張?chǎng)?，劉寶杰1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽(yáng)　471009.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京　100191

核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)匹配特性分析

張?chǎng)?，*，劉寶杰2
1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽(yáng)471009
2.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191

核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)（CDFS）是雙涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（DBE）的核心部件之一。為了深入研究CDFS在雙涵道模式下的特點(diǎn)，利用CDFS匹配特性圖，結(jié)合三維數(shù)值模擬分析了DBE中CDFS的匹配特性（單涵道模式工作點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)，雙涵道模式工作點(diǎn)為匹配點(diǎn)）。結(jié)果表明，給定雙涵道模式的匹配流量和壓比時(shí)，增加匹配轉(zhuǎn)速使轉(zhuǎn)子負(fù)荷降低，靜子負(fù)荷增加，可以調(diào)整匹配轉(zhuǎn)速使CDFS性能最佳；給定雙涵道模式的匹配流量和轉(zhuǎn)速時(shí)，增加匹配壓比使轉(zhuǎn)子和靜子的負(fù)荷同時(shí)增加，匹配壓比較高時(shí)，工作點(diǎn)效率較高但裕度較低；僅給定匹配流量時(shí)，可以調(diào)整匹配轉(zhuǎn)速和壓比改變CDFS在雙涵道模式的工作特性，獲得滿足某個(gè)約束條件的最佳狀態(tài)。

雙涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)；匹配；工作特性；數(shù)值模擬

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帶有核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)（CDFS）的雙涵道變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（DBE）能夠彌補(bǔ)常規(guī)渦噴/渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高、低速性能難以兼顧，飛行包線狹窄等缺陷，是研制高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)超聲速/高超聲速推進(jìn)的主要技術(shù)途徑之一，在未來(lái)軍用和民用方面都有廣泛的應(yīng)用前景［1-2］。

CDFS的概念由GE公司提出并完成了在變循環(huán)驗(yàn)證機(jī)YJ101上的試驗(yàn)驗(yàn)證［3-5］；GE公司在此后的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)GE21上首先使用了CDFS［6-7］；第四代發(fā)動(dòng)機(jī)YF-120是DBE的典型代表，它的不加力推力達(dá)到125 k N（F119為98 k N），超過(guò)了早期的F100的加力推力，耗油率比第三代發(fā)動(dòng)機(jī)降低了30％，且低于F119；1999年，GE、普惠（PW）和艾利遜先進(jìn)技術(shù)發(fā)展公司（AADC）合作，以YF-120為基礎(chǔ)提出了RTA （Revolutionary Turbine Accelerator）-1 Ma4+和Potential RTA-2兩個(gè)帶有CDFS的高超聲速變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)概念［8］；歐盟也提出了LACAT （Long-term Advanced Propulsion Concepts and Technologies）VCE-114、LACATVCE-213和LACAT VCE-214三個(gè)帶有CDFS的高超聲速變循 環(huán)發(fā)動(dòng) 機(jī)概念［9-10］。

CDFS是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變循環(huán)的關(guān)鍵部件，它的氣動(dòng)設(shè)計(jì)與不同模式下的匹配特性也是DBE的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)變循環(huán)的研究還處于起步階段［11-15］，對(duì)CDFS的研究也剛剛開(kāi)展，存在許多問(wèn)題亟待解決。與常規(guī)的風(fēng)扇/壓氣機(jī)相比，CDFS在氣動(dòng)設(shè)計(jì)上主要存在以下兩方面難點(diǎn)：第一，受到上、下游部件的約束，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇困難，特別是存在高切線速度與低壓比的矛盾，難以獲得高效率；第二，CDFS存在兩個(gè)工作模式，其氣動(dòng)設(shè)計(jì)需要兼顧不同的工作狀態(tài)。由壓氣機(jī)設(shè)計(jì)原理可知，當(dāng)壓氣機(jī)以某一個(gè)狀態(tài)為基準(zhǔn)完成設(shè)計(jì)后，需要通過(guò)合理的匹配來(lái)保證非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的性能。因此，需要針對(duì)CDFS開(kāi)展深入的匹配特性分析，研究其在不同條件下兩個(gè)工作模式之間的關(guān)系，為氣動(dòng)設(shè)計(jì)提供更加全面的支持。

文獻(xiàn)［16］分析了CDFS氣動(dòng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與難點(diǎn)，文獻(xiàn)［17］討論了氣動(dòng)布局對(duì)CDFS關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，文獻(xiàn)［18］建立了CDFS在非設(shè)計(jì)模式下的匹配方法。本文將以某典型CDFS無(wú)量綱技術(shù)指標(biāo)為例，通過(guò)文獻(xiàn)［18］建立的方法研究CDFS在非設(shè)計(jì)模式下的匹配特性，旨在促進(jìn)CDFS的技術(shù)進(jìn)步，為工程研制提供必要的技術(shù)支持。

1　工作原理與分析方法

1.1CDFS的工作原理

帶有CDFS的DBE的工作原理如圖1所示［3］，DBE的風(fēng)扇分為前后兩段，前段風(fēng)扇由低壓渦輪驅(qū)動(dòng)，后段風(fēng)扇由高壓渦輪驅(qū)動(dòng)，稱(chēng)為核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)，它有兩種工作模式。

單涵道模式（Single Bypass Mode）：模式選擇閥門(mén)關(guān)閉，低壓風(fēng)扇出口的全部氣流進(jìn)入CDFS。CDFS出口的大部分氣流進(jìn)入高壓壓氣機(jī)，小部分進(jìn)入二級(jí)涵道（Inner Bypass），經(jīng)過(guò)可變面積涵道引射器進(jìn)入一級(jí)涵道（Outer Bypass）。此時(shí)CDFS處于高負(fù)荷狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的單位推力最高，用于飛機(jī)的加速、爬升和超聲速巡航。

