CN114486277B - 基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法，包括：在变循环发动机核心机上确定进行动态模式转换验证的硬件条件；搭建动态模式转换验证平台；对不同工作模式下核心机稳态工作性能进行仿真分析；确定试验条件，制定满足动态模式转换要求的不同工作模式稳态控制规律；进行动态模式转换仿真分析；以核心机状态波动最小为基准进行模式转换过程控制规律的优选；制定动态模式转换技术在核心机上的验证方案。本发明的验证方法获取模式选择阀、CDFS导叶角度、FVABI的动态调节特性，达到了降低可变循环的发动机动态模式转换试验风险的目的。

Description

基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法

技术领域

本发明涉及航空发动机总体设计与试验技术，具体涉及一种基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法。

背景技术

动态模式转换技术是可变循环发动机中的一项重要技术，如图1所示，可变循环的发动机结构涉及到模式选择阀、核心驱动风扇（CDFS）、前可调面积涵道引射器（FVABI）、后可调面积涵道引射器（RVABI）、低压涡轮导向器、尾喷管等几何调节机构之间在作动时序与作动速率上的配合，其控制规律设计复杂、试验难度大、风险高。特别是模式选择阀、CDFS导叶角度、FVABI的动态调节特性对风扇、CDFS的稳定工作有最直接的影响，因此，提前在与整机系统相当载荷的条件下进行动态模式转换验证，获取其动态调节特性，是降低可变循环的发动机动态模式转换试验风险的有效措施。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法，以获取模式选择阀、CDFS导叶角度、FVABI的动态调节特性，达到降低可变循环的发动机动态模式转换试验风险的目的。

本申请实施例提供以下技术方案：一种基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法，包括如下步骤：

S101、在变循环发动机核心机上确定进行动态模式转换验证的硬件条件；

S102、搭建动态模式转换验证平台；

S103、对不同工作模式下核心机稳态工作性能进行仿真分析；

S104、确定试验条件，制定满足动态模式转换要求的不同工作模式稳态控制规律；

S105、进行动态模式转换仿真分析；

S106、以核心机状态波动最小为基准进行模式转换过程控制规律的优选；

S107、制定动态模式转换技术在核心机上的验证方案。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，步骤S101具体包括：

确定变循环发动机核心机上模式选择阀、前可调面积涵道引射器、核心驱动风扇可正常工作；

确定变循环发动机核心机具备单外涵与双外涵两种工作模式；

确定变循环发动机核心机的外涵流道特性与整机中的相同；

在变循环发动机核心机外涵道布置表征流动特性变化的总压和静压测点。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，步骤S102具体包括：

构建满足动态模式转换验证需求的核心机布局，搭建带模式选择阀、前可调面积涵道引射器和核心驱动风扇的具有单外涵与双外涵两种工作模式的变循环发动机核心机验证平台。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，步骤S103具体包括：

选取不同的几何调节机构控制计划、不同试验条件进行单外涵与双外涵工作模式核心机稳态工作性能仿真分析。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，步骤S104中，基于核心驱动风扇综合性能最优目标确定试验条件，制定单外涵与双外涵工作模式稳态控制规律。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，步骤S105具体包括：

以单外涵与双外涵稳态控制规律为模式转换过程各几何调节机构的起始点和终止点，进行不同作动速率与作动时序下的模式转换动态性能仿真。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，步骤S106中，以核心驱动风扇喘振裕度为基准进行模式转换过程中包括核心驱动风扇导叶角度、前涵引射器、模式选择阀的变几何调节机构调节规律的优选。

根据本申请实施例的一种具体实施方式，步骤S107中，制定动态模式转换技术在核心机上的验证方案的过程中采取从稳态特性至动态特性录取、从单变量调节至多变量调节、从慢至快逐步递进的验证试验原则。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明实施例的基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法，其特点是基于验证需求搭建核心机平台，采用稳态与过渡态联合仿真方法并基于CDFS综合性能最优目标确定模式转换过程控制规律与试验条件，采用由稳态至动态、由单一至组合、由慢至快逐步递进的试验实施方案。通过该方法，可以验证动态模式转换功能性能，获取核心机、模式选择阀、前涵引射器、CDFS等动态特性，为整机模式转换试验提供支持，降低可变循环的发动机动态模式转换试验风险。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是可变循环的发动机结构示意图；

