帶Flade自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)幾何調(diào)節(jié)研究

曾強(qiáng)

摘要：本文利用建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)穩(wěn)態(tài)仿真深入分析了幾何調(diào)節(jié)在四種工作模式下對(duì)自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作性能的影響，包括Flade導(dǎo)葉角度、CDFS導(dǎo)葉角度、低壓渦輪導(dǎo)向器面積、后涵道引射器面積、尾噴管喉道面積等變化。研究結(jié)果表明：Flade導(dǎo)葉角度用于控制第三外涵的流量，CDFS導(dǎo)葉角度可以改變壓縮部件工作點(diǎn)和涵道比，低壓渦輪導(dǎo)向器面積改變高低壓渦輪功和高低壓轉(zhuǎn)速，后涵道引射器面積改變壓縮部件工作點(diǎn)、涵道比和內(nèi)外涵總壓，尾噴管喉道面積改變低壓渦輪落壓比，影響壓縮部件工作點(diǎn)和涵道比。

Abstract： This paper analyzed the effect of geometry adjustment on adaptive cycle engine performance by steady-state simulating in the four operation modes. Adjustable geometry included variable inlet guide vanes（IGV） of Flade（fan on blade） and CDFS（core driven fan stage）， the rear variable area bypass injector（RVABI）， variable low pressure turbine（LPT） throat area and variable nozzle throat area. The results of research show that the variable IGVs of Flade change the airflow of the third bypass， the variable IGVs of CDFS change the operation point of compression components and bypass ratio ， the variable LPT throat area changes high and low pressure turbine pressure ratio and rotor speed， the variable RVABI changes the operation point of compression components ， bypass ratio and the total pressure of core and bypass， the variable nozzle throat area changes the low pressure turbine pressure ratio ，operation point of compression components and bypass ratio.

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)；幾何調(diào)節(jié)；穩(wěn)態(tài)性能

Key words： adaptive cycle engine；geometry adjustment；steady-state performance

中圖分類號(hào)：V23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）27-0168-04

0 引言

戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)由高單位推力的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展到高推進(jìn)效率的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著作戰(zhàn)需求的發(fā)展，戰(zhàn)斗機(jī)正朝著多任務(wù)、長(zhǎng)航程、長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間、高飛行速度和高機(jī)動(dòng)性的方向發(fā)展[1-3]。由發(fā)動(dòng)機(jī)原理可知，在傳統(tǒng)的固定循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)上，高的推進(jìn)效率和大的單位推力是互斥的。而在低飛行馬赫數(shù)時(shí)，希望發(fā)動(dòng)機(jī)有小的單位推力，涵道比大，具有較好的推進(jìn)效率，降低耗油率，隨著馬赫數(shù)的升高，大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生凈推力的能力快速降低，因此需要更大單位推力。為了把高推進(jìn)效率的渦扇循環(huán)與大單位推力的渦噴循環(huán)相結(jié)合，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。隨著變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展和第六代飛機(jī)更嚴(yán)格的動(dòng)力需求，2007年美國(guó)空軍提出了自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)（Adaptive Cycle Engine，簡(jiǎn)稱ACE）概念[4]，ACE可以根據(jù)飛機(jī)不同任務(wù)需求，通過(guò)改變部件幾何形狀、尺寸或位置改變發(fā)動(dòng)機(jī)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，是更先進(jìn)形式的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。因此進(jìn)行帶Flade自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)幾何調(diào)節(jié)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響研究是十分必要的。

1 ACE結(jié)構(gòu)布局

本文以帶Flade自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，發(fā)動(dòng)機(jī)具有四種工作模式，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，主要部件有帶Flade的風(fēng)扇，模式選擇閥，核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇（CDFS），高壓壓氣機(jī)，燃燒室，高壓渦輪，導(dǎo)向器面積可調(diào)的低壓渦輪，后涵道引射器，加力燃燒室和尾噴管等。可調(diào)幾何有5個(gè)，分別為Flade進(jìn)口導(dǎo)葉角度，CDFS進(jìn)口導(dǎo)葉角度，低壓渦輪導(dǎo)向器面積，后涵道引射器面積，尾噴管喉道面積，自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)改變這5個(gè)可調(diào)部件的角度、位置和面積使得發(fā)動(dòng)機(jī)在四種工作模式下獲得最佳的性能。

定義CDFS后的流道為第一外涵，模式選擇閥后的流道為第二外涵，F(xiàn)lade所在的流道為第三外涵，通過(guò)調(diào)節(jié)Flade導(dǎo)葉角度和模式選擇閥的開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)四種工作模式：①單外涵模式：Flade進(jìn)口導(dǎo)葉角度全關(guān)、關(guān)閉模式選擇閥，氣流流經(jīng)風(fēng)扇、CDFS后流入核心機(jī)和第一外涵道；②單+三外涵模式：Flade進(jìn)口導(dǎo)葉角度打開(kāi)、關(guān)閉模式選擇閥，氣流流經(jīng)核心機(jī)、第一外涵道和第三外涵道；③雙外涵模式：Flade進(jìn)口導(dǎo)葉角度全關(guān)、打開(kāi)模式選擇閥，氣流流經(jīng)核心機(jī)、第一外涵道和第二外涵道；④三外涵模式：Flade進(jìn)口導(dǎo)葉角度打開(kāi)、打開(kāi)模式選擇閥，氣流流經(jīng)核心機(jī)、第一外涵道、第二外涵道和第三外涵道。

