考虑环境指标的变循环发动机控制规律设计

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31624

Abstract

Abstract:

Due to its prominent advantages in long-distance and long-endurance transportation， supersonic civil aircraft has become an important development direction for future civil aircraft. The concept of “green aviation” makes energy saving， emission reduction and noise reduction important optimization design objectives of civil aircraft， which naturally imposes corresponding requirements for its power plant. The traditional configuration power fails to realize the combination of low noise at takeoff， high thrust per unit for super-cruise， low fuel consumption rate and low emission index. Taking the dual-containment Variable Cycle Engine（VCE） configuration with Core Driven Fan Stage（CDFS） as the research object， this study examines the design method of steady state adjustable geometry control law considering key optimization design objectives such as the engine performance， jet noise， and NO _x emission. The research shows that the improvement in the first-containment variable cycle engine is the best way to improve the engine performance， and increase in the first culvert split ratio helps to reduce NO _x emission， while increase in the inner and second culvert split ratios facilites jet noise reduction. The design results are applied to the power unit re-optimization design of the first generation supersonic airliner Concorde. Compared with the baseline scheme， the supersonic cruise fuel consumption rate and the takeoff jet speed are reduced by 20.19% and 44.47%， respectively， enabling the takeoff noise index to meet the airworthiness requirements， under the premise of fulfilling the performance requirements of the aircraft.

Key words: jet noise, NO _x emission, variable cycle engine, adjustable geometry regulation, control law optimization design

CLC Number:

V231.3

Fulin LI, Min CHEN, Hailong TANG, Jiyuan ZHANG, Yue ZHOU, Jing MA. Control law design for variable cycle engine considering environmental indicators[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(16): 231624.

Figures/Tables 24

Fig.1

Fig.2

Table 1

Corresponding equations for airflow mixing process in VABI

条件	关系式
流量连续	$W p + W s = W o u t$
能量守恒	$W p c p p T t p + W s c p s T t s = W o u t c p, o u t T t, o u t$
动量守恒	$W p V p + P s p A p + W s V s + P s s A s = W o u t V o u t + P s, o u t A o u t$
静压平衡	$P s p = P s s$

Table 1

Table 2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

Table 3

Table 4

Objective functions corresponding to different optimization objectives for near-ground state

优化目标	目标函数
常规优化（推力、耗油率）	$m i n i m i z e F b a s e F + s f c s f c b a s e + λ (ϕ 1 + ϕ 2 + ϕ 3 + ϕ 4 + ϕ 5 + ϕ 6 + ϕ 7 + ϕ 8 + ϕ 9 + ϕ 10)$
常规优化+喷流噪声优化	$m i n i m i z e F b a s e F + s f c s f c b a s e + λ (ϕ 1 + ϕ 2 + ϕ 3 + ϕ 4 + ϕ 5 + ϕ 6 + ϕ 7 + ϕ 8 + ϕ 9 + ϕ 10 + ϕ 11 + ϕ 12)$
常规优化+NO _x 排放优化	$m i n i m i z e F b a s e F + s f c s f c b a s e + E I N O x E I N O x, b a s e + λ (ϕ 1 + ϕ 2 + ϕ 3 + ϕ 4 + ϕ 5 + ϕ 6 + ϕ 7 + ϕ 8 + ϕ 9 + ϕ 10)$
常规优化+喷流噪声、NO _x 排放优化	$m i n i m i z e F b a s e F + s f c s f c b a s e + E I N O x E I N O x, b a s e + λ (ϕ 1 + ϕ 2 + ϕ 3 + ϕ 4 + ϕ 5 + ϕ 6 + ϕ 7 + ϕ 8 + ϕ 9 + ϕ 10 + ϕ 11 + ϕ 12)$

Table 4

Fig.9

Fig.10

Fig.11

Fig.12

Fig.13

Table 5

Table 6

Objective functions corresponding to different optimization objectives for supersonic cruise state

优化目标	目标函数
常规优化（推力、耗油率）	$m i n i m i z e s f c s f c b a s e + λ (ϕ 1 + ϕ 2 + ϕ 3 + ϕ 4 + ϕ 5 + ϕ 6 + ϕ 7 + ϕ 8 + ϕ 9 + ϕ 10 + ϕ 11)$
常规优化+NO _x 排放优化	$m i n i m i z e s f c s f c b a s e + E I N O x E I N O x, b a s e + λ (ϕ 1 + ϕ 2 + ϕ 3 + ϕ 4 + ϕ 5 + ϕ 6 + ϕ 7 + ϕ 8 + ϕ 9 + ϕ 10 + ϕ 11)$

Table 6

Fig.14

Fig.15

Table 7

Table 8

Table 9

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参数	仿真模型	GasTurb
推力/kN	192.22	192.46
耗油率/（kg·（daN·h）^-1）	0.709 5	0.705 6
燃油流量/（kg·s^-1）	3.788 6	3.772 2
高压涡轮膨胀比	4.643 2	4.644
低压涡轮膨胀比	3.089 4	3.090

飞行状态	高度/m	马赫数	温度偏差/K	推力/kN	耗油率/（kg·（daN·h）^-1）
超声速巡航	16 154.4	2	5	44.48	1.357
海平面起飞	0	0.302	10	149.46	1.282

设计参数	数值
涡轮前温度/K	1 750
第1外涵分流比	1.4
第2外涵分流比	0.3
风扇压比	2.4
CDFS压比	1.37
高压压气机压比	8
发动机进口换算流量/（kg·s^-1）	480

性能参数	基准机	新发动机方案	变化率/%
超巡耗油率/（kg·（daN·h）^-1）	1.357	1.083	↓20.19
超巡推力/kN	44.48	47.05	↑5.78
起飞推力/kN	149.46	149.54	↑0.05
起飞耗油率/（kg·（daN·h）^-1）	1.282	0.715	↓44.23
起飞喷流速度/（m·s^-1）	724.5	402.3	↓44.47

Control law design for variable cycle engine considering environmental indicators

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优化目标	编号
无优化（基线）	1
常规优化（推力、耗油率）	2
常规优化+喷流噪声优化	3
常规优化+NO _x 排放优化	4
常规优化+喷流噪声、NO _x 排放优化	5

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