變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中倒流現(xiàn)象的穩(wěn)態(tài)建模與仿真

王靖凱 閆雨嘉

摘要： 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)模式選擇機(jī)構(gòu)的打開(kāi)和關(guān)閉有兩種工作狀態(tài)，在模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，可能出現(xiàn)經(jīng)過(guò)核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇壓縮的氣體一部分重新流回到核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)口的現(xiàn)象。為分析變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中倒流現(xiàn)象對(duì)整機(jī)的影響規(guī)律，采用穩(wěn)態(tài)性能仿真方法進(jìn)行性能分析，完成了模擬穩(wěn)定倒流現(xiàn)象的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型建模。通過(guò)研究相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)倒流現(xiàn)象描述，從倒流現(xiàn)象產(chǎn)生、數(shù)學(xué)模型建立、倒流狀態(tài)仿真三個(gè)方面對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)倒流現(xiàn)象進(jìn)行闡述。通過(guò)采用一種向前引氣的局部循環(huán)平衡被動(dòng)收斂方法，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)算過(guò)程中性能仿真。仿真結(jié)果表明：隨著倒流流量的增加，風(fēng)扇出口的流通能力降低，風(fēng)扇工作點(diǎn)升高，裕度減小;核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的流通能力提高，核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇工作點(diǎn)向下移動(dòng)。

Abstract： The variable cycle engine has two working modes according to the opening and closing of the mode selector. In the process of mode conversion， the air which was compressed by Core Driven Fan Stage （CDFS） may flow back to the inlet of CDFS. in order to analyze the influence of the flow recirculation on the variable cycle engine， the steady-state performance model of flow recirculation in variable cycle engine was established. Through the study of the description of the flow recirculation form three aspects： the generation of the flow recirculation， the establishment of the mathematical model and the simulation of the. By using a partial loop process and passive convergence method with forward air intake， the design point and the off-design point calculation is realized. The simulation results show that with the increase of flow recirculation， the fan working point increases and the margin decreases; the flow capacity of the CDFS increases， and the working point moves downward.

關(guān)鍵詞： 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī);倒流;穩(wěn)態(tài)性能模型;模式轉(zhuǎn)換;核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇

Key words： variable cycle engine;flow recirculation;steady-state performance model;mode conversion;core driven fan stage

中圖分類(lèi)號(hào)：V231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）05-0049-03

0 ?引言

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)飛機(jī)不同任務(wù)需求，通過(guò)改變多個(gè)可調(diào)幾何機(jī)構(gòu)位置、調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)，從而獲得包線內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)不同速度、高度點(diǎn)的性能最優(yōu)，并與飛機(jī)的組合性能達(dá)到最佳，更好的適應(yīng)不同飛行任務(wù)對(duì)動(dòng)力的需求，成為未來(lái)航空動(dòng)力發(fā)展的重要方向。

典型的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中特征部件包含帶有核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)、模式選擇機(jī)構(gòu)和前/后涵道引射器、變幾何渦輪等特征部件，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、模式選擇閥、前/后涵道引射器、變幾何渦輪等特征部件的調(diào)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的調(diào)節(jié)。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)打開(kāi)模式選擇閥，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)從單外涵模式到雙外涵模式的轉(zhuǎn)換，其他可調(diào)機(jī)構(gòu)需協(xié)同調(diào)節(jié)，保障發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。然而變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在模態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，可能出現(xiàn)經(jīng)過(guò)核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇壓縮的氣體一部分通過(guò)外涵道重新流回到其進(jìn)口，當(dāng)該現(xiàn)象發(fā)生時(shí)可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)的工作不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象是變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)非正常的工作狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為倒流現(xiàn)象。在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免倒流現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行合理的控制規(guī)律設(shè)計(jì)，這就需要發(fā)展一種具備對(duì)倒流現(xiàn)象進(jìn)行仿真的方法。

1 ?倒流現(xiàn)象的產(chǎn)生的原理分析

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的外涵道定義為第一外涵，起出口受到前涵道引射器控制;風(fēng)扇后涵道定義為第二外涵，其進(jìn)口為發(fā)動(dòng)機(jī)的模式選擇機(jī)構(gòu)，可以控制第二外涵道的氣流。

倒流現(xiàn)象通常發(fā)生在模式選擇機(jī)構(gòu)打開(kāi)的過(guò)程。模式選擇機(jī)構(gòu)打開(kāi)前，核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇為大流量高壓比工作狀態(tài)，即具有較強(qiáng)的抽吸能力，也具有高排氣壓力，這時(shí)模式選擇機(jī)構(gòu)后壓力要高于模式選擇機(jī)構(gòu)前壓力，當(dāng)模式選擇機(jī)構(gòu)打開(kāi)，一小部分高壓氣體容易流入核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)口，產(chǎn)生倒流現(xiàn)象。

