道比调节范围,满足了设计指标要求。     

兼顾多模式的核心机驱动风扇级气动设计方法

为了满足多种工作模式性能需求,变循环发动机通常具有多条共同工作线,使得核心机驱动风扇级（CDFS）由常规压气机面向“线”的设计转变为面向“面”的设计。基于CDFS试验效率随进口可调导叶（VIGV）角度调节的变化规律,为兼顾不同工作模式性能,提出了CDFS降流量、压比设计方法。该方法降低了转子、静子的气动负荷,提升了反力度。数值仿真表明,CDFS降流量3.2%、压比5.0%设计使单外涵模式效率、喘振裕度依次降低0.5%和2.2%,双外涵模式效率、喘振裕度提升1.4%和4.7%,双外涵模式的性能收益高于单外涵模式的性能损失。级性能对比表明,降流量、压比设计的性能收益源自VIGV、静子总压恢复系数的提升。基于发动机在不同工作模式下的性能需求优先级,以及CDFS工作点可由前涵道引射器调整的优势,降流量、压比设计是可行的,具有很高的应用潜力。     

边界条件对变循环发动机多维度仿真模型的影响研究

为了研究变循环发动机（Variable Cycle Engine，VCE）多维度仿真模型中整机零维仿真模型与核心机驱动风扇级（Core Driven Fan Stage，CDFS）三维仿真模型之间边界参数传递处理方式对计算结果的影响，建立了CDFS和前可变面积涵道引射器（Forward Variable Area Bypass Injector，FVABI）耦合三维仿真模型及CDFS单部件三维仿真模型，对比了CDFS工作特性及出口区域静压分布的差异，并采用迭代耦合方法将CDFS工作特性耦合于循环参数分析，研究了CDFS出口静压分布差异对VCE多维度仿真模型计算结果的影响。结果表明，耦合仿真模型中CDFS稳定工作范围随着内涵出口静压变化而变化，其数值喘振点的换算流量与CDFS单部件仿真模型存在明显的差异。FVABI部件的存在降低了内涵出口及FVABI出口的平均静压边界条件对CDFS出口区域静压分布的影响，而且CDFS内、外涵流量分配会显著影响CDFS出口区域的静压分布。因此，由耦合仿真模型得到的CDFS出口区域静压分布更为真实、合理。超声速巡航工况下，相较于在CDFS出口使用平均静压边界条件，VCE多维度仿真模型在使用真实静压分布之后，CDFS内涵压比和等熵效率基本不变，CDFS外涵压比和等熵效率分别降低了0.86%和2.27%，导致VCE推力升高了0.41%，且迭代次数大幅降低。     

基于常规涡扇发动机发展变循环发动机的研究

基于现有发动机进行新技术方案验证研究是一种快速探索关键技术的途径.主要研究了一种基于常规涡扇发动机发展变循环发动机的设计思路.提出了将高压压气机第1级修改作为核心机驱动风扇级(CDFS),增加选择阀门、前可变面积涵道引射器、后可变面积涵道引射器的总体结构改进方案.描述了该变循环发动机的工作原理,确定了总体性能初步方案,进行了变循环发动机的数值模拟以预估性能收益.计算表明:超声速巡航采用单涵模式,可使推力提高5％～8％;亚声速巡航采用双涵模式,对降低耗油率不明显,但可使发动机进口空气流量增加5％,从而减小进气道溢流阻力以提高发动机的安装性能.     

变循环发动机前涵道引射器简化模型实验与仿真研究

以典型前涵道引射器基本构型与气动参数为基础,开展了前涵道引射器简化模型实验研究。通过实验与仿真相结合的方法,研究了变循环发动机在单、双涵道模式下前涵道引射器的气动性能以及不同核心机驱动风扇级（Core Driven Fan Stage,CDFS）旁路出口角度对前涵道引射器气动性能的影响,得到了流量比、压比对前涵道引射器气动性能的影响规律。结果表明,在单涵道模式下,仿真得到的沿程截面的总压分布与实验结果非常吻合,CDFS旁路出口角度对前涵道引射器气动性能的影响可以忽略,而出口总压恢复系数随CDFS旁路喉道马赫数增加而降低。在双涵道模式下,SST k-ω模型能够较好地模拟气流的掺混过程,但在出口总压分布上,实验结果更加均匀;CDFS旁路出口角度对两股气流的掺混影响较小;压比一定时,出口总压恢复系数随出口背压的增加先增加后降低;压比为1.35时,流量比变化1.1,总压恢复系数的变化量约为2.6%,压比为1.19时,流量比变化1.2,总压恢复系数的变化量约为0.46%。     

