核心機驅(qū)動風扇級氣動特性及靜子方案研究

摘 要：核心機驅(qū)動風扇級（CDFS）是實現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動機寬涵道比調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部件之一，其在不同工作模式下出口氣流角差異較大，造成CDFS與下游部件匹配困難。針對這一問題設(shè)計在CDFS轉(zhuǎn)子后增設(shè)一排小彎角靜子葉片的方案，優(yōu)化CDFS與下游部件的匹配效果。使用NUMECA中的AutoGrid5軟件包對CDFS進行網(wǎng)格劃分和仿真計算。計算結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)子后增加靜子會降低CDFS的效率，但能提高CDFS的穩(wěn)定裕度，雙涵道模式下小彎角靜子方案的穩(wěn)定裕度相對無靜子方案提高4.4個百分點，且壓比、效率均高于常規(guī)靜子方案，是一種性能較優(yōu)的CDFS靜子方案。

關(guān)鍵詞：核心機驅(qū)動風扇級；變循環(huán)發(fā)動機；穩(wěn)定裕度；優(yōu)化匹配

中圖分類號：TP391.9" 文獻標志碼：B" 文章編號：1671-5276（2024）05-0113-05

Reserch on Aerodynamic Features of Core Driven Fan Stage and Stator Scheme

Abstract：As core driven fan stage （CDFS） is one of the key components to realize the width and bypass ratio regulation of variable cycle engine， its outlet flow angle varies greatly under different working modes， making it difficult to match CDFS with downstream components. To solve this problem， a row of small Angle stator is designed to add behind the CDFS rotor to optimize the matching effect between CDFS and downstream components. The calculation results show that the addition of stator scheme behind the rotor will reduce the efficiency of CDFS， but can improve the stability margin of CDFS. The stability margin of the small angle stator scheme under the double bypass mode is 4.4 per cent higher than that of the scheme without stator scheme， and the pressure ratio and efficiency are higher than the conventional stator scheme： a CDFS stator scheme with better performance.

Keywords：core driven fan stage；variable cycle engine；stability margin；optimized matching

0 引言

變循環(huán)發(fā)動機兼顧了亞聲速飛行的低油耗與超聲速飛行的高單位推力需求，可以使戰(zhàn)斗機在擁有高機動性的同時還擁有較大航程和續(xù)航時間，是先進戰(zhàn)機動力的必然發(fā)展方向。核心機驅(qū)動風扇級（CDFS）作為其實現(xiàn)寬涵道調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部件之一，受到了高度重視。

國外對變循環(huán)發(fā)動機研究起步較早，美國NASA等相關(guān)部門于1970年開始超聲速巡航飛機計劃的研究［1］，并初步確定了GE21這一雙外涵變循環(huán)發(fā)動機的基本結(jié)構(gòu)。NASA Lewis研究中心于1979年對雙外涵變循環(huán)發(fā)動機風扇系統(tǒng)開展設(shè)計與試驗研究［2-3］，將風扇級劃分為前風扇和CDFS，并通過調(diào)節(jié)進口導葉角度，在達到寬涵道變化效果的同時保證了部件的高效率［4］。

近幾年，國內(nèi)在變循環(huán)發(fā)動機的CDFS方面也開展了相應研究，文獻［5］將前段風扇與CDFS進行了聯(lián)合匹配計算，得到了風扇外涵道背壓變化下的CDFS的壓比特性。文獻［6］分析了CDFS徑向非均勻的參數(shù)對變循環(huán)發(fā)動機整機性能的影響。文獻［7］中使用彎曲靜子葉片消除低能流在靜子根部的堆積從而改善了CDFS的性能。

目前針對CDFS的研究主要集中于部件穩(wěn)態(tài)性能及常規(guī)葉型設(shè)計，在兼顧葉片性能與部件匹配方面還需進一步的探索。本文對CDFS在不同工況下的氣動特性開展仿真分析，并針對CDFS在單涵道模式與雙涵道模式中轉(zhuǎn)子后方流動差異較大的問題，為CDFS在轉(zhuǎn)子后增設(shè)靜子葉片，以優(yōu)化與下游部件的匹配，同時提高CDFS的穩(wěn)定裕度。

1 物理模型及數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

本文基于文獻［5］中的CDFS模型開展數(shù)值仿真計算。如圖1所示，CDFS由進口導葉、轉(zhuǎn)子與CDFS旁路構(gòu)成，下游的分流環(huán)將氣流分為兩股，一股通過CDFS旁路與外涵道混合，另一股流入高壓壓氣機。

