外并联式TBCC发动机模态转换性能模拟与分析

针对Ma7一级外并联式TBCC发动机,发展了组合进气道模态转换性能简化计算模型和高马赫数涡轮发动机风车性能计算模型,实现了TBCC发动机由涡轮模态至冲压模态完整转换过程的动态性能模拟。将模态转换过程划分为冲压发动机冷通流打开和涡轮发动机关闭加力、降转、风车关闭等四个典型阶段,基于推力连续准则提出了模态转换策略。计算结果表明:模态转换期间,TBCC发动机的推力转换主要发生在涡轮发动机由全加力状态变化至不加力状态过程中;模态转换前期处于冷通流状态的冲压发动机以及后期处于风车状态的涡轮发动机产生负推力,最大值分别为模态转换后总推力的5.3%和13.7%;当涡轮发动机进入风车状态时,风扇和压气机的工作点均位于其特性图的低转速大流量区域,此后随着涡轮发动机空气流量的减小,风扇压比和压气机压比均趋向于1.0,与相关试验结果基本一致。     

高马赫数涡轮发动机性能模拟

对马赫数4.0一级的高马赫数涡轮发动机进行了研究,分析了高马赫数涡轮发动机的结构形式和工作原理,建立了性能计算模型。利用泵理论拓展了发动机的低转速部件特性,对某高马赫数涡轮发动机方案进行了性能计算,并分析了其风车冲压模态的性能变化趋势。计算结果表明,该发动机在马赫数3.7时进入风车冲压模态;由于主燃烧室熄火,其推力在模态转换阶段将出现暂时震荡,比冲将在模态转换点达到最低值。     

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。      

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。     

基于推力连续准则的小型涡轮冲压组合发动机模态转换过程分析

基于数值模拟方法开展了小型涡轮冲压组合发动机性能计算与匹配性分析.给出了详细的性能计算流程、设计点参数确定准则和模态转换过程参数计算方法.根据涡喷发动机压气机进口、涡轮出口的总静压参数沿飞行轨迹的变化规律,确定了涡轮模态向冲压模态转换的合理区间.根据冲压燃烧室进口参数和静压平衡等约束条件,确定了小型涡轮冲压组合发动机关键截面几何参数.分析了不同的流量调节阀开度对模态转换过程参数变化的影响.按照推力连续的准则,确定了模态转换过程流量调节阀开度随马赫数的变化规律.最后给出了沿飞行轨迹的涡轮冲压组合发动机推力、比冲和喷管喉道面积的变化.      

发动机起动过程部件特性的一种改进描述

分析了传统压气机和涡轮特性图在发动机起动过程特别是风车特性研究中存在的困难,给出了改进的部件特性描述方法。对压气机,在特性图上用以出口条件表示的换算转速代替常规的换算转速,用换算扭矩代替效率;对涡轮,在特性图上用换算扭矩代替效率。改进后的部件特性图有效地解决了在低转速区域存在的效率适用性差、数据读取困难等问题。     

固体燃料ATR涡轮/压气机匹配方法研究

为了获得固体燃料空气涡轮火箭发动机(SP-ATR)中涡轮和压气机的匹配工作特性,建立了涡轮和压气机的工作特性模型,根据SP-ATR转速、功率和背压平衡的工作特点,分别基于涡轮和压气机的工作环境先后采用两种不同的方法完成了二者的匹配。对比两种匹配方法得出结论:(1)基于涡轮的匹配方法与转速稳定过程一致,可确定特定飞行环境中发动机的转速;(2)基于压气机的匹配方法需要条件更少、适用范围更广,可用于特定转速调控方案下驱涡燃气流量的确定。两种匹配方法的计算结果相对Ax STREAM仿真结果的最大误差为10.75%,两种匹配方法的计算结果相差不超过8%。将建立的匹配方法应用于HARM弹自主爬升飞行过程,得到SP-ATR驱涡燃气流量的定量调控规律。     

高超声速涡轮发动机多级压气机性能优化

为了满足某高超声速涡轮发动机巡航工况（Ma=3.2）性能要求,在某8级轴流压气机方案基础上,针对压气机在该工况对应转速（相对换算转速0.748）下流通能力不足问题进行设计优化。通过创建多级压气机1维分析设计平台,采用试验设计方法分析并确定了对压气机低转速性能影响较大的关键参数,基于模拟退火寻优算法完成对多级压气机气动布局的重构;通过采用宽范围低损失多段圆弧中弧线设计、高流通转子叶型设计、低转速可调静子安装角优化及各级攻角匹配优化等措施,完成了8级压气机方案的改进设计。结果表明：在巡航工况（Ma=3.2）下,8级压气机效率和喘振裕度分别提高了0.7%和17.4%,验证了多级压气机设计优化方法的有效性,可为高超声速涡轮发动机压缩部件设计和研究提供参考。     