從倒流現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可以看出，當(dāng)核心驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇壓比較高，核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的進(jìn)口靜壓較低的狀態(tài)時(shí)，容易發(fā)生倒流，有研究者將上述兩個(gè)值的關(guān)系作為是否發(fā)生倒流的判據(jù)[2]。

2 ?倒流現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型

2.1 建模方法文獻(xiàn)研究

S.J. Prjybylko等人在對(duì)某型變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（GE23）多變量控制評(píng)估時(shí)，通過(guò)對(duì)多個(gè)瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明某些瞬態(tài)過(guò)程可能出現(xiàn)倒流，但文中建立的仿真程序不計(jì)算倒流，僅通過(guò)預(yù)警信息提示可能出現(xiàn)的倒流現(xiàn)象[3]。

Jimmy Tai等人對(duì)一種廣泛用于美國(guó)研究機(jī)構(gòu)的推進(jìn)系統(tǒng)仿真軟件（NPSS）的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)模型的進(jìn)行了研究，當(dāng)雙外涵模態(tài)時(shí)前涵道引射器中兩股氣流的混合過(guò)程建立靜壓平衡，單外涵時(shí)建立核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)口的流量平衡。通過(guò)改造分流器模型，建立了可逆分流器，可以通過(guò)設(shè)置負(fù)涵道比實(shí)現(xiàn)對(duì)倒流過(guò)程的描述。并提出三種倒流過(guò)程的建模方法：一般倒流方法、平衡方程方法、被動(dòng)收斂方法。一般倒流在完成計(jì)算前并確定是否滿足倒流條件，確定倒流條件后需再進(jìn)行一次計(jì)算，不進(jìn)行迭代。平衡方程求解法在NPSS中通過(guò)虛擬的氣原來(lái)模擬倒流循環(huán)，類(lèi)似于進(jìn)氣道唇口防冰引氣的處理方式。模擬倒流過(guò)程，根據(jù)平衡方程的求解條件，確定虛擬流量參與迭代。被動(dòng)收斂方法與實(shí)際上是在一般倒流方法的基礎(chǔ)上在發(fā)動(dòng)機(jī)迭代求解過(guò)程中將上一步計(jì)算的倒流量作為本次的輸入，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)收斂，不再額外增加平衡方程[4]。

三種方法的差異在于一般倒流方法不進(jìn)行迭代，平衡方程方法采用與整機(jī)聯(lián)合求解，被動(dòng)收斂方法則是在原有平衡方程外增加倒流條件的迭代。

通過(guò)文獻(xiàn)研究倒流現(xiàn)象研究包含兩個(gè)方面，一是判斷倒流能否發(fā)生，二是模擬倒流過(guò)程。倒流能否發(fā)生的判斷筆者在相關(guān)研究中進(jìn)行了倒流判據(jù)的分析[5]，倒流過(guò)程的整機(jī)性能模擬需要進(jìn)一步展開(kāi)論述。

2.2 倒流現(xiàn)象仿真數(shù)學(xué)模型建模

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)求解非設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)涉及到迭代變量如表1所示。與Jimmy Tai等中將分流器中分流比定義為迭代變量不同，建立的仿真模型的涵道比定義為進(jìn)口總流量與內(nèi)涵流量的差和內(nèi)涵流量的比值，該定義的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)發(fā)生倒流是求得的涵道比為負(fù)值。

倒流過(guò)程的模擬在當(dāng)前引氣模型基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真模型中引氣過(guò)程是不參與迭代的，根據(jù)給定的引氣比例，從先進(jìn)行計(jì)算的部件引入尚未進(jìn)行計(jì)算的部件，即模型計(jì)算過(guò)程中需要考慮計(jì)算順序，而對(duì)于倒流過(guò)程，直接采用引氣模型，不能實(shí)現(xiàn)從后計(jì)算的部件向先計(jì)算的部件的引氣。通過(guò)在引氣部件間增加局部小循環(huán)保證流量平衡和能量平衡，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)的向前引氣仿真，能夠模擬變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)狀態(tài)的倒流現(xiàn)象。

對(duì)于非設(shè)計(jì)狀態(tài)，倒流判據(jù)與核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的壓比和前涵道引射器出口的排氣速度相關(guān)，當(dāng)?shù)沽靼l(fā)生時(shí)，倒流的流量需要根據(jù)實(shí)際物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真獲得倒流特性[5]。建立的非設(shè)計(jì)點(diǎn)倒流仿真模型在設(shè)計(jì)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)每一步迭代過(guò)程中直接讀取倒流特性或給定的倒流流量，直至發(fā)動(dòng)機(jī)性能完成求解。

