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。     

基于3维数值仿真的变循环压缩系统部件匹配分析

为了研究变循环压缩系统中各部件之间的匹配关系以及在整机调节时的表现,采用3维数值仿真软件对变循环发动机 的风扇、核心机驱动风扇级（CDFS）、高压压气机和外涵道开展联合数值仿真,并对比数值计算与试验结果的差异。针对单、双涵 工作模式,开展内、外涵出口节流特性计算,分析了内、外涵出口压力调节导致的各部件匹配关系的变化,获得了涵道比的变化范 围以及极限调节状态下的各部件表现出的流动特征,确定了制约整个压缩系统喘振裕度的关键部件。结果表明：在双涵模式下, 外涵节流导致风扇匹配点明显提高,首先到达喘振边界;在单涵模式下,外涵节流导致风扇和CDFS匹配点同时提高,几乎同时到 达喘振边界;在单、双涵模式下,内涵节流均使高压压气机首先到达喘振边界。仿真得到的外涵道损失与试验偏差在4%以内。     

核心机驱动风扇级与高压压气机匹配试验中外涵排气系统的设计与试验验证

为实现在常规轴单涵道压气机试验器上开展核心机驱动风扇级(CDFS)与高压压气机(HPC)匹配性能试验,根据匹配试验环境下的外涵气流和HPC级间气流的特点,提出采用大流量、低压损的抽气系统和直排大气的放气系统分别对外涵流量和HPC级间引气流量进行调节,实现对匹配涵道比和HPC级间引气率的有效控制。试验验证表明:在匹配试验件外涵流道出口机匣上沿周向开设的多个排气孔能间接实现外涵全环排气,但外涵集气装置是制约外涵排气能力的主要瓶颈,其气动性能可采用极限流量和总压损失影响因子描述;优化外涵集气与测量装置、降低外涵抽气背压,是提高外涵排气能力的主要途径。     

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。     

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。      

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。     

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.      

基于静叶特性的匹配环境下CDFS性能测量方法

为获取核心机驱动风扇级(CDFS)与高压压气机匹配试验时的性能,提出了一种匹配环境下CDFS出口气流参数的高精度测试方案。根据匹配环境下CDFS静叶进口气流状态,结合部件环境下CDFS静叶的气动特性,通过插值间接求解CDFS出口气流平均参数,进而求得CDFS性能。结果表明:(1)该测试方案可有效评定匹配环境下CDFS性能,效率偏差和压比相对偏差不大于1%;(2)设计转速下CDFS的性能在匹配环境和部件环境下略有差异但不影响该测试方案的适用性;(3)该测试方案的准确度比较依赖于CDFS部件试验时其静叶进口气流状态域的完整性和特性数据的准确性;(4)该测试方案在组合压气机性能测试或发动机整机环境下的压气机性能测试也具有较好的应用价值。     

带核心机驱动风扇级的变循环发动机总体性能研究

在常规发动机数学模型的基础上,构建了基于变循环的发动机前、后涵道引射器模型,建立了带核心机驱动风扇级(CDFS)的变循环发动机性能计算模型及非线性方程组,深入研究了带CDFS的变循环发动机主要设计参数的匹配规律,并在一定控制规律下给出了性能计算流程。通过性能仿真分析了此类发动机的高度-速度特性和节流特性,并根据性能分析结果提出了可能存在的问题及相应的解决措施。结果表明,带CDFS的变循环发动机在单、双外涵模式下有完全不同的特性,双外涵模式不适合在高空大马赫数状态下开加力使用。另外,还给出了保证地面起动安全性的模态转换点。     

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。     

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。     

核心机驱动风扇性能测量方法

正双外涵变循环发动机是新一代战斗机发动机的重要发展方向。作为双外涵变循环发动机的关键部件之一,核心机驱动风扇(CDFS)需具备在多状态下均能良好工作的特点,这无疑加大了其设计难度。国外已开展了相关的部件、整机试验,并成功完成了飞行验证。国内有关CDFS的研究较少,且主要集中在以单外涵模式设计点进行气动造型设计,并兼顾双外涵模式下的性能,通过数值模拟或部件试验     