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。     

涡扇发动机气路部件衰退对转速差影响研究

针对缺乏涡扇发动机气路部件性能衰退与加力性能关联研究的问题,利用发动机模型在加力和不开加力两种情况下的求解及曲面拟合技术,获得气路部件的流量和效率参数耦合变化对应的转速差值曲面,并与转速差值限制条件比较,确定气路部件满足转速差值限制条件的性能包线。研究结果表明:压气机对转速差值性能的影响大于涡轮,低压压气机(风扇)是影响最大的部件。每个部件效率衰退的影响大于其流量衰退的影响。研究结果明确了对加力性能影响较大需要重点监控的气路部件,为保障发动机加力性能和加力系统稳定工作提供了理论依据。     

升力风扇和涡扇发动机组合动力系统性能模拟与分析

基于部件匹配和多设计点分析技术,发展了加装升力风扇的涡扇发动机性能计算模型.以F135涡扇发动机为例,对模型的可靠性进行了验证.数值模拟结果表明:升力风扇不工作时,涡扇发动机性能模拟与常规涡扇发动机是一致的,当升力风扇工作时,若实现低压涡轮与涡扇发动机风扇、升力风扇工作点的匹配,不仅需要调节尾喷管喉道面积,而且可变外涵道出口面积、低压涡轮导向器喉部面积也需要调节.基于该模型,可以进行带升力风扇的涡扇发动机循环参数匹配和不同任务状态的性能分析.      

基于循环参数分析的涡轮基组合动力系统用高速涡轮发动机构型方案

在涡轮基组合动力系统的使用场景中,高速涡轮发动机为了实现起飞、跨声速、模态转换等状态下的性能指标,需要扩展使用速域范围,兼顾多状态推力性能,对于发动机构型和循环参数选取提出了特殊的要求。开展基于循环参数分析的高速涡轮发动机构型方案设计,通过分析高速涡轮发动机在不同速域下的使用需求,明确发动机的技术特征,并从性能、结构、技术发展趋势等多角度对高速涡轮发动机构型进行分析,针对双转子涡扇构型的高速涡轮发动机开展循环参数分析,明确压比、涵道比和涡轮前温度对发动机不同工况性能的影响。结果表明：变循环是高速涡轮发动机的理想构型方案。现阶段应基于双转子涡扇构型逐步集成变循环特征部件,并通过合理的循环参数匹配,实现高低速性能的兼顾。     

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。     

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.      

涡喷发动机涡轮改型匹配的数值仿真

改型后的涡轮在匹配上与发动机其余部件存在流量偏小和功率偏大的偏差，解决方案是改变涡轮导流叶片的安装角和调节涡轮出口的背压，采用将涡轮全三维仿真与发动机总体零维仿真相结合的设计方案，对某单轴涡喷发动机的涡轮特性改进对发动机总体性能的影响进行了研究，其结果可作为初步意见供以后部件改型设计参考。     

一种波瓣混合器超级燃烧室的掺混特性

为了使涡轮基组合循环发动机超级燃烧室的涡扇涵道和冲压涵道两股气流具有高效低阻的掺混特性,设计了一种结构简单的方形波瓣混合器.用数值模拟方法对该方形波瓣混合器与常规混合器进行了比较分析,结果表明方形波瓣混合器具有与菊花型波瓣混合器相似的流向涡高效低阻掺混特性.进行混合器结构参数变化对掺混特性的影响研究发现扩张角对方形波瓣混合器的热混合效率的影响起主要作用,而出口高度的影响不大;当方形波瓣混合器的波长比为1.0时,方形波瓣混合器具有高效低阻的掺混特性.     

涡扇发动机部件效率变化对共同工作的影响分析

以大涵道比涡扇发动机为研究对象,分析了风扇增压级、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮和燃烧室部件效率对涡扇发动机共同工作的影响。不同部件效率变化,不同的控制规律对部件的共同工作影响不同,有些参数变化方向相反。     

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.      

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。