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.      

进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型

为了预估变循环发动机气动稳定性对周向进气畸变的响应,建立了进气畸变对变循环发动机气动稳定性影响分析模型.采用带源项的二维非定常欧拉方程描述变循环发动机内部的流动,根据部件特性计算源项,采用时间推进法求解方程组.利用该模型分析了周向进气畸变沿某变循环发动机流路的传递和该发动机的临界畸变指数,计算结果表明:该模型实现了对进气畸变影响变循环发动机气动稳定性的仿真;进气畸变经过核心机驱动风扇级后有显著的衰减;核心机驱动风扇级对进气畸变非常敏感,易发生失稳,是变循环发动机抗畸变的薄弱点.      

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.      

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。     

高通流双变循环发动机模式转换建模方法研究

模式选择阀（Mode Selective Valve,MSV）是实现变循环发动机模式转换的关键部件。为了准确反映变循环发动机模式转换性能变化,本文以高通流双变循环发动机为研究对象,提出模式转换的高置信度耦合建模方法。通过对MSV几何模型开展三维数值仿真,获取不同边界条件下的外涵道流动特性,揭示几何参数和气动参数对不同外涵道间气流流动的影响。基于数值仿真数据,采用极限学习机建立气动参数以及几何参数和性能参数的映射关系,并将映射关系耦合进发动机性能计算模型,建立高通流双变循环发动机高置信度耦合模型。通过将耦合模型与零维模型进行仿真对比,结果表明：相比于零维模型,在模式转换初期阶段,耦合模型可以准确反映由于边界条件变化导致的涵道间气流流动变化。在模式转换中后期,耦合模型可以准确反映由于MSV喉道马赫数达到1导致的外涵道堵塞特性。高置信度耦合模型能够更为真实地反映发动机在模式转换过程中的性能变化,最大推力波动为4.73%。在整个模式转换过程中,耦合模型单步最大耗时13.62 ms。用于计算模式选择阀性能的ELM模型,整体耗时维持在0.018 ms附近,最大耗时小于0.035 ms,满足实时性要求。     

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%。     

3 外涵变循环发动机循环参数匹配模拟

3外涵技术能使发动机涵道比调节范围更宽,使其在所有推力范围和全包线下性能最优。分析了带核心机驱动风扇级（CDFS）的3外涵变循环发动机工作机理,利用稳态性能数值仿真程序,开展了3外涵变循环发动机循环参数匹配模拟研究,得到发动机循环参数取值范围。研究结果表明：3外涵变循环发动机工作范围更广,重点是通过改变其涵道比来实现压比的变化和发动机模态的转变,最终实现3外涵变循环发动机的优越性能。     

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.      

三外涵变循环发动机性能数值模拟

与双外涵模式相比,三外涵变循环技术将使发动机工作范围更广,更易满足未来发动机的自适应要求,及更大提升飞机综合性能。在带核心机驱动风扇级(CDFS)双外涵变循环发动机性能仿真方法基础上,构建了前调节阀门、后调节阀门、第三外涵等的数学模型,开展了三外涵变循环发动机性能模拟方法研究,重点分析了三外涵变循环发动机的稳态性能。结果表明:相比单外涵和双外涵模式,三外涵模式总涵道比调节程度更大,发动机最大状态与亚声速巡航状态间的燃油经济性更明显。     

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。     

涵道比调节对核心机驱动风扇级与高压压气机匹配性能影响

根据某核心机驱动风扇级与高压压气机匹配气动布局的特点,建立了匹配状态点关联预估简化方程并发展了匹配性能预估程序。基于两个压缩部件性能试验数据,进行了典型匹配状态涵道比预估及特点分析,研究了等转速下涵道比调节对两个压缩部件工作状态点变化规律以及匹配性能影响。结果表明:(1)涵道比设置不合理将会导致压缩部件发生旋转失速或喘振现象,从而影响两者的匹配工作;(2)随着涵道比增大,核心机驱动风扇级工况点逐渐从近喘点向堵塞点方向偏移,而高压压气机的工况点变化趋势正好相反。核心机驱动风扇级的流量变化范围比高压压气机的窄,这使得匹配总压比-流量特性线更加陡峭;(3)存在最佳匹配涵道比使稳定工作裕度和近失速边界匹配总压比达到最大,并且此时的匹配峰值总效率接近最大匹配峰值总效率;(4)随着匹配转速的提高,典型匹配涵道比呈现逐渐减小趋势,外涵流量在85%换算转速时达到最大,因此在进行外涵流道设计需全面考虑压气机的工作特性。      

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。     

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。     

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.      

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.      

兼顾两种模式核心机驱动风扇级气动优化设计

提出兼顾两种模式核心机驱动风扇级气动设计方法。将S2流面通流计算与遗传算法相结合,寻找最优进口导叶（IGV）出口气流角、关闭角度、单双外涵压比沿叶高分布;实现在转子气动设计时兼顾两种模式。根据IGV基础叶型弯度、安装角对单双外涵流动损失影响研究,确定可调IGV关键参数,实现在IGV气动设计时兼顾两种模式。采用多点优化进行静子叶型优化设计,实现在静子气动设计时兼顾两种模式。对所设计的核心机驱动风扇级进行三维流场计算,结果表明:两种模式在满足总压比和质量流量前提下,单、双外涵模式等熵效率分别达到88.05%和87.17%,且稳定裕度分别达到15.65%和16.28%。      

变循环发动机核心机稳态性能计算模型修正方法

针对搭建的变循环发动机核心机稳态性能计算模型的计算结果与试验结果差距较大的问题,提出一种适用于该计算模型的修正方法。即先利用试验数据算出核心机性能参数,选择在模型中作为独立变量的参数代入计算模型,然后换用与这些参数有相关性的修正因子作为模型方程组的独立变量,通过修正因子在模型中的迭代求解实现性能模型的修正。修正前模型计算结果与试验结果最大相差约10%,修正后两者偏差在1%以内,验证了该方法的有效性和工程实用性。