變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后涵道引射器調(diào)節(jié)工況的數(shù)值研究

竇健，吳瓊

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(variable cycle engine，VCE)通過幾何可變部件的調(diào)節(jié)使發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比、推力系數(shù)、耗油率等在較大范圍內(nèi)變化，使發(fā)動(dòng)機(jī)既能以大推力、超聲速巡航能力的渦噴模式工作，也可以滿足飛行任務(wù)所需的低耗油率亞聲速巡航要求，從而滿足多需求的飛行任務(wù)，被認(rèn)為是先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的理想動(dòng)力裝置之一[1]。

后可變面積涵道引射器(rear variable area bypass injector，RVABI)是雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)特且重要的結(jié)構(gòu)之一[2-5]。常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)混合器由于庫塔條件約束而固定了核心流量和涵道流量的大小，而RVABI通過面積可變，解除了核心流和涵道流之間由庫塔條件帶來的耦合。同時(shí)當(dāng)其與低壓渦輪可變噴嘴等其他變循環(huán)特征結(jié)合起來時(shí)，可以獨(dú)立地控制高低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)VCE極大的靈活性。

近幾年，國內(nèi)在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)涵道引射器方面也展開了相應(yīng)的研究。如文獻(xiàn)[6-7]通過建立變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能程序或者利用已有程序就RVABI對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性影響、發(fā)動(dòng)機(jī)性能等方面進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[8]建立了計(jì)算FVABI和RVABI涵道總壓損失的二維模型?？傊畬?duì)RVABI性能的研究還停留在性能仿真計(jì)算，尚未對(duì)RVABI的三維工作過程、前后部件流動(dòng)相容等深層規(guī)律開展研究。

本文在文獻(xiàn)[9]所設(shè)計(jì)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后涵道引射器的基礎(chǔ)上，首先通過變面積的計(jì)算方法對(duì)后涵道引射器其他關(guān)鍵工況進(jìn)行計(jì)算，獲取典型的寬工作范圍內(nèi)的性能參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)建立后涵道引射器的工作特性圖；之后，通過對(duì)雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后涵道引射器工作模態(tài)的分析，建立后涵道引射器與前后相鄰部件的匹配方法，并對(duì)前、后涵道引射器匹配特性進(jìn)行了研究。

1 計(jì)算模型與數(shù)值方法

1.1 可變面積方案的選擇

根據(jù)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后涵道引射器調(diào)節(jié)方案的不同，可以將常見的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后涵道引射器面積調(diào)節(jié)方案分為平移式與轉(zhuǎn)動(dòng)式兩大類。通過對(duì)文獻(xiàn)[10-13]中兩種不同類后涵道引射器的變面積調(diào)節(jié)方案歸納與分析，平移式調(diào)節(jié)方案不僅能夠使引射器的面積可調(diào)，還可以實(shí)現(xiàn)引射器混合室平行進(jìn)氣的功能，平行進(jìn)氣能夠使兩股流混合時(shí)摻混損失降低。但為了能夠通過后涵道引射器可變部位的平移使引射器面積發(fā)生變化，需要“特殊”構(gòu)型的閥體，這種構(gòu)型的型面使流道橫截面積發(fā)生突變?cè)斐奢^大的局部氣動(dòng)損失，不利于高氣動(dòng)性能的后涵道引射器設(shè)計(jì)。而旋轉(zhuǎn)式后涵道引射器面積可調(diào)節(jié)的方案避免了由于流道橫截面積突變?cè)斐傻妮^大局部氣動(dòng)損失的缺點(diǎn)，有利于高氣動(dòng)性能后可變面積涵道引射器的設(shè)計(jì)，所以本文采用旋轉(zhuǎn)式后涵道引射器面積可變的調(diào)節(jié)方案。

圖1為本文所采用的后涵道引射器面積調(diào)節(jié)方案示意圖。圖中1為引射器可動(dòng)部件，即后涵道引射器的引射器，在設(shè)計(jì)中按照要求將引射器沿周向分為n瓣；2為鉸鏈，將引射器與中介機(jī)匣3相連接。混合器1可繞鉸鏈2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變后涵道引射器混合室外、內(nèi)涵氣流的進(jìn)口面積比，即A18/A8的大小，從而實(shí)現(xiàn)后涵道引射器面積的調(diào)節(jié)。

1—混合器；2—鉸鏈；3—中介機(jī)匣。圖1 RVABI結(jié)構(gòu)示意圖

為了獲得RVABI的調(diào)節(jié)狀態(tài)特性及相應(yīng)的流場特征，利用CFD方法對(duì)RVABI的三維流場進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算假設(shè)在后涵道引射器面積變化的過程中，可調(diào)引射器各瓣之間沒有氣流通過，且引射器與中介機(jī)匣之間沒有空隙。在此假設(shè)條件下，對(duì)不同A18/A8的后涵道引射器進(jìn)行計(jì)算，調(diào)節(jié)狀態(tài)計(jì)算時(shí)，面積比(A18/A8)的具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 后涵道引射器A18/A8

1.2 網(wǎng)格及邊界條件

數(shù)值計(jì)算方法與邊界條件的設(shè)置與文獻(xiàn)[9]后涵道引射器設(shè)計(jì)工況下的計(jì)算類似。由于調(diào)節(jié)狀態(tài)計(jì)算過程中后涵道引射器混合室的外、內(nèi)涵面積比發(fā)生變化，所以計(jì)算網(wǎng)格發(fā)生了變化，圖2給出了不同A18/A8的后涵道引射器對(duì)稱剖面的引射器附近的網(wǎng)格，計(jì)算所用的三維網(wǎng)格由各自的對(duì)稱剖面二維網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)60°生成。

