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变循环发动机(Variable Cycle Engine,VCE)以突出的气流流量调节能力,而获得良好的内在循环性能和较低的安装损失,成为未来军、民用飞机动力装置的理想选择之一,并且以CDFS(Core Driven Fan Stage,核心机驱动风扇级)和FLADE(Fan on Blade,叶片上的风扇)两种结构形式为主要的发展方向。本文深入研究了变循环发动机及其特征部件的工作机理,以带CDFS的双外涵变循环发动机(CDFS VCE)、带FLADE的双外涵变循环发动机(FLADE VCE)、带CDFS和FLADE的三外涵变循环发动机(Adaptive Cycle Engine,ACE)为研究对象,围绕其数值仿真方法、稳态特性、流路、重量、模态转换的过渡态特性、性能优化及其与飞机的一体化设计等问题展开研究,深入揭示了变循环发动机相比于混排涡扇发动机的关键工作特征。1、变循环发动机数值仿真方法研究:基于变几何特性修正和多角度特性三维插值,建立了变几何风扇、高压压气机、CDFS、低压涡轮计算模型,解决了CDFS设计点与变循环发动机设计点不匹配的问题;发展了内、外涵气流完全独立的FLADE计算方法;将定几何混合室的静压平衡转换为流量平衡,并引入变几何引起的局部总压损失,发展了模态选择阀门、前可变面积涵道引射器及后可变面积涵道引射器的计算方法;提出了全面的变循环发动机参数限制处理方法,使得发动机在非设计点性能求解时能自适应于给定的性能需求;建立了变循环发动机流路与重量估算模型,参考YF120变循环发动机的尺寸与重量数据,对模型进行了检验;构建了包含转子惯性效应和容腔容积效应的发动机过渡态计算模型,参考NASA变循环发动机模态转换过程的试验数据,验证了模型的正确性;基于进/排气系统特性数据库,建立了进/排气系统内、外流损失计算模型,参考GE21J11B4变循环发动机的性能数据,校核了模型的计算精度。所建立的计算模型为变循环发动机的性能计算与分析奠定了基础。2、变循环发动机设计参数匹配与稳态调节特性分析:深入研究了CDFS VCE和FLADE VCE主要设计参数的匹配规律,在一定的截面温度、部件级数等限制条件下,给出了变循环发动机涵道比的分配规律、增压比的分配规律以及前、后可变面积涵道引射器出口马赫数的取值范围。详细分析了CDFS VCE和FLADE VCE变几何参数的调节特性,结果表明,调节CDFS导叶角度与调节高压压气机导叶角度对CDFS VCE总涵道比、总增压比和低压转子转速的影响相反。调节喷管喉部面积对高压转子转速的影响规律因模态选择阀门打开或关闭的状态不同而有所不同。在亚声速巡航的节流状态,应关小CDFS导叶角度和前可变面积涵道引射器内涵面积、放大喷管喉部面积、同时放大FLADE导叶角度和FLADE喷管面积;在超声速巡航的大功率状态,应放大CDFS导叶角度、前可变面积涵道引射器内涵面积以及喷管喉部面积。调节低压涡轮导向器面积可解决转速受限与部件喘振裕度过小的问题。3、变循环发动机模态转换的过渡态特性分析:深入分析了变循环发动机在模态选择阀门开/关过程、FLADE开/关过程的工作特性。结果表明,在模态选择阀门开/关过程中,单独放大或关小模态选择阀门无法实现变循环发动机工作模式的转换;关小模态选择阀门时,应放大CDFS导叶角度和前可变面积涵道引射器内涵面积;反之亦然。在FLADE开/关过程中,应同步放大或缩小FLADE导叶角度和FLADE喷管面积,而且FLADE外涵气流流量的突变不会引起其他部件工作参数的剧烈波动。ACE与CDFS VCE在模态选择阀门开/关过程中的特性相似,ACE与FLADE VCE在FLADE开/关过程中的特性相似,而且ACE的FLADE开/关与模态选择阀门开/关的耦合度较弱。4、变循环发动机性能优化方法研究:改进了标准的差分进化优化算法,且在函数测试中表现良好;提出了适用于变循环发动机性能优化的多工作点综合优化方法。得到了CDFS VCE、FLADE VCE、ACE以及混排涡扇发动机海平面推力最大的设计方案,对比发现,FLADE VCE推力最大且耗油率最低,而混排涡扇发动机重量最小、长度最短、推重比最大。通过优化变循环发动机的几何调节参数与控制规律,显著提高了发动机的工作性能。将设计点与非设计点进行综合优化,可进一步改善发动机的综合性能。将设计点与多个非设计点进行综合优化,虽不能明显提升发动机的性能,但能有效协调不同飞行要求对发动机设计参数的不同需求。5、飞机/变循环发动机一体化设计方法研究:建立了飞机升阻特性、约束分析、任务分析计算模型,并与发动机稳态性能、进/排气系统安装损失计算模型相耦合,形成了飞机/发动机一体化设计的计算模型。针对不加力超声速巡航战斗机的飞行任务,对比了CDFS VCE、FLADE VCE、ACE和混排涡扇发动机的飞行性能。结果表明,在亚声速巡航状态,相比于混排涡扇发动机,CDFS VCE的进口流量增大11.2%,进气道阻力降低37.7%,后体阻力降低4.77%,安装耗油率降低2.39%;FLADE VCE和ACE的进口流量增大约20%,进气道阻力可降60%以上,但后体阻力增大10%左右,安装耗油率降低约3%。在超声速巡航和水平加速阶段,CDFS VCE、FLADE VCE和ACE工作在单外涵模式,此时的性能优势不如亚声速巡航阶段的明显。安装变循环发动机后飞机起飞重量减少3%~4%,且FLADE VCE的性能最佳,ACE的性能介于FLADE VCE和CDFS VCE之间。