变循环发动机风车起动建模及仿真研究

为了满足变循环发动机风车起动性能仿真的需求，建立了变循环发动机部件级风车起动模型。针对旋转部件等熵效率不连续的问题，提出使用换算扭矩代替等熵效率的方法，给出了旋转部件全转速特性拓展方法。提出了考虑点火及燃烧稳定性的燃烧室稳定性模型。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变循环发动机的风车及风车起动性能进行了优化。结果表明，风车状态时，变循环发动机在单外涵模态具有更高的核心机物理转速，有利于点火之后核心机物理转速快速趋于其慢车值。单外涵模态时，变循环发动机在风车状态的可调参数仅与飞行马赫数有关，为了保持较高的核心机物理转速，后涵道引射器外涵面积需随飞行马赫数的增加而减少，其余参数皆固定在其最佳值。飞行高度6km、马赫数0.8时，变循环发动机在单外涵模态下的风车起动时间为1.4s。风车起动过程中燃油流量的增长主要受燃烧稳定性所约束。通过对可调参数的优化，可使变循环发动机在风车起动过程中的关键性能参数最大程度的逼近其限制值，从而减少风车起动时间。     

涡扇发动机高空起动模型研究

基于慢车以上的部件级模型, 通过外推部件特性, 建立了双转子涡扇发动机部件级高空起动模型, 可执行高空风车起动或起动机起动仿真.模型考虑了起动过程中油气比对燃烧效率的影响, 燃烧室、高低压涡轮的热惯性及起动过程中总压恢复系数的变化, 采用容积动力学方法避免了迭代运算, 仿真结果表明该模型具有实时性, 仿真转速误差小于5%, 能够满足发动机高空起动性能仿真的需求.      

基于逐级叠加法的航空发动机起动模型研究

建立起动过程数学模型的主要困难在于缺少发动机低转速部件特性。提出一种逐级叠加与试验数据相结合的方法计算低转速部件特性,并综合考虑了燃烧室效率变化和部件的热惯性对起动过程的影响,成功地把发动机慢车以上的部件法建模应用到发动机起动过程的性能模拟。通过对某型涡轴发动机仿真结果与试验数据的对比表明,这种低转速部件特性的计算方法具有一定的精度,建立的起动模型可满足研究起动供油规律及估算起动性能的需要。     

民用涡扇发动机高高原起动风险规避试验方法

为了保证民用涡扇发动机在高高原机场首次试飞起动成功,采用建模设计方法,建立了发动机部件级起动模型,包括高 海拔气候条件对起动机特性的影响、旋转部件低转速特性延伸和修正、高海拔燃油雾化及点火对燃烧室效率的影响、发动机附件 阻力和功率损失、风阻和吸放热等模块,设计了民用涡扇发动机高海拔起动控制规律。采用仿真和试验分析技术建立了民用涡扇 发动机起动方案设计方法和试验调试优化方法,详细分析了起动机能力降低、转子运转阻力增大、燃油喷嘴雾化效果差、部件效率 和稳定性降低等4项影响高高原起动成功的因素。按照循序渐进的原则设计了高高原试飞起动风险规避试验流程。试验结果表 明：设计的民用涡扇发动机高高原起动风险规避试验方法有效,确保了飞机首次转场高高原机场降落后成功起飞。     

一种通用涡轴发动机起动过程建模方法研究

涡轴发动机可靠、快速的起动过程是进入驱动旋翼飞行器安全工作的前提,高置信度的发动机起动过程模型不仅可以对起动过程进行分析与优化控制,而且减少了代价昂贵的发动机台架试车次数。本文针对起动过程复杂非线性特性的建模难题,提出一种通用的建模方法:即基于级累叠方法,根据进口条件计算各级气体流动参数来获得压气机低转速特性数据,同时根据相似原理外推出燃气涡轮、自由涡轮低转速部件特性,并将冷转动模型和部件级模型相结合。最后,建立了涡轴发动机起动模型,进行了地面状态起动过程的数字仿真,并与试车数据进行对比,最大误差小于10%,结果表明所建立的模型能准确模拟涡轴发动机的起动过程。     

一种应用滑动最小二乘求取压气机特性的方法

发动机性能仿真需要对压气机等部件特性进行离散和插值计算, 通常低转速范围的特性还需要外推.对此提出改进, 用三维曲面代替转速线表达压气机特性.从某小流量发动机起动加速试验数据中提取压气机低转速特性数据.以这些数据和已知特性数据为依据, 利用滑动最小二乘法拟合计算获得压气机特性曲面.该方法能够获得全部转速范围内的压气机特性, 精度高, 且不需插值计算, 非常适用于发动机起动加速过程的仿真计算.      

某型涡扇发动机起动过程数值模拟

基于发动机设计点参数和压气机、涡轮高转速特性数据,完善了一种计算风扇、高压压气机和高、低压涡轮小转速特性近似方法,并进一步基于涡扇发动机部件匹配技术,建立了某型涡扇发动机起动过程计算模型及相应算法,给出了比较合理的发动机起动过程模拟结果.      

