【《变循发动机可变几何部件建模分析》3400字】

变循发动机可变几何部件建模分析目录TOC\o"1-3"\h\u11325变循发动机可变几何部件建模分析 1107811.1概述 1121801.2工作模式 178331.3可变几何部件 274851.3.1概述 282961.3.2模式选择活门及副外涵建模 3130731.3.3变几何部件特性 567311.3.4发动机空气系统建模 6概述本文对双外涵变循环发动机进行建模研究，其部件主要有：进气道、风扇、核心驱动风扇级（CDFS）、压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、外涵道、混合室、加力燃烧室和尾喷管。其结构示意图如下图2.1所示。图2.1变循环发动机结构示意图工作模式变循环发动机与普通涡扇发动机相比较，其具有独特的可调部件，通过改变开度或面积可以调节发动机内部的气动热力学循环。最主要的调节部件分别为：模式选择活门，位于13截面，风扇叶尖出口的气流流经模式选择活门后进入副外涵，这是变循环发动机最重要的调节部件，它的开闭决定了发动机工作模式。前涵道引射器，位于224截面，CDFS叶尖出口的气流流过CDFS涵道后与副外涵道的气流进行掺混，通过调节前涵道引射器的面积从而改变气流的马赫数以保证副外涵和CDFS涵道的气流掺混时静压平衡。后涵道引射器，位于16截面，主外涵道气流与内涵出口的气流进行掺混，通过调节后涵道引射器的面积，改变主外涵道气流的马赫数以保证主外涵和内涵气流掺混时静压平衡。变循环发动机在工作时，通过合理改变部件的面积和开闭，从而可以调节各个截面的气流分配，这也保证了变循环发动机可以在不同的工况下均能有优良的性能变现。双涵道变循环发动机的两种典型的工作模式为单外涵模式和双外涵模式。（1）双外涵模式：发动机在地面起飞或者是进行亚音速巡航时以双外涵模式运行。这时模式选择活门开度最大，同时调节前、后涵道引射器让其打开面积加大，并增加风扇转速，使得风扇可以吸入更多的气流。在起飞状态时，由于目前高压转子转速还未达到高状态，通过压气机进入到内涵的气流量少，这时其余气流可通过CDFS涵道流入主外涵道，同时对于CDFS导叶角度进行调节缩减CDFS吸入的气流，这样使得大量气流流经外涵道，让发动机的涵道比增大以期减少发动机的耗油率。双外涵模式工作在亚音速状态下，通过调节风扇优化进气道和内流的匹配关系，在发动机未达到所需巡航状态时，始终让进口的空气流量保持在高流量下，这样就可以避免在节流过程中普通涡扇发动机所遭遇的溢流和阻力问题，提升了发动机工作性能。（2）单外涵模式：当飞机进行机动作战等需要高推力的状况时以单外涵模式运行。这时模式选择活门关闭，风扇出口的气流不再流入副外涵，而是几乎全部涌入CDFS。关小前、后涵道引射器的面积，让CDFS涵道流入主外涵道的气流减少，使得绝大部分气流通过压气机进入到内涵中。这时发动机以类比涡喷发动机的形式运行，可以提供高单位推力，让飞机可以进行超音速巡航等高机动任务。可变几何部件概述变循环发动机相较普通涡扇发动机的特有之处就在于其可变几何部件，通过对可变几何部件的调节从而改变发动机的气动热力学循环。为了使得发动机在宽广的飞行包线内均有良好的性能，需要对发动机的热力学循环参数进行调节，如压比、涵道比等。涵道比作为变循环发动机中一个关注的焦点，当在超音速机动时，减小涵道比，能使发动机具有更大的单位推力，表现出涡喷发动机的性能优势；当在亚音速巡航时，增大涵道比，以降低发动机的耗油率，表现出涡扇发动机的性能优势。模式选择活门及副外涵建模与普通涡扇发动机相异之处在于，变循环发动机在风扇叶尖出口、副外涵道进口处有一可调部件：模式选择活门。作为变循环发动机中决定工作状态的核心部件，其开闭状态直接影响了发动机内部的气体热力学循环状态。为了能够准确构建变循环发动机模型，模式选择活门处建模非常关键，需要考虑在模式选择活门运作时对于发动机整体性能的影响。本文建立了模式选择活门及副外涵处模型，主要是包含风扇叶尖气流流经副外涵道和CDFS涵道气流进行掺混的模型，对于前混合室处的气流状况进行研究。