2 自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算模擬方法

研究使用以部件法建模為主要思想建立的ACE性能計(jì)算程序，與常規(guī)混排渦扇相比其特點(diǎn)體現(xiàn)在多工作模式、更多平衡方程和更多可調(diào)幾何。ACE性能模型計(jì)算流程與常規(guī)混排渦扇模型一致：讀入部件特性，設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)算確定發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)截面的尺寸參數(shù)，非設(shè)計(jì)點(diǎn)求解共同工作點(diǎn)。本文使用的帶Flade自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算程序需要求解7個(gè)平衡方程，F(xiàn)lade性能參數(shù)根據(jù)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在特性圖上插值得出：高壓渦輪流量平衡方程，高壓轉(zhuǎn)子功率平衡方程，低壓渦輪流量平衡方程，低壓轉(zhuǎn)子功率平衡方程，CDFS流量平衡方程，混合器靜壓平衡，尾噴管面積平衡。

程序中，對(duì)高、低壓物理轉(zhuǎn)速，低壓換算轉(zhuǎn)速和渦輪前溫度進(jìn)行了限制。

3 典型工作點(diǎn)下幾何調(diào)節(jié)對(duì)自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

在非設(shè)計(jì)點(diǎn)下，發(fā)動(dòng)機(jī)性能取決于各部件的共同工作，各個(gè)部件是協(xié)同工作、相互影響、相互制約的，所以任何一個(gè)部件工作狀態(tài)的變化都將影響其他部件的工作。[6]

分別選取自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)在四個(gè)典型工作點(diǎn)下的四種工作模式，分別調(diào)節(jié)5個(gè)可調(diào)幾何，通過(guò)自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算程序進(jìn)行穩(wěn)態(tài)性能計(jì)算。典型工作點(diǎn)選?。?/p>

①三外涵模式：0km、0Ma、加力；

②單+三外涵模式：0km、0Ma、加力；

③單外涵模式：11km，1.5Ma；

④雙外涵模式：25km，2.5Ma、加力。

下文中數(shù)據(jù)均為與初始點(diǎn)的相對(duì)值。

3.1 Flade導(dǎo)葉角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

Flade導(dǎo)葉角度調(diào)節(jié)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響如圖2所示，F(xiàn)n為發(fā)動(dòng)機(jī)凈推力，sfc為發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率，橫坐標(biāo)為導(dǎo)葉角度。隨著導(dǎo)葉角度的關(guān)小，第三外涵的流量減小，總涵道比減小，發(fā)動(dòng)機(jī)流量也減小，發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降、耗油率上升。

因?yàn)榈谌夂拈_(kāi)閉只影響低壓渦輪功，不影響發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化趨勢(shì)，限于篇幅進(jìn)行后續(xù)分析時(shí)將三外涵和雙外涵合并分析，單+三外涵和單外涵合并分析。

3.2 CDFS導(dǎo)葉角度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

CDFS導(dǎo)葉角度調(diào)節(jié)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響見(jiàn)圖3所示，圖中BPR、BPR1、BPR2分別為主風(fēng)扇、第一外涵和第二外涵涵道比，SMfan、SMcdfs、SMhpc分別為風(fēng)扇、CDFS和高壓壓氣機(jī)喘振裕度，橫坐標(biāo)為CDFS導(dǎo)葉角度。CDFS導(dǎo)葉角度關(guān)小，CDFS進(jìn)氣角增大，使得CDFS工作點(diǎn)下移，喘振裕度增加、壓比減小。CDFS流通能力下降，風(fēng)扇工作點(diǎn)上移，喘振裕度下降、壓比增大。三外涵模式下，風(fēng)扇后氣流更多地進(jìn)入第二外涵，相對(duì)進(jìn)入CDFS的氣流減少，BPR2增加，高壓轉(zhuǎn)子負(fù)荷減小，高壓轉(zhuǎn)速上升，核心機(jī)流通能力增加，BPR1減小。單+三外涵模式下，由于沒(méi)有第二外涵，風(fēng)扇工作點(diǎn)上移，喘振裕度下降很大，涵道比減小。

