双外涵变循环发动机可变几何特性研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252014V01．35No82126—2135ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaaeduCR双外涵变循环发动机可变几何特性研究周红，王占学*，刘增文，张晓博，高翔西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072摘要：建立了双外涵变循环发动机(VCE)总体性能数学模型，实现了变循环发动机与进气道进口流量匹配、双参数控制规律、可变几何部件性能模拟。依据单／双涵道模式

2、、最大推力／最小耗油率模式、是／否开加力选取了起飞、亚声速巡航、超声速巡航、加速爬升4个典型航段，分析了变循环发动机10个几何可调节变量在不同飞行条件下的控制规律及其对发动机安装性能和稳定性的影响。结果表明，相比于几何不可调节变循环发动机，几何可调节的变循环发动机在亚声速和超声速巡航阶段的安装耗油率可分别降低3％和30％，加速爬升阶段的安装推力可增加42％，并且保证发动机均能具有足够的喘振裕度。关键词：变循环发动机；可变几何；控制规律；流量匹配；安装性能；稳定性中图分类号：V235．16文献标识码：A文章编号：1000—

3、6893(2014)082126—10先进战斗机正朝着超声速巡航、高机动性、足够的有效载荷、大航程、多目标攻击和短距起降能力等方向发展。超声速巡航、高机动性要求发动机应当具有良好的推力性能，尤其是超声速巡航的单位推力指标。足够的有效载荷和短距起降能力要求发动机具有较高的起飞推力。大航程、多目标攻击要求发动机在宽包线范围内具有更低的耗油率，尤其是在巡航状态下。因此亟需一种在各个工作点都具有良好性能的发动机。变循环发动机(VariableCycleEngine，VCE)通过灵活的流量和热力循环参数调节能力能够克服高单位推力和

4、低耗油量的矛盾，是目前最具潜力的发动机之一。双外涵变循环发动机技术主要成熟于20世纪70年代中期。1970年美国开展了超声速巡航飞机研究计划[1]，在此计划下，通用电气公司开展了先进超声速推进系统技术研究项目口。7]，确定了双外涵变循环发动机的基本结构，这就是GE21发动机。F120是世界上第1种经飞行验证的变循环发动机，用于美国空军先进战术战斗机的候选发动机。自2007年，美国相继开展了自适应多用途发动机技术研究呻‘1叩和自适应发动机技术发展研究口“，以满足2030年左右服役的未来战斗机的动力需求。国内于20世纪末开始

5、对变循环发动机展开研究，北京航空航天大学建立了双外涵变循环发动机性能仿真模型，研究了变循环发动机的基本特征和模态转换的实现方式[12

6、。西北工业大学开发了面向对象变循环发动机总体设计软件，建立了变循环发动机总体性能计算及模态转换数学模型[1314]。本文抓住变循环发动机的关键特征，即部件几何可调，分析变循环发动机在不同工作状态下收稿日期：2013—10·12；退修日期：2014—04—08；录用日期：2014—05—12；网络出版时间：2014—05—1913：07网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detai

7、l／107527／$1000．68932014．0098．htmI基金项目：国家自然科学基金(51176156，51306151)*通讯作者．Tel．：029—88492240E-mail：wangzx@nwpu．edu．cn引用榕武

8、ZhouH，WangZX．LluZW．etal．Variablegeometrycharacteristicsresearchofdoublebypassvariablecycleengine[JJ?ActaAeronauticaetAstronauticaSin，ca，2014．35(8

9、)：2126-2135．周红．王占学．司增文．等．双外涵变循环发动机可变凡何特性研究!JI航空学报，2014．35(8)：2126-2135．周红等：双外涵变循环发动机可变几何特性研究的主控制规律和部件几何调节规律，论证变循环发动机在不同飞行条件下几何调节对安装性能和稳定性的影响。1原理分析变循环发动机工作的基本原理是通过改变发动机的部件几何形状、尺寸或者位置来改变其热力循环参数，如增压比、涡轮前温度、空气流量和涵道比等，使发动机在各种工作状态下都具有最佳的热力循环状态。双外涵变循环发动机包含10个可调节部件：模式选择阀

10、门；前可变面积涵道引射器(ForwardVariableAreaBypassInjec—tor，FVABI)；后可变面积涵道引射器(RearVari—ableAreaBypassInjector，RVABI)；风扇(Fan)、核心机驱动风扇级(CoreDrivenFanStage，CDFS)、高压压气机(HighPr