变循环发动机中倒流现象的稳态建模与仿真

王靖凯 闫雨嘉

摘要： 变循环发动机根据模式选择机构的打开和关闭有两种工作状态，在模态转换过程中，可能出现经过核心机驱动风扇压缩的气体一部分重新流回到核心机驱动风扇进口的现象。为分析变循环发动机中倒流现象对整机的影响规律，采用稳态性能仿真方法进行性能分析，完成了模拟稳定倒流现象的变循环发动机稳态模型建模。通过研究相关文献对倒流现象描述，从倒流现象产生、数学模型建立、倒流状态仿真三个方面对变循环发动机倒流现象进行阐述。通过采用一种向前引气的局部循环平衡被动收敛方法，实现发动机在设计点和非设计点计算过程中性能仿真。仿真结果表明：随着倒流流量的增加，风扇出口的流通能力降低，风扇工作点升高，裕度减小;核心机驱动风扇的流通能力提高，核心机驱动风扇工作点向下移动。

Abstract： The variable cycle engine has two working modes according to the opening and closing of the mode selector. In the process of mode conversion， the air which was compressed by Core Driven Fan Stage （CDFS） may flow back to the inlet of CDFS. in order to analyze the influence of the flow recirculation on the variable cycle engine， the steady-state performance model of flow recirculation in variable cycle engine was established. Through the study of the description of the flow recirculation form three aspects： the generation of the flow recirculation， the establishment of the mathematical model and the simulation of the. By using a partial loop process and passive convergence method with forward air intake， the design point and the off-design point calculation is realized. The simulation results show that with the increase of flow recirculation， the fan working point increases and the margin decreases; the flow capacity of the CDFS increases， and the working point moves downward.

關键词： 变循环发动机;倒流;稳态性能模型;模式转换;核心机驱动风扇

Key words： variable cycle engine;flow recirculation;steady-state performance model;mode conversion;core driven fan stage

中图分类号：V231                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0049-03

0  引言

变循环发动机可以根据飞机不同任务需求，通过改变多个可调几何机构位置、调整发动机的热力循环，从而获得包线内发动机不同速度、高度点的性能最优，并与飞机的组合性能达到最佳，更好的适应不同飞行任务对动力的需求，成为未来航空动力发展的重要方向。

典型的变循环发动机中特征部件包含带有核心机驱动风扇级、模式选择机构和前/后涵道引射器、变几何涡轮等特征部件，结构形式如图1所示。

变循环发动机通过核心机驱动风扇、模式选择阀、前/后涵道引射器、变几何涡轮等特征部件的调节，能够实现变循环发动机涵道比的调节。变循环发动机通过打开模式选择阀，实现发动机从单外涵模式到双外涵模式的转换，其他可调机构需协同调节，保障发动机的正常工作。然而变循环发动机在模态转换过程中，可能出现经过核心机驱动风扇压缩的气体一部分通过外涵道重新流回到其进口，当该现象发生时可能造成发动机的工作不稳定，这种现象是变循环发动机的一个非正常的工作状态，这种现象称为倒流现象。在变循环发动机设计过程中应避免倒流现象的产生，需要对发动机模式转换过程进行合理的控制规律设计，这就需要发展一种具备对倒流现象进行仿真的方法。

1  倒流现象的产生的原理分析

变循环发动机中核心机驱动风扇的外涵道定义为第一外涵，起出口受到前涵道引射器控制;风扇后涵道定义为第二外涵，其进口为发动机的模式选择机构，可以控制第二外涵道的气流。

倒流现象通常发生在模式选择机构打开的过程。模式选择机构打开前，核心机驱动风扇为大流量高压比工作状态，即具有较强的抽吸能力，也具有高排气压力，这时模式选择机构后压力要高于模式选择机构前压力，当模式选择机构打开，一小部分高压气体容易流入核心机驱动风扇进口，产生倒流现象。

从倒流现象产生的原因可以看出，当核心驱动风扇压比较高，核心机驱动风扇的进口静压较低的状态时，容易发生倒流，有研究者将上述两个值的关系作为是否发生倒流的判据[2]。

2  倒流现象的数学模型

2.1 建模方法文献研究

S.J. Prjybylko等人在对某型变循环发动机（GE23）多变量控制评估时，通过对多个瞬态过程进行计算，计算结果表明某些瞬态过程可能出现倒流，但文中建立的仿真程序不计算倒流，仅通过预警信息提示可能出现的倒流现象[3]。

Jimmy Tai等人对一种广泛用于美国研究机构的推进系统仿真软件（NPSS）的变循环发动机模型的进行了研究，当双外涵模态时前涵道引射器中两股气流的混合过程建立静压平衡，单外涵时建立核心机驱动风扇进口的流量平衡。通过改造分流器模型，建立了可逆分流器，可以通过设置负涵道比实现对倒流过程的描述。并提出三种倒流过程的建模方法：一般倒流方法、平衡方程方法、被动收敛方法。一般倒流在完成计算前并确定是否满足倒流条件，确定倒流条件后需再进行一次计算，不进行迭代。平衡方程求解法在NPSS中通过虚拟的气原来模拟倒流循环，类似于进气道唇口防冰引气的处理方式。模拟倒流过程，根据平衡方程的求解条件，确定虚拟流量参与迭代。被动收敛方法与实际上是在一般倒流方法的基础上在发动机迭代求解过程中将上一步计算的倒流量作为本次的输入，实现被动收敛，不再额外增加平衡方程[4]。

三种方法的差异在于一般倒流方法不进行迭代，平衡方程方法采用与整机联合求解，被动收敛方法则是在原有平衡方程外增加倒流条件的迭代。

通过文献研究倒流现象研究包含两个方面，一是判断倒流能否发生，二是模拟倒流过程。倒流能否发生的判断笔者在相关研究中进行了倒流判据的分析[5]，倒流过程的整机性能模拟需要进一步展开论述。