前混合室处的结构示意图如图2.2所示图2.2前混合室和模式选择活门局部示意图由于本文研究的变循环发动机只有模式选择活门能够完全关闭，即在单涵模式下，副外涵道气体流量近似为零，而不论前可调涵道引射器如何变化，CDFS涵道始终存在空气流量，所以发动机在模式切换过程中，CDFS涵道的局部损失小于副外涵道，因此本文主要考虑了副外涵道的总压损失以及模式选择活门关闭时CDFS涵道总压损失。当进行模式切换时，模式选择活门的开度变化，副外涵道的流路面积发生改变，由于存在碰撞、惯性和附面层等影响，导致了气流的能量损失。通过国内外参考文献获知，副外涵道处由于流路面积突变导致的总压恢复系数可以由下面的公式求得： （2-1）式中，为局部损失系数，为气流密度，为气流速度，为面积突变前的总压。当流路截面面积开始发生扩张时，气流相当于从小截面进入大截面，速度分布被打破，出现了加速损失，再加上气流的横向摩擦和大截面后的涡流区的影响，构成了面积突扩的局部损失，其局部损失系数： （2-2）流路截面面积开始缩小时，气流受到与固定壁面的碰撞、流向改变、减速扩压和涡流区等因素的共同影响，造成了面积突然缩小的局部损失，其局部损失系数：（2-3）式中，和分别为突扩前、后的流路截面面积，为影响因子。当时，流路面积保持不变，局部损失系数为0。活门开闭速度越快，局部损失系数越大，这是由于横向流场的速度梯度增加，导致摩擦力变大，局部损失变大。影响因子增大时，局部损失也会增大，本文选择影响因子。在本文中为了简化建模，在不改变变循环发动机运行机理的情况下，将模式选择活门的位置由13截面等效到114截面即副外涵道出口处。这时需要设定在模式选择活门等效前后，通过的气流量相等，即对114截面和224截面的计算公式如下：（1）计算截面224处静压： （2-4） （2-5） （2-6）式中，为核心驱动风扇级进口空气流量，为压气机进口空气流量，为CDFS涵道出口面积，、分别是CDFS涵道出口总压和总温，、分别是CDFS出口总压和总温，为CDFS涵道总压恢复系数。（2）副外涵进口空气流量： （2-7） （2-8）（2-9） （2-10）式中，为截面114出口静压，、分别是前端风扇叶尖出口总压和总温，、分别是截面114的总压和总温，是副外涵出口面积（即模式选择活门面积），是连续可调的，为副外涵总压恢复系数，随着减小而减小。变几何部件特性变循环发动机为了适应不同飞行状态下的气流分配变化，其旋转部件的静子导叶可以进行适应性调节。主要调节方式为改变其导叶角度或者是涡轮导向器面积，这时旋转部件的效率和流量特性也会随之发生改变，从而使得整机的工作状态发生变化。变循环发动机包含有风扇、核心驱动风扇级、压气机、高压涡轮和低压涡轮这5大旋转部件。对于压缩部件，以CDFS为例进行分析，不同导叶角度其流量和效率特性曲线如下图2.3所示。图2.3导片角度变化对流量和效率特性影响示意图对于涡轮部件，通过改变导向器喉道面积来实现涡轮特性改变，而导向器面积改变对于效率影响较小，所以以来对涡轮进口流量进行计算，其中喉道面积的调控根据发动机控制计划。本文中风扇、核心驱动级风扇、压气机和涡轮的部件特性根据各专业的部件计算特性所得，确保了整机数学模型的准确性。发动机空气系统建模变循环发动机在不同的工作模式下引放气比例是不一样的，因此调节空气系统使模型达到预期的精度是非常重要的。引气选择原则是：保证在飞行包线内所有工作点上空气系统正常流动，尽量选择压力和温度较低的引气部位，使得引气对发动机总体和部件性能的不利影响降到最低。在本文所建的模型中，主要考虑空气系统对于涡轮叶片的冷却作用，空气系统的引气均从压气机级进行引气，忽略了核心驱动风扇以及外涵引气，功能为：向涡轮导叶和动叶供给冷却气体，保证涡轮叶片具有合适的压力和温度；利用冷却气体带走涡轮盘的热量，保证其工作时的温度符合要求。从压气机中间级以及末级进行引气用于对涡轮部件、内涵进行冷却。从压气机中间级引出3股气流分别对低压涡轮静叶、低压涡轮动叶和内涵出口进行掺混，而从压气机末级出口引出3股气流分别对高压涡轮静叶、高压涡轮动叶进行掺混，并对轴承进行封严。空气系统功能示意图如下图2.4，其中各股气流的比例可根据控制计划进行相应调整。图2.4变循环发动机空气系统示意图压气机放气量与压气机进口流量相关，其占进口量的百分比为，下标表示的是放气，压气机总的级数为级，放气处有处，第处放气放气位置为第级放气。放气