CN113107708A - 一种多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于发动机设计技术领域,涉及一种多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法,所述方法包括:步骤S1、根据模式选择机构的打开程度将掺混过程分为多段;步骤S2、根据内流静压、外流静压、风扇总压以及核心机驱动风扇总压构建当量静压比π,不同当量静压比对应步骤S1的不同阶段;步骤S3、构建所述内外流的流量比B与当量静压比π及模式选择机构的几何参数K之间的第一函数关系;步骤S4、通过所述流量比B修正多外涵涡扇发动机掺混过程的内流与外流的流量平衡方程。本申请建立的流量平衡方程,用于发动机整机方程组的求解能够在发动机总体性能计算过程中,能够更精准的模拟包括回流过程和不同流量比总压比的掺混过程。
Description
技术领域
本申请属于发动机设计技术领域,特别涉及一种多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法。
背景技术
未来先进航空发动机要满足多种任务需求,变得越来越复杂,具有多个涵道的变循环发动机成为未来航空发动机的发展方向之一,以美国变循环发动机为代表最显著的特征是带有模式选择机构和核心机驱动风扇,同时还包含控制核心机驱动风扇外涵气流与风扇外涵气流掺混的涵道引射器,现有技术中,前涵道引射器的掺混过程比较复杂,尚无一个模型能够完整模拟该过程。
当前涵道引射器的掺混过程采用两股气流平行掺混静压相等建立平衡方程,如图2所示,该平衡方程有一定的局限性,即在总压比相近的情况下与真实流动比较接近,但是前涵道引射器的掺混过程总压比差异较大,该方法在总体性能计算时会产生较大的偏差,同时该平衡方程不适用于流量比大范围变化的发动机转换过程,也不能模拟核心机驱动风扇出口气流通过模式选择机构回流至核心机驱动风扇进口的过程。
发明内容
本发明要解决的技术问题是建立一种表征两个涵道气流掺混过程的平衡方程,能够在发动机总体性能计算过程中,模拟包括回流过程和不同流量比掺混过程。
本申请掺混气流包括经核心机驱动风扇后端的第一外涵进入掺混外涵的内流,以及在核心机驱动风扇前端经第二外涵进入掺混外涵的外流,所述第二外涵前端具有控制第二外涵气流流量的模式选择机构。
本申请多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法主要包括:
步骤S1、根据模式选择机构的打开程度将掺混过程分为多段,分别包括所述模式选择机构初步打开外涵具有反向气流的第一阶段、所述模式选择机构进一步打开外涵无流量平衡态的第二阶段、所述模式选择机构进一步打开外涵具有正向气流的第三阶段、以及所述模式选择机构完全打开的第四阶段;
步骤S2、根据内流静压、外流静压、风扇总压以及核心机驱动风扇总压构建当量静压比π,不同当量静压比对应步骤S1的不同阶段;
步骤S3、构建所述内外流的流量比B与当量静压比π及模式选择机构的几何参数K之间的第一函数关系;
步骤S4、通过所述流量比B修正多外涵涡扇发动机掺混过程的内流与外流的流量平衡方程。
优选的是,步骤S2中,构建的当量静压比π为:
其中,PCDFS为核心机驱动风扇的总压,PS内为内流静压,PS外为外流静压,PFan为风扇总压。
优选的是,步骤S2中,所述当量静压比π=1时,对应所述第四阶段;所述当量静压比0<π<1时,对应所述第三阶段;所述当量静压比π=0时,对应所述第二阶段;所述当量静压比π<0时,对应所述第一阶段。
优选的是,步骤S3中,所述第一函数通过实验确定。
优选的是,步骤S3中,所述第一函数通过数值仿真确定。
优选的是,步骤S3中,所述模式选择机构的几何参数K通过第二函数确定,所述第二函数的自变量包括模式选择机构角度。
优选的是,步骤S3中,所述模式选择机构的几何参数K通过第二函数确定,所述第二函数的自变量包括前涵道引射器的开度。
优选的是,步骤S4中,所述流量平衡方程为:
W外B=W内;
其中,W外为外流流量,W内为内流流量。
基于静压平衡的气流掺混过程不能摸拟变循环发动机复杂的外涵道掺混过程,本申请建立一种表征两个涵道气流掺混过程的流量平衡方程,用于发动机整机方程组的求解能够在发动机总体性能计算过程中,能够更精准的模拟包括回流过程和不同流量比总压比的掺混过程。
附图说明
图1是本申请多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法的一优选实施例的流程图。
图2是现有的平行掺混示意图。