CDFS在變循環(huán)發(fā)動機中主要有兩種工作狀態(tài)，分別是超聲速巡航時的單涵道模式（渦噴）和亞聲速巡航時的雙涵道模式（渦扇）。兩種狀態(tài)所對應的風扇級工況如表1所示。

1.2 計算設(shè)置及驗證

使用NUMECA中的AutoGrid5軟件包對CDFS進行網(wǎng)格劃分，采用O4H結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，湍流模型選擇S-A模型。第一層網(wǎng)格高度ywall設(shè)置為0.002mm，以保證y+在1～10?？刂品匠滩捎萌SNavier-Stokes方程，計算采用全二階精度差分格式，進口邊界條件給定總溫總壓，出口邊界條件給定徑向平衡的靜壓。選取單個葉片通道為計算域，生成的部分網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

如圖3所示，對比了采用NUMECA軟件對CDFS設(shè)計點仿真計算的結(jié)果與文獻［5］中相應的試驗結(jié)果?？梢钥闯?，計算值與試驗值趨勢基本一致，在壓比相同時仿真結(jié)果的流量較試驗值總體偏高約4%。這主要是由于進口邊界條件不同，計算結(jié)果的進口邊界設(shè)置為均勻來流，而試驗的進口氣流來源于前段風扇的出口。本文主要開展的是規(guī)律性的研究，著重分析計算結(jié)果的相對差別，因此該誤差在可接受的范圍內(nèi)?？傮w而言計算方法較為可靠，其結(jié)果可以作為本文的研究依據(jù)，本文后續(xù)研究所涉及的仿真工作均照此方法開展。

2 CDFS寬涵變化的氣動特性分析

CDFS主要依靠調(diào)節(jié)進口導葉的角度實現(xiàn)單/雙涵道工作模式的切換，此時導葉角度變化達40°、流量減小29.2%（表1），其氣動特性存在較大差異。

如圖4所示，對比了兩種工作模式下轉(zhuǎn)子90%葉高截面的相對馬赫數(shù)分布。在單涵道模式下，CDFS流量較大，流速較高，葉片通道內(nèi)雖然存在激波，但流動情況良好，CDFS效率為0.865，穩(wěn)定裕度為19.8%。在雙涵道模式下，CDFS流量較小，通道內(nèi)為亞聲速流動，未形成明顯激波，但轉(zhuǎn)子受負攻角影響，在吸力面發(fā)生了明顯的流動分離，CDFS效率下降了4.2%（0.829），且給轉(zhuǎn)子處的流動穩(wěn)定性也帶來不利影響，此時其穩(wěn)定裕度僅為13.3%，不能滿足常規(guī)壓氣機穩(wěn)定裕度不小于15%的要求。CDFS性能參數(shù)如表2所示。

CDFS在兩種工作模式下的氣動性能差異對轉(zhuǎn)子出口流場影響也十分明顯，圖5所示為兩種工作模式轉(zhuǎn)子出口氣流角的徑向分布。隨著葉高增大，轉(zhuǎn)子出口氣流角差距越來越大，90%葉高處氣流角相差超過26°，這使得發(fā)動機切換工作模式時，下游的高壓壓氣機進口導葉攻角過大。針對這一情況，采用在轉(zhuǎn)子后增加一排靜子的方案，調(diào)整CDFS出口氣流角，改善工作模式切換引發(fā)的下游部件攻角問題，優(yōu)化CDFS與下游部件的匹配，同時提高CDFS的穩(wěn)定裕度。

3 CDFS轉(zhuǎn)子下游靜葉方案對比

3.1 靜子葉片設(shè)計

由于CDFS單/雙涵道模式的轉(zhuǎn)子出口氣流角相差較大，后方的靜子需承受較大的攻角，在此前提下對靜子開展葉片設(shè)計，擬設(shè)計兩種靜子方案。第一種靜子采用常規(guī)設(shè)計方法，幾何進口角設(shè)計基于雙涵道模式，幾何出口角為軸向，此時該靜子葉型彎角為44°～56°（葉根至葉尖）；第二種靜子葉型彎角較小，幾何進口角同樣基于雙涵道模式，出口角在保證靜子不發(fā)生流動分離的前提下，盡可能偏向軸向，得到小彎角靜子的葉型彎角為13°～22°（葉根至葉尖），出口氣流角為30°～35°。常規(guī)靜子可以將氣流轉(zhuǎn)為軸向，但較大的氣流轉(zhuǎn)角使靜子葉片后方易發(fā)生流動分離。小彎角靜子削弱了流動分離的影響，提高了靜子的性能。將常規(guī)靜子與小彎角靜子分別與CDFS進口導葉和轉(zhuǎn)子組合，形成兩種CDFS靜子方案，并依此開展仿真計算。圖6為CDFS轉(zhuǎn)子下游新增靜子示意圖。