图2是本发明实施例的基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法流程示意图；

图3是本发明实施例的双外涵核心机结构示意图；

图4是本发明实施例的以不同作动时序转换的动态模式转换仿真；

图5是本发明实施例的在不同状态转换的动态模式转换仿真；

其中，1-1：模式选择阀(MSV)；1-2：核心驱动风扇（CDFS）；1-3：前可调面积涵道引射器（FVABI）；1-4：可调低压涡轮导向器；1-5：后可调面积涵道引射器（RVABI）；1：进气道；2：模式选择阀；3：CDFS；4：前涵道引射器；5：高压压气机；6：共用涵道；7：燃烧室；8：高压涡轮；9：内涵喷管；10：第二外涵；11：第一外涵；12：外涵喷管。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1是可变循环的发动机结构示意图，可变循环的发动机结构涉及到模式选择阀(MSV)1-1、核心驱动风扇（CDFS）1-2、前可调面积涵道引射器（FVABI）1-3、后可调面积涵道引射器（RVABI）1-5、可调低压涡轮导向器1-4、尾喷管等几何调节机构之间在作动时序与作动速率上的配合，其控制规律设计复杂、试验难度大、风险高。

如图2所示，本申请实施例提供一种基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法，包括如下步骤：

S101、在变循环发动机核心机上确定进行动态模式转换验证的硬件条件；

确定在变循环发动机核心机上进行动态模式转换验证的最大能力范围及所需的硬件条件。

在核心机上进行动态模式转换验证，可以获取模式选择阀、前涵引射器、CDFS导叶等部件的动态调节特性以及核心机在模式转换过程中的核心机性能状态变化规律，降低变循环发动机在模式转换试验过程中与模式选择阀、CDFS导叶、前涵引射器直接相关的风扇和CDFS稳定工作风险。

确定进行动态模式转换验证的硬件条件具体包括：

（1）确定变循环发动机核心机上模式选择阀、前可调面积涵道引射器、核心驱动风扇可正常工作；

（2）确定变循环发动机核心机具备单外涵与双外涵两种工作模式；

（3）确定变循环发动机核心机的外涵流道特性与整机中的相同，以获取真实的外涵道特性；

（4）在变循环发动机核心机外涵道布置表征流动特性变化的总压和静压测点。

S102、搭建动态模式转换验证平台；

在步骤S101的基础上构建满足动态模式转换验证需求的核心机布局，搭建带模式选择阀、前可调面积涵道引射器和CDFS的具有单外涵与双外涵两种工作模式的变循环核心机验证平台。

本申请实施例构建的核心机，如图3所示，包括进气道1、模式选择阀2、CDFS 3、前涵道引射器4、高压压气机5、燃烧室7、高压涡轮8、内涵喷管9、外涵喷管12，是一种带模式选择阀、前可调面积涵道引射器和CDFS的具有单外涵与双外涵两种工作模式的变循环核心机布局，可以通过几何机构的调节实现单外涵、双外涵状态稳定工作及单/双外涵间的模式转换。其工作原理是：当核心机处于单外涵工作模式时，模式选择阀关闭，经进气道的气流完全进入CDFS，经CDFS压缩后，一部分气体由前涵道引射器进入第一外涵11，由外涵喷管排出。另一部分气体进入压气机进一步压缩，然后进入燃烧室，形成的高温高压燃气进入高压涡轮膨胀做功，推动涡轮旋转并驱动CDFS和高压压气机，维持压缩部件稳定运转，最后通过内涵喷管排出。当核心机处于双外涵工作模式时，模式选择阀打开，内涵部分的工作原理与单涵模式相同。不同点在于，经进气道的气流，一部分由模式选择阀进入第二外涵10，与第一外涵气流掺混后合并为共用涵道6，最后经外涵喷管排出。

为了模拟整机中后涵引射器和可调低压涡轮导向器对核心机性能影响并解决核心机进出口压差变化大带来的CDFS稳定工作问题，增加了外涵可调喷管，设计了多组不同面积的内涵喷管，用于试验中不同验证状态的性能匹配。

