CN109657341A - 一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于航空发动机领域，特别涉及一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法。包括：步骤一：构建变循环发动机流路转换损失模型；步骤二：构建选择阀打开及关闭时的平衡方程，其中，所述选择阀打开时构建：前混合室的进口气流静压平衡方程，以及前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程，所述选择阀打开及关闭分别对应于所述第二外涵的进口的打开和关闭。本申请的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，提出了变循环发动机流路转换过程中的实时计算算法，能够对变循环发动机流路转换过程进行实时模拟，实现对流路转换过程的过渡态计算，为发动机过渡态特性研究、控制规律研究提出技术支持。

Description

一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法

技术领域

本申请属于航空发动机领域，特别涉及一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法。

背景技术

变循环发动机通过一些部件的几何形状、尺寸或者位置的变化调整热力循环参数(流量、压比、涵道比等)。与常规混排涡扇发动机相比，变循环发动机可以通过流路的转换，改变发动机的工作模式，以满足未来多种飞机的使用需求。当变循环发动机中的模式选择阀关闭时，发动机处于单外涵工作模式，该模式下，发动机单位推力较大，适用于超音速飞行状态，当模式选择阀打开时，发动机处于双外涵模式，该模式下，发动机具有较低的耗油率，适用于亚音速飞行状态。

对变循环发动机流路转换的实时数值仿真可以有效的反应发动机流路转换过程中，各可调几何部件对发动机的影响，为流路转换的控制提供参考，对其转换过程进行预估。

现有的变循环发动机模型，对变循环发动机流路转换过程，均采用了发动机稳态计算的迭代求解方法，该方法收敛性较差，且对稳态点的计算时间较长，无法达到实时计算的目的，无法反映变循环发动机流路转换的动态过程对整机的影响。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，所述航空发动机包括风扇、第一外涵、第二外涵、CDFS、内涵以及前混合室，所述风扇的出口连接所述第二外涵的进口以及所述CDFS的进口，所述CDFS的出口连接所述第一外涵的进口以及所述内涵的进口，所述第一外涵的出口和所述第二外涵的出口均连通所述前混合室的进口，包括：

步骤一：构建变循环发动机流路转换损失模型；

步骤二：构建选择阀打开及关闭时的平衡方程，其中，所述选择阀打开时构建：前混合室的进口气流静压平衡方程，以及前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程，所述选择阀打开及关闭分别对应于所述第二外涵的进口的打开和关闭。

可选地，所述构建变循环发动机流路转换损失模型包括：

获取风扇的出口压力、以及第二外涵的出口压强损失；

根据所述风扇的出口压力、以及第二外涵的出口压强损失，计算第二外涵的出口总压恢复系数。

可选地，所述获取第二外涵的出口压强损失包括：

根据第二外涵的进口和出口的截面积、压力以及流速，计算第二外涵的流路转换损失；

根据所述第二外涵的流路转换损失，计算所述第二外涵的出口压强损失。

可选地，所述选择阀关闭时构建：前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程。

可选地，构建所述前混合室的进口气流静压平衡方程包括：

分别获取所述第一外涵和所述第二外涵的出口流量；

根据所述第一外涵和所述第二外涵的出口流量，分别计算第一外涵以及第二外涵的出口静压。

可选地，获取所述第一外涵的出口流量包括：

根据所述CDFS的出口流量、以及所述内涵的出口流量，计算所述第一外涵的出口流量。

可选地，获取所述第二外涵的出口流量包括：

根据所述风扇的出口流量、以及所述CDFS的出口流量，计算所述第二外涵的出口流量。

可选地，构建所述前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程包括：

获取所述第一外涵的出口压力和出口流量；

获取所述第二外涵的出口压力和出口流量；

获取所述前混合室的出口压力和出口流量，其中所述前混合室的出口流量为所述第一外涵的出口流量与所述第二外涵的出口流量之和；

根据上述参数构建所述前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程。

可选地，获取所述第二外涵的出口压力包括：

根据所述风扇的出口压力以及所述第二外涵的出口总压恢复系数，计算所述第二外涵的出口压力。

一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算系统，基于如上所述的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，包括：

流路转换损失计算模块，所述流路转换损失计算模块用于构建变循环发动机流路转换损失模型；

平衡模块，所述平衡模块用于构建选择阀打开及关闭时的平衡方程，其中，所述选择阀打开时构建：前混合室的进口气流静压平衡方程，以及前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程，所述选择阀打开及关闭分别对应于所述第二外涵的进口的打开和关闭。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，提出了变循环发动机流路转换过程中的实时计算算法，能够对变循环发动机流路转换过程进行实时模拟，实现对流路转换过程的过渡态计算，为发动机过渡态特性研究、控制规律研究提出技术支持。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的变循环发动机示意图；

图2是本申请一个实施方式的变循环发动机流路转换示意图；

图3是本申请一个实施方式的变循环发动机初始流路简化图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图3对本申请做进一步详细说明。