变循环发动机双外涵匹配研究

针对带核心机驱动风扇的双外涵变循环发动机,提出了1种用于双外涵匹配分析的数值模拟方法。利用计算流体力学Fluent软件对其初步流路进行了研究及优化,在此基础上对双外涵模式流场、不同前涵道引射器状态下的单外涵模式流场进行分析。结果表明:第1外涵道的角度和流通面积对总压恢复系数的影响较大;在由双外涵模式转换到单外涵模式过程中,应将前可变面积涵道引射器开到最大以减小总压损失。该方法能够有效地应用于双外涵变循环发动机流路优化及双外涵匹配分析,为变循环技术的深入研究提供参考。     

变循环发动机模态转换建模及控制规律设计方法研究

为了实现变循环发动机快速可靠的模态转换,本文发展了变循环发动机模态转换过渡态模型及控制规律设计方法。在变循环发动机动态数值仿真程序的基础上,针对模态选择阀与涵道引射器这两个模态转换过程中的关键变几何部件,建立了高精度的气流突扩局部损失模型。首次提出了可考虑模态选择阀堵塞对发动机性能影响的模态选择阀堵塞模型,消除了由于模型不精确造成的模态转换参数波动。在建立的变循环发动机数学模型的基础上,提出了基于直接推力控制技术的模态转换控制规律设计方法,考虑了变循环发动机的8个可调参数,采用差分进化算法对模态转换过程进行了优化。结果表明,本文提出的模态转换控制规律设计方法可以实现变循环发动机快速平稳的模态转换,双外涵转单外涵的参数变化规律与单外涵转双外涵的参数变化规律基本类似,推力在0.6秒就稳定在目标推力值,其余参数大多在1.4秒之后才趋于稳定。本文提出的变循环发动机模态转换控制规律设计方法还可应用于常规航空发动机的加/减速过渡态控制规律设计中。     

双外涵压缩系统中部件匹配规律的分析

多重外涵道和面积可调阀门使得双外涵变循环发动机(DBE)的压缩部件(风扇、核心机驱动风扇级和高压压气机)之间的气动关联变得复杂。合理地匹配各压缩部件是DBE压缩系统设计的一个首要任务。为了探索DBE压缩系统的设计准则,利用通用的一体化通流计算程序对一个定制设计的DBE压缩系统的部件匹配规律进行了研究,分析了基准匹配状态和两个节流过程(第一外涵道节流和第二外涵道节流)中各部件的匹配状态。对于本文所研究的双外涵压缩系统,通流计算结果表明,在基准匹配状态下,核心机驱动风扇级(CDFS)和高压压气机(HPC)的展向不匹配使得压缩系统的总压比下降了2%、效率降低了0.002。第一外涵道节流会显著改变HPC进口级的匹配状态,而对后面级和CDFS的影响不大。第二外涵道节流改变了CDFS的进口流动剖面,使得CDFS的稳定工作范围减小,而对HPC的匹配状态影响较小。     

变循环发动机建模技术研究

在对变循环发动机总体结构进行分析的基础上,参考双轴涡扇发动机部件模型的建立方法,建立了变循环发动机部件级数学模型.建立了区分叶根特性和叶尖特性的风扇部件模型,单外涵和双外涵模式的核心驱动风扇级数学模型.根据变循环发动机的特点,建立了反映变几何部件变化的稳态和动态共同工作方程.数字仿真结果表明:所建的变循环发动机模型能够实现工作模式之间的相互转换,并且在低空低马赫数双外涵模式下表现出了涡扇发动机特性,即高推力与低耗油率,而在高空高马赫数单外涵模式下相比涡扇模式提供的推力更大、耗油率更低,符合变循环发动机特点,验证了建模方法的可行性.      

进口导叶形式对核心机驱动风扇级的影响

以某变循环发动机(VCE)所用核心机驱动风扇级(CDFS)为研究模型,数值模拟了CDFS在真实边界环境下的流动特性,分析了单/双涵道工作模式下,不同形式的可调进口导叶(IGV)对CDFS流动特性及性能的影响机理。结果表明:不同工作模式时,CDFS靠导叶角度的开闭实现大范围的流量调节。单涵道(SB)工作模式时,不同形式的可调进口导叶(VIGV)对CDFS性能的影响差异很小;双涵道(DB)工作模式时采用常规可调导叶(CIGV)会在其吸力面产生较大的流场分离,且流通能力和流量调节范围大大降低。可变弯度导叶通过可转动部分的开闭实现CDFS对流量调节的需求;通过固定部分保证CDFS导叶进口气流攻角基本不变,同时在固定部分和可转动部分连接处所形成的收缩通道的加速效应显著抑制了导叶吸力面的流动分离。可变弯度导叶是适用于CDFS在不同工作模式下性能参数及流量调节需求的可调导叶的形式。     