图3是多外涵发动机掺混过程示意图。
图4是单涵道模式流动示意图。
图5是模式选择机构初步打开带有回流的流动示意图。
图6是模式选择机构打开可能出现外涵无流量平衡态的流动示意图。
图7是模式选择机构进一步打开不再回流的流动示意图。
图8是模式选择机构完全打开近似平行掺混的流动示意图。
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方式中的附图,对本申请实施方式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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式,而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,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方式,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方式,都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本发明要解决的技术问题是建立一种表征两个涵道气流掺混过程的平衡方程,能够在发动机总体性能计算过程中,模拟包括回流过程和不同流量比掺混过程。
多外涵发动机结构如图3所示,掺混气流包括经核心机驱动风扇后端的第一外涵进入掺混外涵的内流,以及在核心机驱动风扇前端经第二外涵进入掺混外涵的外流,所述第二外涵前端具有控制第二外涵气流流量的模式选择机构,掺混计算的面积分别是A内和A外。
相比于背景技术中提及的平行掺混而言,实际在多外涵的涡扇发动机机中,由于调节机构的存在,工作状态不再是简单平行掺混过程,存在图4-图8所示的一系列工作状态。以下分别说明。
状态1如图4所示:模式选择机构阀门处于关闭状态,外涵速度为0。
状态2如图5所示:模式选择机构阀门初步打开,可能出现涵道引射器出口空气通过模式选择机构回流到核心机驱动风扇(CDFS)进口的情况。
状态3如图6所示:模式选择机构阀门继续打开,随着回流流量的增加静压逐渐降低,同时风扇工作点升高压力增加,这时存在一个平衡态,即模式选择机构具有流通能力,但是却没有流量流过,外侧涵道空气流速为0。
状态4如图7所示:模式选择机构阀门进一步打开,外涵空气流量开始增加,这时,和内涵流量的占比比较小,掺混过程的气动混合面积与设计的混合面积存在差异。
状态5如图8所示:模式选择机构阀门完全打开,外涵空气流量达到设计值,这时,内外涵掺混过程与设计的掺混面积相同,近似平行掺混。
基于上述分析,本申请多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法如图1所示,主要包括:
步骤S1、根据模式选择机构的打开程度将掺混过程分为多段,分别包括所述模式选择机构初步打开外涵具有反向气流的第一阶段、所述模式选择机构进一步打开外涵无流量平衡态的第二阶段、所述模式选择机构进一步打开外涵具有正向气流的第三阶段、以及所述模式选择机构完全打开的第四阶段;
步骤S2、根据内流静压、外流静压、风扇总压以及核心机驱动风扇总压构建当量静压比π,不同当量静压比对应步骤S1的不同阶段;
步骤S3、构建所述内外流的流量比B与当量静压比π及模式选择机构的几何参数K之间的第一函数关系;
步骤S4、通过所述流量比B修正多外涵涡扇发动机掺混过程的内流与外流的流量平衡方程。
其中,在步骤S1中,主要考虑图5-图8四种状态,也即状态2-状态5,分别对应于第一阶段(状态2)、第二阶段(状态3)、第三阶段(状态4)、第四阶段(状态5)。
从流动机理方面可以得到,当外涵流量减小,混合平衡的气动面积减小,实际上发动机计算过程中或流场计算中无法准确的获得气动面积,对于相似的发动机状态通常认为气动面积与几何面积相当,所以当前仿真过程中出现该情况时,假设内侧流体流动参数不变,静压不变,外侧流量减小后会通过减小流动速度来实现流量的平衡,即需要增大进口总压。
上述求解过程会出现,当模式选择机构初步打开,会有一个较小的流量流过外涵道,这时会匹配出较高的进气压力,即风扇沿等转速线向上运动,而实际上,模式选择机构的阀门打开,流动变得更加通畅,风扇工作点向上阶跃并不符合物理过程。
实际过程中当涵道比发生变化,外涵流量减小,内涵流量增加,这时在面积不变的情况下,认为内流流速增加,静压降低,外流流速降低,静压升高,所以,内外侧静压比与CDFS压比和内侧通道的面积直接相关,内侧通道面积越小,流速越高。