3 ?倒流現(xiàn)象的仿真分析

建立變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)模式選擇機(jī)構(gòu)關(guān)閉狀態(tài)的模型，采用第三章建立的倒流現(xiàn)象仿真模型模擬倒流過(guò)程，對(duì)倒流產(chǎn)生的整機(jī)性能影響進(jìn)行分析。仿真過(guò)程中控制發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓物理轉(zhuǎn)速為定值，分別給定不同倒流流量，分析整機(jī)推力、耗油率、渦輪前溫度等參數(shù)變化以及風(fēng)扇和核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的工作點(diǎn)變化，其中定義相對(duì)倒流量為倒流流量與核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)口流量的比值。為了研究倒流流量對(duì)整機(jī)性能的影響，本章中分析不對(duì)倒流流量進(jìn)行判斷，通過(guò)給定的相對(duì)倒流量范圍為0-65%，獲取不同倒流流量對(duì)整機(jī)性能的影響規(guī)律。

圖3為涵道比變化，單外涵模式下，在沒(méi)有倒流的情況時(shí)，風(fēng)扇的涵道比為0，當(dāng)?shù)沽靼l(fā)生后，核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)口的流量為風(fēng)扇出口流量與倒流流量的和，因此計(jì)算的涵道比為負(fù)值，倒流流量與高，風(fēng)扇涵道比越小。由于倒流流量增加，流出核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的總流量增加同時(shí)進(jìn)入壓氣機(jī)的流量降低，因此核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇涵道比增加，綜合計(jì)算出的總涵道比是減小的。

圖4為倒流流量對(duì)整機(jī)推力、耗油率、渦輪前溫度的影響，可以明顯看出隨著倒流流量的增加推力先增加后降低這是因?yàn)樵诳刂骑L(fēng)扇物理轉(zhuǎn)速的條件下，倒流流量增加風(fēng)扇工作點(diǎn)沿著等轉(zhuǎn)速線升高，圖可以看出風(fēng)扇壓比增加，裕度減小，隨著風(fēng)扇壓比增加低壓負(fù)荷增加，對(duì)應(yīng)的渦輪前溫度增加，但是當(dāng)風(fēng)扇工作點(diǎn)進(jìn)一步升高，風(fēng)扇流量急劇降低，推力下降;涵道比也減小了因此渦輪前溫度也表現(xiàn)出相似的規(guī)律。

圖5-圖7為風(fēng)扇和核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的工作點(diǎn)變化情況包括相對(duì)換算流量、相對(duì)壓力和喘振裕度。可以看出隨著倒流流量的增加，從整機(jī)匹配角度對(duì)風(fēng)扇的裕度影響最明顯，因?yàn)榈沽鞯漠a(chǎn)生，核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的流通能力是增強(qiáng)的，因此工作點(diǎn)下降。

實(shí)際上倒流的產(chǎn)生是因?yàn)楹诵臋C(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇壓比高能夠驅(qū)動(dòng)氣體回到核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)口，上文中仿真計(jì)算的倒流流量范圍較大，為了對(duì)回流產(chǎn)生的影響從發(fā)動(dòng)機(jī)匹配角度進(jìn)行分析，實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中當(dāng)核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇壓比降低，風(fēng)扇壓比升高后，對(duì)倒流是有抑制作用的，倒流條件將不再滿足。

4 ?結(jié)論

通過(guò)采取局部循環(huán)被動(dòng)收斂方法，本文建立了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)倒流現(xiàn)象仿真模型，對(duì)整機(jī)性能受到倒流流量變化的影響完成了分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：①隨著倒流流量的增加，影響了風(fēng)扇出口的流通能力，風(fēng)扇工作點(diǎn)升高，裕度減小;②隨著倒流流量的增加，提高了核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的流通能力，核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇工作點(diǎn)向下移動(dòng);③倒流流量的增加將提高風(fēng)扇壓比，所以整機(jī)推力和渦輪前溫度都升高，當(dāng)壓比進(jìn)一步升高流量降低明顯，推力下降。

本文通過(guò)局部循環(huán)的方法實(shí)現(xiàn)了變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定的倒流現(xiàn)象仿真，滿足了整機(jī)匹配分析的需要，但是倒流現(xiàn)象實(shí)際發(fā)生在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，未來(lái)整機(jī)性能仿真將在考慮倒流判據(jù)的條件下開(kāi)展過(guò)渡態(tài)模型建模，以支撐模式轉(zhuǎn)換過(guò)程控制規(guī)律設(shè)計(jì)。另外分析過(guò)程僅對(duì)整機(jī)熱力循環(huán)進(jìn)行了分析，由于倒流的氣體主要通過(guò)核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇葉尖部分，產(chǎn)生的溫度和壓力畸變將對(duì)核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的工作產(chǎn)生不利影響，需要部件設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)進(jìn)一步進(jìn)。

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