核心机驱动风扇级气动参数径向分布对变循环发动机性能的影响

为了考虑部件流动细节对发动机性能的影响,采用迭代耦合方法建立了变循环发动机(Variable cycle engine,VCE)多维仿真模型。在VCE多维仿真模型中,核心机驱动风扇级(Core driven fan stage,CDFS)三维仿真模型的结果以流量修正因子、压比修正因子和等熵效率修正因子的形式反馈给VCE零维仿真模型,对CDFS的特性图进行修正。在考虑CDFS气动参数径向分布的影响时,根据CDFS涵道比及三维仿真结果,计算CDFS内、外涵的流量、压比及等熵效率,同时在VCE零维仿真模型中以CDFS外涵特性图的辅助变量β值取代CDFS涵道比作为迭代变量。结果表明:在VIGV角度为15°时,外涵区域的压比低于内涵区域的压比;而在VIGV角度为40°时,叶尖区域的流动分离更为严重,导致转子进口的攻角增大,转子叶尖区域的负荷加重,外涵区域的压比高于内涵区域的压比;CDFS气动参数径向分布对VCE性能有较为明显的影响,CDFS较高的内涵压比及较低的外涵压比可使发动机核心流流量增大及总增压比升高,进而引起发动机推力的增大,推力最大变化为1.75%。     

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。     

部件三维仿真模型与发动机循环参数分析的耦合方法研究

为了将基于部件三维仿真模型获取的部件工作特性耦合于发动机循环参数分析、提高整机性能预估的可信度,本文提出了改进完全耦合方法,结合核心机驱动风扇级(Core Driven Fan Stage,CDFS)三维仿真模型和变循环发动机(Variable Cycle Engine,VCE)零维仿真模型,使用迭代耦合和改进完全耦合方法建立了VCE多维度仿真模型,研究了修正因子计算方法及边界参数松弛处理方法对VCE多维度仿真模型的影响,对比了迭代耦合与改进完全耦合方法的差异。结果表明,采用改进完全耦合方法时,直接将基于部件高保真度仿真模型得到的压比和等熵效率应用于发动机循环参数分析,可避免非线性方程组线性化过程对部件高保真度仿真模型的重复调用,同时计算过程不依赖于部件通用特性图。采用优化方法计算修正因子或者对边界参数进行松弛处理均可以抑制改进完全耦合方法中迭代残差的震荡,加速收敛。改进完全耦合方法与迭代耦合方法计算结果无明显差异,且在使用优化方法计算修正因子时收敛速度基本一致。超声速巡航状态下,与VCE零维仿真模型的计算结果相比,多维度仿真模型中CDFS压比升高了2.73%,由此导致VCE推力降低了3.48%。     

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%。     

不同维度缩放方法在航空发动机总体仿真中的应用

为了研究完全耦合和迭代耦合方法的实现途径及两种方法的差异,针对涡扇发动机,建立了风扇部件的二维仿真模型,发展了基于完全耦合和迭代耦合两种维度缩放方法的发动机多维度仿真模型,对比分析了两种方法在仿真结果、计算速度及可操作性等方面的差异,同时对比了基于部件通用特性图的发动机零维仿真模型与多维度仿真模型的计算结果。结果表明:采用完全耦合方法进行维度缩放时,需要结合部件二维仿真模型对边界条件的要求调整迭代变量,同时需使用发动机零维仿真模型的计算结果作为多维度仿真模型中迭代变量的迭代初值,才能保证模型的收敛性;采用迭代耦合方法进行维度缩放时只涉及部件二维仿真模型与发动机零维仿真模型之间的参数传递控制,更容易实现。在计算均收敛的情况下,基于完全耦合方法与迭代耦合方法的发动机模型的计算结果无明显差异,但后者的计算速度更快。与基准模型相比,基于部件通用特性图的发动机零维仿真模型计算得到的推力最大误差大于8.34%,而多维度仿真模型的推力和耗油率的误差均小于3%,多维度仿真模型可更准确地预估发动机性能。     

变循环发动机对飞机飞行性能影响研究

将飞机气动特性、发动机性能以及进/排气系统安装损失等模块集成为飞机/发动机一体化计算模型。对比分析了带CDFS的双外涵变循环发动机(CDFS VCE)、带FLADE的双外涵变循环发动机(FLADE VCE),以及同时带FLADE和CDFS的三外涵变循环发动机(ACE)和混排涡扇发动机(MFTF)装于不加力超声速巡航战斗机的飞行性能。结果表明,相比于MFTF,安装VCE后,飞机的起飞重量减少3%～4%,且FLADE VCE的性能最佳,ACE次之,CDFS VCE再次之。在亚声速巡航状态,VCE进/排气系统的安装阻力较MFTF显著降低,安装耗油率降低2%～3%;在超声速巡航或超声速盘旋阶段,VCE的性能优势不甚明显。     

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.      

