变循环发动机部件级建模技术分析

变循环发动机部件级建模技术分析
【摘要】将双外涵变循环式发动机作为主要分析对象，创建了发动机部件级的稳态与动态模型，在创建模型的过程中充分考虑了导叶角与其面积改变可能对发动机涡轮等部位造成的影响，该模型可以完成变循环发动机的所有工作模式。

通过模型仿真得知，双涵模式下变循环发动机的实际油耗相对较低，适合飞行装置亚声速运行；单涵模式下变循环发动机的推力相对较高，适合飞行装置超声速运行。

【关键词】变循环发动机；部件级建模；部件特点；技术应用
如今的军事航空，以往较为简单的几何固定式航空发动机已无法适应军事飞行装置对于强大的单位推力与低巡航油耗的要求。

近几年，成功将涡轮及涡轮发动机融为一体的全新集成式发动机，逐渐被业内人员所关注，即为变循环发动机。

我国对于变循环发动机的引用与科研起步较晚，现阶主要工作还集中于稳态建模和结构设计环节，在此发动机模式转换动态模拟方面的研究还不够深入。

本文依托于部件级建模技术，创建包括模式选择活门、气流参掺混数学模型，完成变循环发动机模式转换的动态模拟过程，为变循环发动机的合理应用提供理论基础。

1 变循环发动机基本原理
变循环发动机实际上就是通过更改其内部某种部件的规格、位置等达到转换热力循环模式的效果，其结构如图1所示。

变循环调节过程可以改变发动机的各项基本参数，比如涵道比、压缩气体流量以及增压比等，能够确保发动机在复杂的状态下都可保持最佳性能。

从涡扇发动机的角度讲，变循环的重点为涵道比变化，比如飞机在持续加速、攀爬或超声速飞行过程中，有效减小发动机的涵道比，使发动机处于涡喷模式，可以大幅提高发动机的单位推力；在起飞、下落或者亚声速飞行过程中，有效增大发动机的涵道比，使发动机处于涡扇模式，可以降低噪音并减少油耗。

图1 变循环发动机结构示意图
如上所述，变循环发动机具有两种运行模式，即为单涵模式、双涵模式。

1.1 单涵模式
当飞机需进行加速、攀爬或进入超声速飞行时，变循环发动机转换成单涵模式运行，自动关断模式选择活门，缩减后V ABI，控制空气流量，仅留一小部门气体用于喷管冷却，风扇出口侧的所有气流进入核心机，以便生成较大的单位推力，满足飞机高速巡航所需。

1.2 双涵模式
当飞机起飞、下落或进入亚声速飞行，变循环发动机转换成双涵模式运行，增大导流叶片的张角，完全打开模式选择活门与后V ABI，确保前侧风扇气流量达到最大值，在核心机转速减小的过程中，压气机无法经由全部气流，余下的所有空气会通向发动机主涵道。

由于气流会受到引射作用，副外函一端的涵道比快速提高，此时立即缩减CDFC与导流叶片张角，促使大量气体通向CDFC涵道，大幅扩大涵道比，已达到减少低速巡航油耗的目的。

2 变循环发动机部件级建模技术
2.1 创建部件特性
在创建变循环发动机部件级数学模型过程中，需充分考虑几何可调对于变循环发动机基本性能造成的实际影响。

几何可调因素包括：前风扇导流叶片角度、后风扇导流叶片角度、模式选择活门的开启与关闭、后V ABI开口大小、尾喷管喉道面积、尾喷管出口面积等。

导流叶片角度发生改变会影响到压气机等部件的实际空气流量，由于缺少细致的几何参数，无法沿用传统的算法与模型来计算压气机的数学特性，因此本文选用特殊方法得出几何流量计算方程：
在上述方程中，α代表导流叶片角度大小；代表压比影响系数、空气流量系数以及效果参数。

按照方程（1）～（3）可推导出变循环发动机中全部部件的几何流量。

2.2 创建模式选择活门与副外涵数学模型
与传统发动机相比，变循环发动机设置了可以自主更改运行模式的活门，即为上述提到的模式选择活门，此活门的开启与关闭，可以明显改善发动机的动稳态工作点，为详细阐述变循环发动机的模式转换过程，研究活门面积对于发动机中空气整体流路的实际影响，本文按照一定原则，创建一个包括活门和副外涵的气流掺混数学模型，旨在通过此数据模型探究活门面积变化对流量的实际影响。

为便于解决问题，可将活门由固定位置移动到副外涵出口侧，同时拟定在活门移动时，其位置与空气流量保持不变，则得出以下结果：
（1）计算截面（125）静压
公式中代表CDFS进口处的空气流量；代表压气机进口处的空气流量；与分别代表CDFS与压气机进口处的倒流叶片角度；代表CDFS涵道出口的实际面积大小；与分别代表涵道出口处的压力与温度；与分别代表CDFS出口处的压力与温度；代表CDFS涵道压力的恢复系数。

（2）计算副外涵进口处空气流量
公式中代表截面（225）的静压；与分别代表前端风扇的压力与温度；与分别代表截面压力与温度；代表活门面积，该数值可进行调整；代副外涵压力的恢复系数，该系数与成正比。

（3）初猜值与方程选取
创建整机模型的过程中，需选取七个初猜值，分别为：低压转速、高压转速、前风扇增压比、核心风扇增压比、压气机增压比，高低压落压比、，这些初猜值所对应的方程为：
①低压转动转子平衡方程
公式中，代表前风扇平均功率；代表低压输出功率；代表转子中心轴的机械效率。

②高压转动转子平衡方程
公式中，代表CDFS涵道消耗的实际功率；代表压气机消耗的实际功率；代表附件提取功率；代表涡轮的实际输出功率；代表转子中心轴的机械效率。

③高压涡轮进口处空气流量平衡方程
公式中，代表高压涡轮燃气进口的气体流量；代表压气机出口处的空气流量；代表燃料流量；代表冷却气体的流量。

④低压涡轮进口处空气流量平衡方程
公式中，代表低压涡轮燃气进口的气体流量；代表低压涡轮导流叶片角度；代表燃气出口的流量；代表冷却气体的流量。

⑤尾喷管进口、出口空气流量平衡方程
公式中，代表按照尾喷管通道实际面积推算得出的燃料气体流量；代表尾喷管进口处的燃料气体流量。

⑥后混合室内涵与外涵静压平衡方程
公式中，代表内涵静压，本文假设在对后V ABI进行调节时，不会发生变化；代表外涵静压，后V ABI的改变会直接影响到。

⑦风扇空气流量平衡方程
公式中，代表风扇进口处的流量，为相应导流叶片角度；代表由公式（4）～公式（7）推算得出的副外涵空气流量。

3 总结
通过动态仿真可知，所创建的变循环发动机工作模式转变调节机制可以确保在任意转换过程中，不会出现超温、超转以及进喘等不良情况，并且在模式转换前后变循环发动机的转子转速与实际空气流量不会发生改变，转换时钻子的实际波动范围不会超过 1.2%，满足后续性能特点研究的所有前提条件，在此基础上可针对具体运行要求制定相应的几何调节方案，从而使变循环发动机发挥出最佳效果。