3.3 低壓渦輪導(dǎo)向器面積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

低壓渦輪導(dǎo)向器面積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響見(jiàn)圖4所示，圖中BPRS為總涵道比，N1c、N2c分別為低壓、高壓換算轉(zhuǎn)速，橫坐標(biāo)為低壓渦輪導(dǎo)向器面積。當(dāng)?shù)蛪簻u輪導(dǎo)向器面積逐步增大時(shí)，高壓渦輪落壓比增大，低壓渦輪落壓比減小，高壓渦輪功增加，高壓轉(zhuǎn)速升高，CDFS和高壓壓氣機(jī)流量增加，涵道比隨著核心機(jī)流量增加而減小，三外涵模式和單+三外涵模式變化趨勢(shì)相同。

3.4 后涵道引射器面積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

后涵道引射器面積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響見(jiàn)圖5所示，P55和P52分別為混合器內(nèi)、外涵進(jìn)口總壓。三外涵模式下，后涵道引射器外涵面積增加，外涵道流通能力增強(qiáng)，對(duì)風(fēng)扇工作點(diǎn)下移，涵道比增加。外涵面積增加使得內(nèi)涵面積變小，低壓渦輪落壓比降低，低壓渦輪功減小，為保證低壓轉(zhuǎn)速不變，就要提高渦輪前溫度，高壓渦輪功增加，高壓轉(zhuǎn)速增加，CDFS和壓氣機(jī)流通能力增加，P52減小，P55增加。單+三外涵模式下，后涵道引射器外涵面積增加，風(fēng)扇和CDFS喘振裕度均有較大提高，其余參數(shù)變化趨勢(shì)相同。

3.5 尾噴管喉道面積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

尾噴管喉道面積對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響見(jiàn)圖6所示。三外涵模式下尾噴管喉道面積增大時(shí)，低壓渦輪落壓比增加，為保持低壓轉(zhuǎn)速不變，減少燃油量，降低渦輪前溫度，高壓渦輪處于臨界/超臨界狀態(tài)，高壓渦輪落壓比幾乎不變，高壓渦輪功減少，核心機(jī)流通能力降低，涵道比BPRS和BPR增加，發(fā)動(dòng)機(jī)推力減小，耗油率增加。尾噴管喉道面積開(kāi)大增加了外涵道的流通能力，風(fēng)扇工作點(diǎn)下移，喘振裕度增加。單+三外涵模式下，由于第二外涵的關(guān)閉，外涵流通能力增加，主要使CDFS喘振裕度增加，其余參數(shù)變化趨勢(shì)相同。

4 結(jié)論

通過(guò)本文研究，得出了以下結(jié)論：

①Flade導(dǎo)葉角度調(diào)節(jié)主要影響第三外涵流量和壓比，從而影響低壓渦輪功，對(duì)推力和耗油率影響顯著，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)需要用于控制第三外涵的流量；

②CDFS導(dǎo)葉角度調(diào)節(jié)改變CDFS工作點(diǎn)，進(jìn)而改變部件間的匹配。導(dǎo)葉調(diào)節(jié)能顯著影響風(fēng)扇和CDFS工作點(diǎn)以及涵道比，角度調(diào)節(jié)應(yīng)該考慮CDFS流量在不同工作模式下與風(fēng)扇流量的匹配；

③低壓渦輪導(dǎo)向器面積調(diào)節(jié)主要影響高、低壓渦輪的落壓比，導(dǎo)致高低壓渦輪功重新分配，改變高低壓轉(zhuǎn)速，顯著地影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)。應(yīng)根據(jù)不同工作模式按需分配高低壓渦輪功進(jìn)行調(diào)節(jié)；

④后涵道引射器面積調(diào)節(jié)通過(guò)改變外涵道出口面積，改變風(fēng)扇和CDFS工作點(diǎn)，并能改變涵道比。同時(shí)調(diào)節(jié)可以改變混合器進(jìn)口內(nèi)外涵總壓比，減小內(nèi)外涵氣流摻混損失；

⑤尾噴管喉道面積調(diào)節(jié)改變低壓渦輪落壓比，改變風(fēng)扇和CDFS工作點(diǎn)以及涵道比，能顯著地影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壓縮部件的工作點(diǎn)。

以上結(jié)論對(duì)自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化和控制規(guī)律制定具有一定指導(dǎo)意義，同時(shí)發(fā)現(xiàn)單一幾何調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)某方面性能提升而使其他方面性能下降，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要考慮多種幾何的組合調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]方昌德.變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2004，17（3）：1-5.

[2]劉增文，王占學(xué)，黃紅超，等.變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)值模擬[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2010，25（6）：1310-1315.

[3]晏武英.美國(guó)發(fā)布六代機(jī)自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展計(jì)劃[N].中國(guó)航空?qǐng)?bào)，2015-5-19（B03）.

[4]Ronald J.Simmons. Design And Control Of A Variable Geometry Turbofan With Anindependently Modulated Third Stream[D]. Columbus： The Ohio State University，2009.

[5]李斌，陳敏，朱之麗.自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作模式穩(wěn)態(tài)特性研究[J].推進(jìn)技術(shù)， 2013，34（8）：1009-1015.

[6]廉筱純，吳虎.航空發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005：183.