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.      

双外涵压缩系统中部件匹配规律的分析（英文）

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。     

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。     

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。     

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.     

变循环发动机模态转换建模及控制规律设计方法研究

为了实现变循环发动机快速可靠的模态转换,本文发展了变循环发动机模态转换过渡态模型及控制规律设计方法。在变循环发动机动态数值仿真程序的基础上,针对模态选择阀与涵道引射器这两个模态转换过程中的关键变几何部件,建立了高精度的气流突扩局部损失模型。首次提出了可考虑模态选择阀堵塞对发动机性能影响的模态选择阀堵塞模型,消除了由于模型不精确造成的模态转换参数波动。在建立的变循环发动机数学模型的基础上,提出了基于直接推力控制技术的模态转换控制规律设计方法,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模态转换过程进行了优化。结果表明,本文提出的模态转换控制规律设计方法可以实现变循环发动机快速平稳的模态转换,双外涵转单外涵的参数变化规律与单外涵转双外涵的参数变化规律基本类似,推力在0.6秒就稳定在目标推力值,其余参数大多在1.4秒之后才趋于稳定。本文提出的变循环发动机模态转换控制规律设计方法还可应用于常规航空发动机的加/减速过渡态控制规律设计中。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.      

三外涵变循环发动机推力性能优化计算及分析

提出了一种基于商用软件Isight的三外涵变循环发动机稳态性能优化方法,构建了优化设计平台,扩展了稳态性能计算程序的参数研究及优化功能。利用所建立的优化设计平台,开展了典型状态点的优化计算,并与传统设计方法进行了对比;以最大状态推力最优为目标,分析了不同工况、不同工作模式的发动机稳态性能。研究结果表明:基于Isight的优化平台能够显著提高三外涵变循环发动机稳态性能优化的精度和效率,快速获得发动机最优性能;当以最大状态推力最优为目标时,随着进气温度的增加,推力最优的工作模式依次为单外涵+第三外涵模式、单外涵模式、三外涵模式和双外涵模式。      

高速直升机涵道风扇矢量推进系统模型悬停状态的气动力测量研究

为了提高直升机的飞行速度,出现了用涵道风扇矢量推力系统取代常规的尾桨和尾翼的复合式高速直升机.然而,涵道风扇矢量推进系统各部件间相互作用很复杂,从理论上确定涵道风扇矢量推进系统的气动特性尚有相当难度,为了研究涵道风扇矢量推进系统气动特性,利用涵道风扇矢量推进系统试验模型,通过试验实测该系统在轴流状态的气动力及舵面偏角和设计参数对系统气动力的影响,得到了一些涵道风扇矢量推进系统所特有的气动现象,其结果可作为理论建模的依据.     

FLADE变循环发动机模态转换过程特性分析

为对带FLADE(Fan on Blade)的变循环发动机总体性能进行评估,发展了FLADE部件计算方法以及带FLADE的双外涵变循环发动机稳态性能计算模型,加入反映转子惯性效应和部件容积效应的动力学方程,建立了变循环发动机过渡态性能计算模型。分析了FLADE变循环发动机在双外涵与单外涵模式之间的模态转换过渡态特性,重点研究了几何参数调节及其不同组合形式对FLADE变循环发动机模态转换过程的影响。结果表明,带FLADE的双外涵变循环发动机的模态转换过程只与FLADE导叶角度和FLADE喷管面积有关,且两者应同时放大或关小;FLADE的开/关对风扇外涵气流及核心机的影响较小。     

倾转涵道倾转过渡阶段的非定常气动力

为研究倾转涵道动力装置在倾转过渡阶段的非定常气动力,使用基于滑移网格技术的非定常计算方法,利用基于内场信息和叶素理论的压力盘模型模拟风扇螺旋桨,通过求解Navier-Stokes(N-S)方程,对涵道风扇俯仰拉起过程进行数值模拟.结果表明:在倾转过程中涵道风扇非定常气动力的迟滞特性明显,俯仰角速度延迟了流场分离,增加了涵道风扇的升力和阻力;低速飞行时,涵道风扇在整个倾转过渡阶段气动性能优良;在高速大迎角飞行时,涵道风扇气动性能恶化,俯仰力矩曲线紊乱,不利于进行倾转过渡飞行.      

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.