3.2 計算結(jié)果分析

圖7所示為兩種靜子的總壓恢復系數(shù)沿葉高分布。單涵道模式下，靜子在90%葉高附近總壓恢復系數(shù)較低，結(jié)合圖8（e）與圖8（g）可知，受負攻角影響，常規(guī)靜子和小彎角靜子的吸力面從葉尖開始發(fā)生流動分離，造成了較大總壓損失。常規(guī)靜子在葉中部分總壓恢復系數(shù)較高，在葉根處性能較差，可以看到圖8（c）中常規(guī)靜子葉背處有明顯分離，而圖8（a） 中小彎角靜子無分離現(xiàn)象。雙涵道模式下靜子總壓恢復系數(shù)高于單涵道模式，且小彎角靜子總壓恢復系數(shù)略高于常規(guī)靜子，從圖8（d）與圖8（h）中可以看出，常規(guī)靜子在吸力面發(fā)生了明顯流動分離現(xiàn)象，產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)與下游氣流摻混時也會造成一定的損失，而小彎角靜子未出現(xiàn)明顯分離?？傮w而言，小彎角靜子方案的流動情況優(yōu)于常規(guī)靜子方案。

圖9所示為靜子出口絕對氣流角分布對比。小彎角靜子出口氣流角在兩種模式下最大相差3°，平均出口氣流角約35°，常規(guī)靜子在兩種模式下最大相差5°，平均出口氣流角約6°。常規(guī)靜子出口氣流角接近軸向，但小彎角靜子出口均勻性相對更好。兩種靜子均減小了不同工作模式下出口氣流角度差，能起到優(yōu)化與下游部件匹配的作用。

圖10—圖13為各方案特性圖，圖中各方案在不同模式下參考點的選擇依據(jù)為：在流量與壓比均高于表1中風扇級參數(shù)的前提下，盡可能選擇效率較高的點。對比4組特性圖，可以看出增加靜子后CDFS在相同流量下壓比與效率均有所下降，但穩(wěn)定裕度上升。相比無靜子方案，兩種模式下小彎角靜子方案的工作點效率平均下降約4.2%，常規(guī)靜子方案平均下降約7.2%，常規(guī)靜子方案的壓比也相對較低。在穩(wěn)定裕度方面，相比無靜子方案，單涵道模式小彎角靜子方案將穩(wěn)定裕度從19.8%提升至23.8%，雙涵道模式小彎角靜子方案將穩(wěn)定裕度從13.3%提升至17.7%，可以看出，小彎角靜子方案在優(yōu)化與下游部件匹配的同時，壓比與效率下降較小，且穩(wěn)定裕度更高。因此小彎角靜子方案是一種性能更優(yōu)的CDFS氣動方案。

4 結(jié)語

本文分析了CDFS寬涵變化下的氣動特性，然后針對CDFS與下游部件匹配問題在轉(zhuǎn)子后方分別設(shè)計了常規(guī)靜子與小彎角靜子，并對比了各靜子方案，最終得到了以下結(jié)論。

1）CDFS的單涵道模式與雙涵道模式氣動性能差異顯著，雙涵道模式相比單涵道模式，效率相對下降4.2%，穩(wěn)定裕度下降6.5%，且兩種模式下轉(zhuǎn)子后氣流角相差較大，在葉尖處最大相差超過26°，造成下游葉片攻角較大。針對這一問題提出在轉(zhuǎn)子后增加靜子，以增大穩(wěn)定裕度，同時調(diào)整CDFS出口氣流角，優(yōu)化與下游部件的匹配。

2）在CDFS轉(zhuǎn)子后增加靜子減小了兩種工作模式下CDFS出口氣流角度差，有利于CDFS與下游部件的匹配，同時改善了CDFS的穩(wěn)定裕度。但效率與壓比均有所降低。

3）小彎角靜子方案的效率、壓比以及穩(wěn)定裕度均高于常規(guī)靜子方案，相比無靜子方案，小彎角靜子方案將CDFS的穩(wěn)定裕度在單涵道模式下提高4個百分點，在雙涵道模式提高4.4個百分點，是一種性能較優(yōu)的CDFS靜子方案。

參考文獻：

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