本申请的航空发动机包括风扇、第一外涵、第二外涵、CDFS、内涵以及前混合室，风扇的出口连接第二外涵的进口以及CDFS的进口，CDFS的出口连接第一外涵的进口以及内涵的进口，第一外涵的出口和第二外涵的出口均连通前混合室的进口。通过选择阀控制第二外涵的打开与关闭实现变循环发动机流路的双外涵模式与单外涵模式的转换。

由图2所示，模式选择阀开启和关闭的过程中，第二外涵的流道呈收-扩模式。在选择阀开启时，由于流体从小直径流道突然进入大直径流道，由于流体的碰撞、惯性和附面层的影响，在拐角区形成了旋涡，会引起能量损失。

本申请提供了一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，包括：步骤一：构建变循环发动机流路转换损失模型；步骤二：构建选择阀打开及关闭时的平衡方程，其中，所述选择阀打开时构建：前混合室的进口气流静压平衡方程，以及前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程，所述选择阀打开及关闭分别对应于所述第二外涵的进口的打开和关闭。

本申请中，构建变循环发动机流路转换损失模型包括：模式选择阀打开时，流体从第二外涵225的进口截面1流入，由第二外涵225出口截面2流出，此时流体充满涵道。获取截面1的面积A₁、压力P₁以及流速V₁，截面2的面积A₂、压力P₂以及流速V₂。根据伯努利方程有：

于是第二外涵的流路转换损失为：

对截面1和截面2运用连续方程，即：

V₁A₁＝V₂A₂

根据动量方程有：

p₁A₁-p₂A₂＝ρV₂A₂(V₂-V₁)

将动量方程和连续方程代入第二外涵的流路转换损失公式，得：

令则第二外涵的流路转换损失可写为：

式中ζ₁，ζ₂分别表示损失(阻力)因数。

利用公式计算流路转换损失时，采用的速度可以是损失前的也可以是损失后的，但损失因数也不同。

第二外涵的出口压强损失为：

其中，V为第二外涵流体的平均速度。

因此，△P大小与模式选择阀开关面积与第二外涵出口流速有关。

则第二外涵225的出口总压恢复系数为：

在本申请中，构建选择阀打开及关闭时的平衡方程包括：

在模式选择阀打开时：

获取风扇的出口压力P₂₁，CDFS的出口压力P₂₄，构建风扇、CDFS和高压压气机模型。

根据流量守恒，可以求出第一外涵的出口流量W₁₂₅和第二外涵的出口流量W₂₂₅。气体动力学方程，可以求出第二外涵225和第一外涵125的静出口压：

其中，δ₂₂₅，δ₁₂₅分别为风扇与CDFS叶尖压比修正系数。

在模式转换过程中，模式选择阀的改变，不影响前混合室进出口的气流掺混气动面积。

根据总压恢复系数求解第二外涵出口总压：

P₂₂₅＝P₂₁*σ₂₂₅

根据气体动力学方程，求得第二外涵225和第一外涵125掺混后的压力P_21h ^*：

根据发动机部件共同工作的概念，在变循环发动机工作时，局部必须满足下述2个平衡条件。

本申请中，(1)前混合室内外涵进口气流静压平衡；(2)前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压平衡。

两个平衡方程构成了变循环发动机实时模型稳态与过渡态计算的局部迭代平衡方程组，使用n+1残量法进行迭代计算。由于迭代参数少，方法简单，因此局部迭代不会影响双外涵变循环发动机模型的实时性。

本申请中，在模式选择阀关闭时，只需构建前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程。当发动机模式选择阀关闭时，发动机处于单涵模式。此时CDFS进口导叶角度开大，风扇气流全部进入CDFS，CDFS出口气流一部分进入高压压气机，一部分通过第一外涵进入公共外涵。此时实时模型容积选取与双外涵模式下一致，选取燃烧室，加力燃烧室，公共外涵建立容积微分方程。此时，CDFS出口压力P₂₄可以由公共外涵进口压力P_21h反求得。对比双涵模式求法，此时只有风扇出口压力P₂₁一个未知量，需要进行迭代求解。此时选取平衡方程为风扇流量W₂₁与CDFS流量W_CDFS相等即可。

进一步，在本申请中，在模式转换切换的过渡态仿真中，认为初始双外涵几何结构下，只改变模式选择阀面积，其他几何面积保持不变。在模式转换过程中，模式选择阀关闭的速率是一定的，第二外涵进口面积的减小是连续的。第二外涵的气体流量是逐渐减小到0的。双外涵模式与单外涵模式最大的不同在于前混合室气流掺混，双外涵模式下，需满足第一外涵与第二外涵出口的静压平衡条件，而单外涵模式下则无需满足此条件。当模式选择阀面积较小时，第二外涵气流过小，无法满足第一外涵出口气流的静压平衡条件，使用双外涵模式算法，模型收敛性较差，在模式选择阀面积较小时会出现不收敛的问题。

为了解决这一问题，本申请设计双外涵算法和单外涵算法设计链接算法。当在模式选择阀关小到一定程度时，本申请将模型中的静压平衡条件取消，第二外涵小流量气流只提供前混合室掺混总压和流量，相当于部分引气和漏气，此时模型转变为单外涵模式计算，可以在一定程度上使模式转换的过渡态仿真切换平稳。

