基于流热固耦合仿真的航空发动机暖机特性及其对推力的影响
收稿日期: 2025-04-10
修回日期: 2025-05-06
录用日期: 2025-07-02
网络出版日期: 2025-07-15
基金资助
国家级项目
Warm-up characteristics and thrust impact of aero-engines based on fluid-thermal-solid coupled simulation
Received date: 2025-04-10
Revised date: 2025-05-06
Accepted date: 2025-07-02
Online published: 2025-07-15
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航空发动机在起飞前需要在地面保持较高转速进行暖机，否则将造成起飞过程中的推力下降。针对上述问题，以小涵道比涡扇发动机核心机为对象，结合发动机流体域一维模型和固体域二维轴对称有限元模型，开发了一种流热固耦合计算方法，实现了发动机主流道、空气系统和多部件热分析及变形分析的跨尺度耦合仿真。仿真结果表明：叶尖间隙大于设计值是造成起飞阶段发动机推力下降的主要原因。暖机能够减小起飞过程中的叶尖间隙，高压涡轮效率提升0.85%，压气机效率提升0.5%，进而促使高压转速最大提升0.51%，增大了核心机流量，降低了发动机的涵道比，最终导致发动机起飞阶段的最小推力上升2.4%。研究结果进一步表明，增加暖机时间或增加暖机转速均可提升起飞推力，但暖机转速小于0.75时无法通过增加转速减小高压涡轮叶尖间隙。最后基于序列二次规划算法，构建了以推力需求为约束条件的暖机参数优化模型，实现了不同工况下最短暖机时间与转速的优化。
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Aero-engine requires maintaining high rotational speeds for warm-up operations prior to takeoff； otherwise， thrust degradation may occur during the climb-out phase. To address this issue， this study focuses on a core engine of a small-bypass-ratio turbofan and develops a fluid-thermal-solid coupling computational methodology that integrates a 1D fluid domain model with a 2D axisymmetric finite element model of the solid structure. This approach enables coupled simulation across different scales for solid domain analysis， air system evaluation， multi-component thermal analysis， and deformation prediction. Simulation results reveal that tip clearance exceeding design specifications constitutes the primary cause of thrust reduction during takeoff. Warm-up operations effectively reduce tip clearances， resulting in a 0.85% improvement in high-pressure turbine efficiency and a 0.5% enhancement in compressor efficiency. These improvements drive a maximum 0.51% increase in high-pressure rotor speed， augment core mass flow， reduce engine bypass ratio， and ultimately elevate minimum takeoff thrust by 2.4%. Further analysis demonstrates that either extending warm-up duration or increasing warm-up rotational speed can enhance takeoff thrust. However， when the warm-up speed remains below 0.75， increasing rotational speed fails to effectively reduce high-pressure turbine tip clearance. Finally， leveraging sequential quadratic programming optimization， a warm-up parameter optimization model constrained by thrust requirements is established to achieve optimal combinations of minimum warm-up time and rotational speed across various operational conditions.
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