涡扇发动机部件级起动模型

基于慢车以上部件级模型,通过外推部件特性,建立了双转子涡扇发动机起动模型,可执行地面状态下发动机从近似为零的初始状态加速至慢车的起动过程仿真。模型考虑了起动过程中油气比对燃烧效率的影响,燃烧室、高低压涡轮的热惯性及起动过程中总压恢复系数的变化,采用容积动力学方法避免了迭代运算,仿真结果表明该模型具有较好的精度和实时性,动态误差小于5%,满足了某型发动机起动过程半物理仿真的需求。      

变循环发动机部件级建模技术

以双外涵变循环发动机为研究对象,建立了其整机部件级稳态及动态数学模型,建模过程中考虑了导叶角和导向器面积变化对压气机和涡轮部件特性的影响,考虑了模式选择活门面积变化对副外涵进口空气流量的影响,所建立的模型能够执行变循环发动机2种典型工作模式:稳态及模式切换过渡态仿真.仿真结果表明:随着模式选择活门逐渐关闭,前段风扇喘振裕度显著减小;双涵工作模式下发动机耗油率低,适用于亚声速巡航飞行;单涵工作模式下发动机单位推力高,适用于超声速巡航飞行.      

一种多级轴流压气机特性预测的工程方法

基于多级轴流压气机部件设计点气动参数与相应几何尺寸,发展了一种计算发动机高、低压压气机部件特性近似方法,完成了相应的计算程序编制,并将其应用于三个多级轴流压气机部件特性预测.计算结果与实验数据比较表明,该方法作为一种近似方法具有可接受的工程精度,尤其适合于预测发动机压气机部件小转速特性,为涡扇/涡喷发动机起动过程分析与计算提供模型基础.      

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.      

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.      

变循环发动机模态转换的几何调节规律

考虑了变循环发动机转子惯性效应和部件容积效应,分析了模态选择阀门面积、核心驱动风扇级导叶角度、低压涡轮导向器面积、喷管喉部面积等几何参数及其不同组合调节方式对变循环发动机模态转换过程的影响,并与实验数据进行了对比.结果表明:所建立的数学模型能正确反映变循环发动机在模态转换过程中参数的变化规律.为确保转换过程的顺利进行,在放大(关小)模态选择阀门面积时,应关小(放大)核心驱动风扇级导叶角度.低压涡轮导向器面积和喷管喉部面积的调节可使得转换过程中参数的变化更加平稳.      

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。     

变几何参数对变循环发动机过渡态性能的影响分析

为了研究变几何参数对变循环发动机(Variable Cycle Engines,VCE)过渡态性能的影响,对功率提取法(Virtual Power Extraction Method,VPEM)进行了总结与发展,并以双轴混排涡扇发动机的VPEM模型为工具,研究了尾喷管喉部面积和涡轮导向器喉部面积对双轴混排涡扇发动机过渡态性能的影响,建立了应用于双外涵VCE的VPEM模型,并以此为工具研究了高低压涡轮导向器喉部面积、尾喷管喉部面积和后可变面积涵道引射器面积对VCE过渡态性能的影响。结果表明,变几何参数对涡扇发动机和VCE过渡态性能的影响规律一致,尾喷管喉部面积和高低压涡轮导向器喉部面积增加5%带来高压转子的功率变化分别为1.9%,6%和3.5%,低压转子功率变化分别为-3%,22%和-7%,RVABI面积对过渡态性能的影响并不显著。     

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.     

变循环发动机模态转换数值模拟

对双外涵变循环发动机的模态转换过程进行了研究,设计了变循环发动机模态转换方案,确立了模态转换时的多部件调节规律,采用稳态模型对模态转换进行了数值模拟.结果表明,所设计的模态转换方案可行,能够使变循环发动机的涵道比发生明显改变,并有效提高了发动机在部分推力时的空气流量,与设计参数相同的常规涡扇发动机相比,其安装耗油率明显降低.      

Matching mechanism analysis on an adaptive cycle engine

As a novel aero-engine concept, adaptive cycle aero-engines (ACEs) are attracting wide attention in the international aviation industry due to their potential superior task adaptability along a wide flight regime. However, this superior task adaptability can only be demonstrated through proper combined engine control schedule design. It has resulted in an urgent need to inves-tigate the effect of each variable geometry modulation on engine performance and stability. Thus, the aim of this paper is to predict and discuss the effect of each variable geometry modulation on the matching relationship between engine components as well as the overall engine performance at dif-ferent operating modes, on the basis of a newly developed nonlinear component-based ACE perfor-mance model. Results show that at all four working modes, turning down the high pressure compressor variable stator vane, the low pressure turbine variable nozzle, the nozzle throat area, and turning up the core-driven fan stage variable stator vane, the high pressure turbine variable nozzle can increase the thrust at the expense of a higher high pressure turbine inlet total tempera-ture. However, the influences of these adjustments on the trends of various engine components' working points and working lines as well as the ratio of the rotation speed difference are different from each other. The above results provide valuable guidance and advice for engine combined con-trol schedule design.