为了获取模式选择阀、前涵引射器及整个外涵道的流动情况，在模式选择阀前/后截面、第一涵道进/出口截面、共用外涵进/出口截面设置总压测点，并在沿程布置静压测点。

S103、对不同工作模式下核心机稳态工作性能进行仿真分析；

选取不同的几何调节机构控制计划、不同试验条件进行单外涵与双外涵工作模式核心机稳态工作性能仿真分析。

选取不同的几何调节机构控制计划、试验条件进行稳态性能仿真分析，为核心机在单外涵与双外涵两种工作模式下的稳态控制规律制定提供支持。仿真时由于内涵喷管面积对核心机模式转换过程的影响不大，因此着重开展不同CDFS导叶角度、前涵引射器开度、外涵喷管面积三个几何调节机构以及试验舱的压力进行仿真分析，选取原则如下：

a、CDFS导叶角度，建议选取包含该部件在单外涵与双外涵两种工作模式下的设计导叶规律以及处于二者之间的导叶规律等共计三组导叶规律进行稳态仿真；

b、前涵引射器与外涵喷管面积，在单外涵工作模式下，面积相对较小的一处将对外涵道形成节流，从而对CDFS稳定工作裕度产生直接影响。在双外涵工作模式下，外涵喷管面积对共用外涵进行限流，间接影响CDFS稳定工作。在进行稳态性能仿真时，二者的面积选取范围遵循原则为：前涵引射器的最小开度应比单外涵常用的最小外涵喷管面积小20%左右。考虑双外涵状态下新增的第二外涵流量通流，外涵喷管面积应大于前涵引射器全开时的面积；

c、试验条件，由于核心机第二外涵无增压装置，在试验时需要在第二外涵进出口建立压差，防止气体倒流。因此，在进行模式转换验证试验时，设备应具有舱压调节能力。在进行稳态性能仿真时，考虑外涵道压力损失，试验舱环境压力范围：进口压力的30%~70%。

本申请实施例在单外涵（对应模式选择阀全关）和双外涵（对应模式选择阀全开）两种状态下，各选取在上述建议范围内的试验舱环境压力、前涵引射器开度、CDFS导叶角度、外涵喷管面积各三组共计81种组合进行稳态性能仿真分析，对每一组规律进行编号A1，A2，……，A81。

S104、确定试验条件，制定满足动态模式转换要求的不同工作模式稳态控制规律；

基于CDFS综合性能最优目标确定试验条件，制定单外涵与双外涵工作模式稳态控制规律。

在S103的基础上，首先从A1~A81中挑选出在单外涵与双外涵状态、CDFS导叶规律为两个状态对应的设计规律下使CDFS能稳定工作的组合控制规律，重新编号为B1，B2，……。然后从B1，B2，……中优选出能同时使核心机在单外涵与双外涵状态下稳定工作的组合控制规律，重新编号为C1，C2，……。最后从C1，C2，……中按照CDFS综合性能最优确定控制规律与试验条件。

本申请实施例制定的控制规律与试验条件如表1所示。

表1 控制规律与试验条件

S105、进行动态模式转换仿真分析；

以单外涵与双外涵稳态控制规律为模式转换过程各几何调节机构的起始点和终止点，进行不同作动速率与作动时序下的模式转换动态性能仿真。

以S104中确写的单外涵与双外涵两个工作模式下的稳态控制规律为模式转换过程中各几何调节机构的起始点和终止点；在核心机稳定工作转速范围内挑选2至3个状态进行模式转换过程仿真；仿真时，设定CDFS导叶、前涵引射器、模式选择阀三个几何调节机构的作动速率和作动时序。由于模式转换过程中，核心机的工作特性取决于几何调节机构的动态调节特性，因此应在几何机构调节能力范围内选取至少三组作动速率，作动时序应包含三个几何调节机构同时作动、不同时作动方案。

本申请实施例以表1所述的单外涵与双外涵稳态控制规律为模式转换过程中各几何调节机构的起始点和终止点，进行相对换算转速为85%、90%状态下以不同转换条件对模式转换过程进行动态性能仿真分析，如图4和图5所示。

S106、以核心机状态波动最小为基准进行模式转换过程控制规律的优选；

在步骤S105的仿真基础上，分析在各组模式转换控制规律下进行模式转换过程中转速扰动量、CDFS工作点的变化情况，选取核心机状态平稳过渡的组合作为模式转换控制规律。