为了确定在引气模式下，第二外涵面积改变对流量的影响，本申请通过数值模拟的方法展开研究。首先对发动机初始流路进行简化，如图3所示。由于整个模型为环形，通过二维模型进行仿真，使用数值模拟结果对发动机对称轴进行环形积分，来代替三维模拟仿真，计算采用标准k-ε湍流模型进行求解，得到在模式选择阀面积较小时，第二外涵流量与模式选择阀面积的关系，数值仿真表示，模式选择阀面积减小时，随着模式选择阀的关闭，第二外涵流量基本呈线性变化。本申请中选取模式选择阀面积较小时，与第二外涵流量的线性关系部分。当模式选择阀面积小于一定程度，且第二外涵流量较小时，程序进入单涵道模式计算，同时将第二外涵气流看成引气状态，提供总压，但是在前混合室与前涵道引射器出口气流静压不平衡，其流量减小量与模式选择阀面积由上述线性关系给出，直至完全关闭，可以达到模式转换过渡态稳定模拟的目的。

基于上述适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，本申请还提供了一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算系统，包括：流路转换损失计算模块以及平衡模块，流路转换损失计算模块用于构建变循环发动机流路转换损失模型；平衡模块用于构建选择阀打开及关闭时的平衡方程，其中，选择阀打开时构建：前混合室的进口气流静压平衡方程，以及前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程，选择阀打开及关闭分别对应于第二外涵的进口的打开和关闭。

本申请的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，提出了变循环发动机流路转换过程中的实时计算算法，能够对变循环发动机流路转换过程进行实时模拟，实现对流路转换过程的过渡态计算，为发动机过渡态特性研究、控制规律研究提出技术支持。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，所述航空发动机包括风扇、第一外涵、第二外涵、CDFS、内涵以及前混合室，所述风扇的出口连接所述第二外涵的进口以及所述CDFS的进口，所述CDFS的出口连接所述第一外涵的进口以及所述内涵的进口，所述第一外涵的出口和所述第二外涵的出口均连通所述前混合室的进口，其特征在于，包括：

步骤一：构建变循环发动机流路转换损失模型；

步骤二：构建选择阀打开及关闭时的平衡方程，其中，所述选择阀打开时构建：前混合室的进口气流静压平衡方程，以及前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程，所述选择阀打开及关闭分别对应于所述第二外涵的进口的打开和关闭。

2.根据权利要求1所述的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，其特征在于，所述构建变循环发动机流路转换损失模型包括：

获取风扇的出口压力、以及第二外涵的出口压强损失；

根据所述风扇的出口压力、以及第二外涵的出口压强损失，计算第二外涵的出口总压恢复系数。

3.根据权利要求2所述的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，其特征在于，所述获取第二外涵的出口压强损失包括：

根据第二外涵的进口和出口的截面积、压力以及流速，计算第二外涵的流路转换损失；

根据所述第二外涵的流路转换损失，计算所述第二外涵的出口压强损失。

4.根据权利要求3所述的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，其特征在于，所述选择阀关闭时构建：前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程。

5.根据权利要求4所述的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，其特征在于，构建所述前混合室的进口气流静压平衡方程包括：

分别获取所述第一外涵和所述第二外涵的出口流量；

根据所述第一外涵和所述第二外涵的出口流量，分别计算第一外涵以及第二外涵的出口静压。

6.根据权利要求5所述的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，其特征在于，获取所述第一外涵的出口流量包括：

根据所述CDFS的出口流量、以及所述内涵的出口流量，计算所述第一外涵的出口流量。

7.根据权利要求6所述的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，其特征在于，获取所述第二外涵的出口流量包括：

根据所述风扇的出口流量、以及所述CDFS的出口流量，计算所述第二外涵的出口流量。

8.根据权利要求7所述的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，其特征在于，构建所述前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程包括：

获取所述第一外涵的出口压力和出口流量；

获取所述第二外涵的出口压力和出口流量；

获取所述前混合室的出口压力和出口流量，其中所述前混合室的出口流量为所述第一外涵的出口流量与所述第二外涵的出口流量之和；

根据上述参数构建所述前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程。

9.根据权利要求8所述的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，其特征在于，获取所述第二外涵的出口压力包括：

根据所述风扇的出口压力以及所述第二外涵的出口总压恢复系数，计算所述第二外涵的出口压力。

10.一种适用于变循环发动机流路转换的实时计算系统，基于权利要求1至权利要求9任意一项所述的适用于变循环发动机流路转换的实时计算方法，其特征在于，包括：

流路转换损失计算模块，所述流路转换损失计算模块用于构建变循环发动机流路转换损失模型；

平衡模块，所述平衡模块用于构建选择阀打开及关闭时的平衡方程，其中，所述选择阀打开时构建：前混合室的进口气流静压平衡方程，以及前混合室掺混后气流总压与考虑容积效应下的前混合室气流总压的平衡方程，所述选择阀打开及关闭分别对应于所述第二外涵的进口的打开和关闭。