2.2 倒流现象仿真数学模型建模

变循环发动机求解非设计状态时涉及到迭代变量如表1所示。与Jimmy Tai等中将分流器中分流比定义为迭代变量不同，建立的仿真模型的涵道比定义为进口总流量与内涵流量的差和内涵流量的比值，该定义的优点在于当发生倒流是求得的涵道比为负值。

倒流过程的模拟在当前引气模型基础上进行完善，发动机性能仿真模型中引气过程是不参与迭代的，根据给定的引气比例，从先进行计算的部件引入尚未进行计算的部件，即模型计算过程中需要考虑计算顺序，而对于倒流过程，直接采用引气模型，不能实现从后计算的部件向先计算的部件的引气。通过在引气部件间增加局部小循环保证流量平衡和能量平衡，实现发动机设计点的向前引气仿真，能够模拟变循环发动机设计状态的倒流现象。

对于非设计状态，倒流判据与核心机驱动风扇的压比和前涵道引射器出口的排气速度相关，当倒流发生时，倒流的流量需要根据实际物理结构进行数值仿真获得倒流特性[5]。建立的非设计点倒流仿真模型在设计点模型的基础上，根据发动机每一步迭代过程中直接读取倒流特性或给定的倒流流量，直至发动机性能完成求解。

3  倒流现象的仿真分析

建立变循环发动机模式选择机构关闭状态的模型，采用第三章建立的倒流现象仿真模型模拟倒流过程，对倒流产生的整机性能影响进行分析。仿真过程中控制发动机的低压物理转速为定值，分别给定不同倒流流量，分析整机推力、耗油率、涡轮前温度等参数变化以及风扇和核心机驱动风扇的工作点变化，其中定义相对倒流量为倒流流量与核心机驱动风扇进口流量的比值。为了研究倒流流量对整机性能的影响，本章中分析不对倒流流量进行判断，通过给定的相对倒流量范围为0-65%，获取不同倒流流量对整机性能的影响规律。

图3为涵道比变化，单外涵模式下，在没有倒流的情况时，风扇的涵道比为0，当倒流发生后，核心机驱动风扇进口的流量为风扇出口流量与倒流流量的和，因此计算的涵道比为负值，倒流流量与高，风扇涵道比越小。由于倒流流量增加，流出核心机驱动风扇的总流量增加同时进入压气机的流量降低，因此核心机驱动风扇涵道比增加，综合计算出的总涵道比是减小的。

图4为倒流流量对整机推力、耗油率、涡轮前温度的影响，可以明显看出随着倒流流量的增加推力先增加后降低这是因为在控制风扇物理转速的条件下，倒流流量增加风扇工作点沿着等转速线升高，图可以看出风扇压比增加，裕度减小，随着风扇压比增加低压负荷增加，对应的涡轮前温度增加，但是当风扇工作点进一步升高，风扇流量急剧降低，推力下降;涵道比也减小了因此涡轮前温度也表现出相似的规律。

图5-图7为风扇和核心机驱动风扇的工作点变化情况包括相对换算流量、相对压力和喘振裕度。可以看出随着倒流流量的增加，从整机匹配角度对风扇的裕度影响最明显，因为倒流的产生，核心机驱动风扇的流通能力是增强的，因此工作点下降。

实际上倒流的产生是因为核心机驱动风扇压比高能够驱动气体回到核心机驱动风扇进口，上文中仿真计算的倒流流量范围较大，为了对回流产生的影响从发动机匹配角度进行分析，实际流动过程中当核心机驱动风扇压比降低，风扇压比升高后，对倒流是有抑制作用的，倒流条件将不再满足。

4  结论

通过采取局部循环被动收敛方法，本文建立了变循环发动机倒流现象仿真模型，对整机性能受到倒流流量变化的影响完成了分析计算，得出以下结论：①随着倒流流量的增加，影响了风扇出口的流通能力，风扇工作点升高，裕度减小;②随着倒流流量的增加，提高了核心机驱动风扇的流通能力，核心机驱动风扇工作点向下移动;③倒流流量的增加将提高风扇压比，所以整机推力和涡轮前温度都升高，当压比进一步升高流量降低明显，推力下降。

本文通过局部循环的方法实现了变循环发动机稳定的倒流現象仿真，满足了整机匹配分析的需要，但是倒流现象实际发生在变循环发动机模式转换过程中，未来整机性能仿真将在考虑倒流判据的条件下开展过渡态模型建模，以支撑模式转换过程控制规律设计。另外分析过程仅对整机热力循环进行了分析，由于倒流的气体主要通过核心机驱动风扇叶尖部分，产生的温度和压力畸变将对核心机驱动风扇的工作产生不利影响，需要部件设计专业进一步进。

参考文献：

[1]Michael E. Brazier， Randy E. Paulson， Variable Cycle Engine Concept [R]， ISABE 93-7065.

[2]M.W. French， G.L. Allen， NASA VCE Test Bed Engine Aerodynamic Performance Characteristics and Test Results [R]， AIAA-1981-1594.

[3]S.J. Prjybylko， S.M. Rock， Evaluation of a Multivariable Control Design on a Variable Cycle Engine Simulation [R]， AIAA-82-1077.

[4]Jimmy Tai， Bryce Roth， Development of an NPSS Variable Cycle Engine Model [R]， ISABE2005-1295.

[5]刘宝杰，王若玉，梁彩云，等.变循环压缩系统涵道流动计算模型及模式转换倒流判据研究[J].推进技术，DOI：10.13675/j.

cnki. tjjs. 190799.