以CDFS喘振裕度为基准进行模式转换过程中CDFS导叶角度、前涵引射器、模式选择阀等变几何调节机构调节规律的优选。

本申请实施例中，通过对S105的分析，明确了模式转换过程控制规律制定原则：双外涵转单外涵过程中，几何调节机构时序对转换过程影响较小，可采取同时作动的方式；在单外涵转双外涵过程中，若同时作动，核心机性能存在较大的突变，采取的处理方式是：CDFS导叶提前作动，模式选择阀与前涵引射器在CDFS导叶作动基本结束时作动。本申请实施例按照7s、5s、3s转换时间制定的模式转换过程控制规律，如表2~表4所示。

表2 模式切换过程控制规律（第1组）

表3模式切换过程控制规律（第2组）

表4模式切换过程控制规律（第3组）

S107、制定动态模式转换技术在核心机上的验证方案。

本申请实施例制定的验证试验原则：从稳态特性至动态特性录取、从单变量调节至多变量调节、从慢至快逐步递进。

试验实施方案：

（1）稳态特性录取

在模式选择阀关闭、前涵引射器全开状态下，在单外涵设计导叶调节规律下，按2%台阶录取稳态性能参数；在双外涵设计导叶调节规律，按2%台阶录取稳态性能参数。验证核心机在单、双外涵工作模式对应的导叶调节规律下的工作能力与性能；

分别在核心机换算转速85%、90%状态，调节前涵道引射器面积，录取前涵引射器开度为100%、70%、50%的核心机性能。

（2）单变量动态特性录取

分别在核心机换算转速85%、90%状态，以F1/s、F2/s的速率调节前涵道引射器面积，录取核心机性能；

分别在核心机换算转速85%、90%状态，按照M1/s的速率调节模式选择阀门开度，录取核心机性能；

分别在核心机换算转速85%、90%状态，以A1/s和A3/s速率调节导叶角度，录取核心机性能。

（3）多变量组合、不同时序与不同作动速率动态调节

分别在核心机换算转速85%、90%、双外涵设计状态，按表2给定的控制规律进行模式转换，在85%、90%状态按表3给定的控制规律进行模式转换，在双外涵设计状态按表4给定的控制规律进行模式转换。

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权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、在变循环发动机核心机上确定进行动态模式转换验证的硬件条件；

S102、搭建动态模式转换验证平台；

步骤S102具体包括：

构建满足动态模式转换验证需求的核心机布局，搭建带模式选择阀、前可调面积涵道引射器和核心驱动风扇的具有单外涵与双外涵两种工作模式的变循环发动机核心机验证平台；

S103、对不同工作模式下核心机稳态工作性能进行仿真分析；

S104、确定试验条件，制定满足动态模式转换要求的不同工作模式稳态控制规律；

S105、进行动态模式转换仿真分析；

S106、以核心机状态波动最小为基准进行模式转换过程控制规律的优选；

步骤S106中，以核心驱动风扇喘振裕度为基准进行模式转换过程中包括核心驱动风扇导叶角度、前涵引射器、模式选择阀的变几何调节机构调节规律的优选；

S107、制定动态模式转换技术在核心机上的验证方案；

步骤S107中，制定动态模式转换技术在核心机上的验证方案的过程中采取从稳态特性至动态特性录取、从单变量调节至多变量调节、从慢至快逐步递进的验证试验原则。

2.根据权利要求1所述的基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法，其特征在于，步骤S101具体包括：

确定变循环发动机核心机上模式选择阀、前可调面积涵道引射器、核心驱动风扇可正常工作；

确定变循环发动机核心机具备单外涵与双外涵两种工作模式；

确定变循环发动机核心机的外涵流道特性与整机中的相同；

在变循环发动机核心机外涵道布置表征流动特性变化的总压和静压测点。

3.根据权利要求1所述的基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法，其特征在于，步骤S103具体包括：

选取不同的几何调节机构控制计划、不同试验条件进行单外涵与双外涵工作模式核心机稳态工作性能仿真分析。

4.根据权利要求1所述的基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法，其特征在于，步骤S104中，基于核心驱动风扇综合性能最优目标确定试验条件，制定单外涵与双外涵工作模式稳态控制规律。

5.根据权利要求1所述的基于变循环发动机核心机平台的动态模式转换验证方法，其特征在于，步骤S105具体包括：

以单外涵与双外涵稳态控制规律为模式转换过程各几何调节机构的起始点和终止点，进行不同作动速率与作动时序下的模式转换动态性能仿真。

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