Numerical analysis for the matching of the core driven compression system in a double bypass engine

The numerical analysis for the matching of the core driven compression system in a double bypass variable cycle engine was presented in this paper.The system consists of a one-stage-core driven fan stage(CDFS),an inner bypass duct and a five-stage high pressure compressor(HPC),providing two basic operating modes: the single bypass mode and the double bypass mode.Variable vanes are necessary to realize the mode switch of the system.The correct matching in the double bypass mode requires a proper combination of the mass flow,total pressure ratio and blade speed.The work capacity of the system decreases in the double bypass mode and the pressure ratio tends to decrease more for the CDFS and the front stages of the HPC.The overall system efficiency is higher in the double bypass mode.The radial distributions of aerodynamic parameters are similar in different modes.The notable redistribution of mass flow downstream the CDFS in the single bypass mode leads to strong radial flows and additional mixing losses.The absolute flow angles into the inner bypass increase for the inner span and decrease for the outer span when the system is switched from the single bypass mode to the double bypass mode.     

变循环发动机建模方法研究及验证

研究了变循环发动机(VCE)关键部件建模技术.采用叶尖叶根分段建模技术建立了两段风扇的数学模型,使之更适用于VCE.基于流场分析,建立了活门开度、外涵道进口总压、动压与外涵道总压恢复系数之间的智能映射,完善了外涵道模型.建立了VCE部件共同工作方程,获得了VCE部件级数学模型.基于欧洲空间与推进系统仿真数据库进行设计点计算,并开展了仿真验证.仿真结果表明:建立的数学模型表现出的工作性能与实际发动机实验结果一致,在低马赫数下双外涵道模式推力更大、耗油率更低;相反在高马赫数下单外涵道模式推力及耗油率优于双外涵模式,验证了所采用建模方法的有效性.      

核心机驱动风扇级二维仿真模型与变循环发动机零维仿真模型耦合方法的研究

为了提高变循环发动机(VCE)零维仿真模型的可靠性和精度,建立了核心机驱动风扇级(CDFS)二维仿真模型,基于完全耦合方法,将CDFS二维仿真模型耦合于VCE零维仿真模型,发展了VCE多维度仿真模型,分析了VCE零维仿真模型与多维度仿真模型计算结果的差异,使用VCE多维度仿真模型,分析了CDFS气动参数径向非均匀分布对VCE性能的影响。结果表明,结合CDFS二维仿真模型对边界条件的要求,重新选取VCE仿真模型中的迭代变量和平衡方程,可以基于完全耦合方法建立VCE多维度仿真模型;与零维仿真模型相比,CDFS二维仿真模型考虑了部件几何参数等物理信息,可以为VCE循环参数分析提供更加真实的部件工作特性,并在功率平衡与流量平衡等条件的约束下引起其它部件工作点及VCE性能的变化;VCE零维仿真模型与多维度仿真模型所得推力的最大差异为2.99%;结合CDFS涵道比,可以将CDFS出口气动参数径向非均匀分布这一流动特性耦合到VCE循环参数分析中;VCE多维度仿真模型对迭代变量初值的选取提出了更高的要求,需要使用VCE零维仿真模型的解作为初值以保证收敛性。     

核心机驱动风扇级气动设计方案

以某核心机驱动风扇级（CDFS）设计指标为牵引,采用CFD数值模拟方法分析了不同结构形式进口导向器（IGV）对CDFS性能的影响.结果表明:进口导向器可调、静子不可调的气动设计方案能够满足CDFS设计指标;进口导向器的调节方式对CDFS性能影响很大,对于可变弯度进口导向器,需要选择合适的可变弯度位置和关闭角度;模式转换中,在单外涵模式静子选择偏负攻角设计有利;CDFS单外涵模式与双外涵模式产生损失的原因不同,前者主要是转子通道激波,后者主要是进口导向器吸力面附面层气流分离.      

紧凑布局核心机驱动风扇级设计参数影响分析

以某核心机驱动风扇级(Core driven fan stage,简称CDFS)的气动方案为例,使用新版Denton程序通过数值模拟分析了气动布局、预旋分布和转子径向负荷分布对CDFS性能的影响。数值结果表明:利用CDFS静子取代高压压气机进口导叶是一种紧凑高效的CDFS气动布局;CDFS效率所受的影响主要来自转子效率的变化,工作裕度所受的影响主要来自静子负荷的变化;增加CDFS转子叶根的设计压比可以降低CDFS静子叶根的气动负荷,从而使CDFS获得更为均衡的性能。