据此本申请引入当量静压比参数,不同的内侧通道面积对应不同的无量纲密流,对应不同的内外侧静压比。本申请在步骤S2中构建的当量静压比π为:
整理得:
1)当当量静压比为π=1时,表征混合过程在掺混截面位置静压平衡,与传统模型相同,对应本申请步骤S1中的第四阶段。
2)当当量静压比0<π<1时,表征外涵静压升高,若总压基本保持恒定,则流动速度降低,流量减小,对应本申请步骤S1中的第三阶段。
3)当当量静压比π=0时,表征外涵流量为0,即外涵的静压与风扇总压近似相同,对应本申请步骤S1中的第二阶段。
4)当当量静压比π<0时,表征内测气流通过外涵流回到风扇进口,即外侧的静压大于风扇总压,对应本申请步骤S1中的第一阶段。
5)当当量静压比π=-∞时,表征PS外=PCDFS时,若此时模式选择机构不关闭则有气流会发生回流,但物理状态中模式选择机构关闭时也存在PS外=PCDFS。这时需要在当量静压比中引入一个和几何相关的系数K,实现数学模型与物理过程的吻合。
定义内外侧流量比B=f(π,K)其中K=g(θMSV,AFVBI)是与模式选择机构角度以及前涵道引射器开度等几何参数相关的系数,内外侧流量比B的获得需要根据实际结构形式通过实验或数值仿真确定,得到对应结构形式的涵道引射器特性图,用于模型计算。
随后在步骤S4中,构建流量平衡方程为:W外B=W内;其中,W外为外流流量,W内为内流流量。
本发明建立的平衡方程不再沿用原静压平衡方程中的两侧流体的静压相等(PS外=PS内),而是通过静压与涵道引射器特性的平衡得到外侧流体的流量,建立流量平衡(W外B=W内),用于发动机整机方程组的求解。
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 (8)
1.一种多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法,掺混气流包括经核心机驱动风扇后端的第一外涵进入掺混外涵的内流,以及在核心机驱动风扇前端经第二外涵进入掺混外涵的外流,所述第二外涵前端具有控制第二外涵气流流量的模式选择机构,其特征在于,所述方法包括:
步骤S1、根据模式选择机构的打开程度将掺混过程分为多段,分别包括所述模式选择机构初步打开外涵具有反向气流的第一阶段、所述模式选择机构进一步打开外涵无流量平衡态的第二阶段、所述模式选择机构进一步打开外涵具有正向气流的第三阶段、以及所述模式选择机构完全打开的第四阶段;
步骤S2、根据内流静压、外流静压、风扇总压以及核心机驱动风扇总压构建当量静压比π,不同当量静压比对应步骤S1的不同阶段;
步骤S3、构建所述内外流的流量比B与当量静压比π及模式选择机构的几何参数K之间的第一函数关系;
步骤S4、通过所述流量比B修正多外涵涡扇发动机掺混过程的内流与外流的流量平衡方程。
3.如权利要求1所述的多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法,其特征在于,步骤S2中,所述当量静压比π=1时,对应所述第四阶段;所述当量静压比0<π<1时,对应所述第三阶段;所述当量静压比π=0时,对应所述第二阶段;所述当量静压比π<0时,对应所述第一阶段。
4.如权利要求1所述的多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法,其特征在于,步骤S3中,所述第一函数通过实验确定。
5.如权利要求1所述的多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法,其特征在于,步骤S3中,所述第一函数通过数值仿真确定。
6.如权利要求1所述的多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法,其特征在于,步骤S3中,所述模式选择机构的几何参数K通过第二函数确定,所述第二函数的自变量包括模式选择机构角度。
7.如权利要求1所述的多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法,其特征在于,步骤S3中,所述模式选择机构的几何参数K通过第二函数确定,所述第二函数的自变量包括前涵道引射器的开度。
8.如权利要求1所述的多外涵涡扇发动机掺混过程平衡方程建模方法,其特征在于,步骤S4中,所述流量平衡方程为:
W外B=W内;
其中,W外为外流流量,W内为内流流量。
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