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。     

核心机驱动风扇级匹配特性分析

核心机驱动风扇级(CDFS)是双涵道变循环发动机(DBE)的核心部件之一。为了深入研究CDFS在双涵道模式下的特点,利用CDFS匹配特性图,结合三维数值模拟分析了DBE中CDFS的匹配特性(单涵道模式工作点为设计点,双涵道模式工作点为匹配点)。结果表明,给定双涵道模式的匹配流量和压比时,增加匹配转速使转子负荷降低,静子负荷增加,可以调整匹配转速使CDFS性能最佳;给定双涵道模式的匹配流量和转速时,增加匹配压比使转子和静子的负荷同时增加,匹配压比较高时,工作点效率较高但裕度较低;仅给定匹配流量时,可以调整匹配转速和压比改变CDFS在双涵道模式的工作特性,获得满足某个约束条件的最佳状态。     

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。     

Integration of high-fidelity model of forward variable area bypass injector into zero-dimensional variable cycle engine model

Forward Variable Area Bypass Injector (FVABI) is one of key components which contributes to modulate the cycle parameters of Variable Cycle Engine (VCE) under various operation conditions. The modeling method of zero-dimensional FVABI was reviewed and its deficiency was analyzed based on FVABI flow characteristic. In order to improve the accuracy of VCE performance simulation, the high-fidelity modeling method of FVABI was developed based on its working characteristics. Then it was coupled with the zero-dimensional VCE model and the multi-level VCE model was built. The results indicate that the geometric and aerodynamic parameters can affect the interaction between the two airflows and the zero-dimensional FVABI model is too simple to predict the component performance accurately, especially when the FVABI inner bypass is chocked. Based on the performance curves for single bypass mode and the regression model of multi-scale support vector regression for double bypass mode, the high-fidelity model can predict FVABI performance accurately and rapidly. The integration of high-fidelity FVABI model into zero-dimensional VCE model can be done by adjusting iterative variables and balance equations. The multi-level model has good convergence and it can predict VCE performance when the FVABI inner bypass is chocked.     

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.      

变循环发动机模式转换对压缩部件的影响

针对变循环发动机在模式转换过程中模式选择阀回流对压缩部件产生影响的问题,建立了不同模式选择阀角度的压缩系统模型,开展了多工况联合数值仿真,详细分析了在模式转换过程中外涵的流动特征以及回流对压缩部件的影响,针对回流发生机理,从整机调节的角度提出了避免回流的措施并进行了数值验证。结果表明:变循环发动机在模式转换时直接打开模式选择阀将导致气体发生回流,回流使风扇工作点升高、喘振裕度下降,模式选择阀打开至14°时风扇接近喘振边界,回流导致CDFS进口产生进气畸变,压力畸变指数最高达到15%,从而影响CDFS的性能。在模式转换前打开喷口和后涵道引射器,再配合调节前涵道引射器和CDFS进口导叶,可以避免发生回流,从而保证变循环发动机稳定工作。     

变循环压缩系统涵道流动计算模型及模式转换倒流判据研究

为了研究双外涵变循环压缩系统的涵道流动匹配规律，发展了涵道流动的计算模型，对压缩系统模式转换过程中外涵道倒流问题的发生机理和影响因素进行了深入分析，总结了压缩系统的倒流判断准则，并基于简化计算模型和全三维计算结果对倒流判据进行了验证。研究结果表明，对于一定的压缩系统匹配状态，存在一个决定涵道匹配状态的临界核心机驱动风扇级(Core Driven Fan Stage, CDFS)总压比，当CDFS的实际工作压比高于临界压比时，压缩系统第二外涵道将发生倒流，反之则系统不倒流。复杂涵道系统内的流动损失和堵塞等特性对临界CDFS总压比有显著影响，为了准确判断压缩系统的匹配状态，需要对其进行精确模化。基于简化模型得到的压缩系统倒流临界线可以推广至全三维状态，本文提出的倒流判别准则具有较高的可靠性和可行性。     

核心机驱动风扇级的气动设计特点分析

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CDFS的内部流动特点和关键设计参数的影响,总结了CDFS气动设计上的特点和难点:①CDFS需要采用进口可调导叶实现工作模式的转换;②叶尖切线速度和气动负荷不匹配是CDFS难以获得高效率的主要原因;③进口可调导叶出口气流角分布和调节方式对CDFS的性能有重要影响;④CDFS转子气动设计的难点是控制单外涵模式下的激波损失;⑤CDFS静子气动设计的难点在于两种工作模式下其进口气流角的分布和幅值均发生了较大变化.      

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.