变循环发动机前可调面积涵道引射器的通流计算方法

为了实现变循环涡扇发动机压缩系统的快速一体化气动设计,研究了变循环特征部件在一体化通流计算中的实现途径,针对其中的关键部件前可调面积涵道引射器(前VABI),结合其工作机理和流线曲率法通流计算方法的特点,提出了一种通流模拟的思路,发展了不同应用条件下的计算方法,并基于汇流环管流动模型对计算方法的合理性和准确性进行了校验。计算结果显示,在不发生流动堵塞的情况下,前VABI的轴向调节和俯仰调节方式对变循环压缩系统中第一、二外涵道匹配工作特性的影响较小,匹配流量的最大误差小于0.2%,在计算中采用俯仰调节可以准确地模拟轴向调节时的真实特性。在通流计算中,当第一外涵道气流总压高于第二外涵道较多(核心机驱动风扇级增压比大)时,前VABI尾缘的通流计算站应该合理设置,以避免计算模型对流通能力的附加限制。前VABI的通流计算方法对第一、二外涵道流量匹配特性的计算误差小于1%(与CFD结果相比),能够满足变循环压缩系统初始方案设计的需求。     

核心机驱动风扇级在非设计模式下的匹配方法研究

核心机驱动风扇级(CDFS)是双涵道变循环发动机的关键部件之一。为了开展CDFS在非设计模式下(双涵道模式)的匹配分析,利用速度三角形建立了CDFS在双涵道模式下的匹配特性图,该图能够正确反映双涵道模式下CDFS的工作特点和主要气动参数的变化趋势。结果表明:给定CDFS在双涵道模式下流量时,随着压比下降,需要降低CDFS在双涵道模式下的转速才能保证转子进口相对气流角不变;给定双涵道模式的流量和压比时,若要使转子进口相对气流角下降,需要增加CDFS在双涵道模式下的转速。     

变循环压缩系统的一体化通流设计方法

以双外涵和三外涵两款典型的涡扇发动机的变循环压缩系统为研究对象发展了一个基于流线曲率法的一体化通流设计方法,以期简化变循环压缩系统的设计流程,缩短设计周期.通过一个三外涵变循环压缩系统的设计实例,验证了方法的正确性和程序的功能完整性,得到了以下主要结论:①第1,2外涵道的连通使压缩系统各部件之间的气动关系变得复杂,正确处理各部件之间的匹配关系是一体化设计的关键;②流线曲率法适用于变循环压缩系统的通流设计,其流量边界条件可方便地用于模拟前可调面积涵道引射器的调节功能;③第1,2外涵道的掺混过程对上游叶片区域的流场影响微弱,采用简单的掺混模型能够满足计算需求.     

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。     

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.     

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。     

涡扇发动机压缩系统部件特性与匹配数值仿真

为了研究发动机环境中部件特性及部件之间的匹配规律,采用3维数值模拟软件对某压缩系统进行数值仿真计算。计算比较了设计转速风扇/压气机部件特性单独评定和发动机环境中评定的异同,研究了压缩系统4种可调参数变化对风扇、压气机匹配工作点的影响。结果表明：2种环境下风扇特性基本相同;对于压气机,单独评定时以风扇出口参数的径向分布作为进口边界条件获得的压气机特性与整机环境下的基本相同,而给定其他形式进口边界条件时压气机特性存在一定差异：采用均匀进气条件时,压气机流量、效率和喘振裕度分别增加0.3%、0.4%和4.6%,采用进口节流条件时压气机流量、效率和喘振裕度分别减小3.5%、4.0%和20.9%,整机环境使用时应对特性进行修正。研究结果对整机环境下风扇/压气机性能表现以及匹配规律研究有重要参考意义。