圖2 不同A18/A8的后涵道引射器混合室進(jìn)口處網(wǎng)格示意圖

采用文獻(xiàn)[9]中的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。表2列出了后涵道引射器在關(guān)鍵工況點(diǎn)下的工作條件，其中Pei、Tei分別表示后涵道引射器內(nèi)涵進(jìn)口的靜壓和總溫，i可取1、2、3、4，表示不同的工況點(diǎn)。

表2 后涵道引射器關(guān)鍵工況點(diǎn)工作條件

2 后涵道引射器工作特性

后涵道引射器工作，是在已知風(fēng)扇外涵進(jìn)口和低壓渦輪內(nèi)涵進(jìn)口總壓或者總壓比的情況下，通過調(diào)節(jié)A18/A8，協(xié)同前涵道引射器面積的調(diào)節(jié)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比發(fā)生變化。這種調(diào)節(jié)是主動(dòng)的，意欲通過主動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工作模式都具有最優(yōu)的關(guān)鍵性能，即合理匹配發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率和推力與飛機(jī)飛行任務(wù)的關(guān)系。由此可見，用于完成多任務(wù)的航空推進(jìn)系統(tǒng)在不同種類任務(wù)階段轉(zhuǎn)換時(shí)，后涵道引射器需要調(diào)節(jié)A18/A8的大小，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作模式之間的轉(zhuǎn)化。為了確保全工作范圍內(nèi)在涵道比變化的同時(shí)，后涵道引射器均具有良好的氣動(dòng)熱力性能，需要掌握后涵道引射器的工作特性。

后涵道引射器的工作特性參數(shù)通過對(duì)雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵工況點(diǎn)計(jì)算獲得，工作特性圖以后涵道引射器外涵進(jìn)口面積與內(nèi)涵進(jìn)口面積之比A18/A8為自變量，內(nèi)、外涵總壓比π為參變量，總壓恢復(fù)系數(shù)、涵道比B、出口截面馬赫數(shù)Maout以及后涵道引射器外涵進(jìn)口壓力Pb作為目標(biāo)變量建立后涵道引射器工作特性圖。后涵道引射器的工作特性圖如圖3、圖4所示。

圖3 后涵道引射器工作特性——總體性能

圖4 后涵道引射器工作特性——外涵出口壓力

3 后涵道引射器匹配特性研究

3.1 后涵道引射器匹配方案的建立

圖5為變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)F120的不同工作模式示意圖，它演示了雙外涵不加力變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的示例，可用于闡明后涵道引射器與前涵道引射器共同工作及該發(fā)動(dòng)機(jī)變循環(huán)調(diào)節(jié)的情況。

1—模式選擇閥門；2—前涵道引射器；3—后涵道引射器；4—后涵道引射器出口；5—支板；6—低壓渦輪出口；7—后涵道引射器進(jìn)口；8—CDFS出口；9—CDFS進(jìn)口；10—風(fēng)扇出口。圖5 雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流動(dòng)示意圖

通過對(duì)雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)單、雙外涵工作模型的分析可以得到后涵道引射器與前后部件的匹配關(guān)系為：1) 在發(fā)動(dòng)機(jī)雙外涵模式和單外涵模式下，后涵道引射器通過改變引射器開度調(diào)節(jié)涵道流壓力為前涵道引射器提供可靠的通流條件。例如雙外涵工作模式下，前涵道引射器開度較小時(shí)，為了通流需要降低涵道下游壓力，這時(shí)需要增大后涵道引射器開度。2) 當(dāng)模式選擇閥門完全打開，前涵道引射器開度較小時(shí)，后涵道引射器的調(diào)節(jié)會(huì)對(duì)后風(fēng)扇工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。例如通過增大后引射器開度來增大流量，從而減小風(fēng)扇溢流阻力。3) 對(duì)于安裝有加力燃燒室的，為了保證加力燃燒室的正常工作，加力燃燒室進(jìn)口氣流馬赫數(shù)應(yīng)當(dāng)<0.3。

由此可知，后涵道引射器與前涵道引射器的匹配關(guān)系為匹配前涵道引射器工作條件的涵道壓力特性。

3.2 前、后涵道引射器匹配特性研究

與前涵道引射器的匹配主要為靜壓匹配。圖6給出了4個(gè)工況點(diǎn)下后涵道引射器外涵進(jìn)口截面的平均靜壓特性。另外以與圖例相同顏色的經(jīng)緯線確定了在該工況下前涵道引射器所需要的出口靜壓值及其對(duì)應(yīng)的后涵道引射器開度大小。如工況2下，前涵道引射器所需的外涵出口靜壓比約為1.05。按此需求值可知，當(dāng)后涵道引射器面積比在0.26時(shí)，后涵道引射器的外涵進(jìn)口靜壓比為1.05。表明在所研究的后涵道引射器面積變化范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)所需的前涵道引射器出口靜壓條件，其余各工況也是如此。由此表明了在本文研究的寬涵道比范圍內(nèi)，后涵道引射器與前涵道引射器靜壓特性匹配良好。

圖6 前、后涵道引射器靜壓匹配關(guān)系

4 結(jié)語

本文利用CFD技術(shù)對(duì)4個(gè)不同工況點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算獲得了后涵道引射器工作特性圖，之后通過對(duì)雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工作模型的分析建立了后涵道引射器匹配方案，并對(duì)本文所研究的后涵道引射器匹配特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，前后涵道引射器匹配特性良好。