雙涵道模式（Double Bypass Mode）：模式選擇閥門(mén)打開(kāi)，低壓風(fēng)扇出口的一部分氣流直接進(jìn)入一級(jí)涵道；CDFS的進(jìn)口導(dǎo)葉關(guān)閉一定角度以適應(yīng)折合流量的下降；CDFS出口少量氣流進(jìn)入二級(jí)涵道，通過(guò)可變面積涵道引射器進(jìn)入一級(jí)涵道，其余大部分進(jìn)入高壓壓氣機(jī)。此時(shí)，進(jìn)入高壓壓氣機(jī)的流量較小，CDFS負(fù)荷較低；發(fā)動(dòng)機(jī)總涵道比較大，耗油率低，噪聲小（噴氣速度低），用于飛機(jī)的起飛和亞聲速巡航。

圖1　帶有CDFS的DBE示意圖［3］Fig.1 Sketch of DBE with CDFS［3］

1.2匹配分析方法

由CDFS的工作原理可知，它具有兩個(gè)同等重要的工作狀態(tài)：?jiǎn)魏滥Ｊ胶碗p涵道模式（典型的CDFS無(wú)量綱技術(shù)指標(biāo)如表1所示）。文獻(xiàn)［18］分析了不同模式下CDFS技術(shù)指標(biāo)之間的關(guān)系，證明了當(dāng)CDFS以單涵道模式（最大狀態(tài)）為基準(zhǔn)完成設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)給定雙涵道模式下的流量、壓比和轉(zhuǎn)速會(huì)完全確定CDFS的工作狀態(tài)，不合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)會(huì)導(dǎo)致CDFS的雙涵道模式性能無(wú)法滿足要求。從合理匹配的角度出發(fā)，不能同時(shí)給定CDFS在雙涵道模式下的流量、壓比和轉(zhuǎn)速。

表1　某CDFS無(wú)量綱設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Dimensionless design objective of CDFS

本文將以CDFS的單涵道模式工作點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)、雙涵道模式工作點(diǎn)為匹配點(diǎn)，開(kāi)展CDFS的匹配特性分析。采用文獻(xiàn)［18］建立的CDFS對(duì)雙涵道模式下的匹配特性圖開(kāi)展理論分析、Denton程序進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，計(jì)算網(wǎng)格和對(duì)Denton程序的校驗(yàn)參閱文獻(xiàn)［19-20］。

CDFS在雙涵道模式下的匹配特性圖如圖2所示。有關(guān)該圖的詳細(xì)論述參閱文獻(xiàn)［17］，本文僅作簡(jiǎn)要說(shuō)明：橫坐標(biāo)mdbm/msbm為 CDFS在雙涵道模式下的相對(duì)流量，sbm代表單涵道模式，dbm代表雙涵道模式；縱坐標(biāo)πdbm/πsbm為相對(duì)壓比；不同顏色的四邊形區(qū)域代表轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角等值區(qū)；β1為轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角；四邊形的上下兩條邊和內(nèi)部與其近似平行的各曲線代表等轉(zhuǎn)速線（轉(zhuǎn)速由上至下減?。凰倪呅蔚淖笥覂蛇吅蛢?nèi)部與其近似平行的各曲線代表靜子進(jìn)口絕對(duì)氣流角等值線（由左至右減?。?；圖中點(diǎn)（1，1）代表單涵道模式設(shè)計(jì)點(diǎn)。

圖2　CDFS在雙涵道模式下的匹配特性Fig.2　Matching characteristics of CDFSin double bypass mode

2 CDFS在雙涵道模式下的匹配分析

CDFS的主要功能是調(diào)節(jié)進(jìn)入核心機(jī)的流量，因此對(duì)CDFS在雙涵道模式下的匹配分析以雙涵道模式的設(shè)計(jì)流量為基準(zhǔn)分為3個(gè)方面：給定雙涵道模式下的流量和壓比，給定雙涵道模式下的流量和轉(zhuǎn)速，僅給定雙涵道模式下的流量。

需要說(shuō)明的是，本文采用的匹配特性圖是基于平均半徑處的速度三角形，通過(guò)一維分析得到理論結(jié)果，引入了平直流道和不可壓等一系列假設(shè)，只能作為定性分析的依據(jù)，用于判斷氣動(dòng)參數(shù)的變化趨勢(shì)，各參數(shù)的變化幅度還需要參考三維數(shù)值計(jì)算的結(jié)果。

2.1給定雙涵道模式下的流量和壓比

給定雙涵道模式下的流量和壓比時(shí)，圖3顯示了CDFS在雙涵道模式下的匹配特性?？梢钥吹剑藭r(shí)CDFS的雙涵道模式工作點(diǎn)雖然在特性圖上只是一個(gè)點(diǎn)，卻可以代表不同的工作狀態(tài)。以圖3為例，它可能分別位于不同的轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角等值區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和靜子進(jìn)口絕對(duì)氣流角也各不相同，如表2所示（Case 1.1，Case 1.2，Case 1.3）。表中：m為流量；α為絕對(duì)氣流角；β為相對(duì)氣流角；π為壓比；N為轉(zhuǎn)速；Ma為馬赫數(shù)；下標(biāo)“1”代表轉(zhuǎn)子進(jìn)口截面，“2”代表靜子進(jìn)口截面，rel代表相對(duì)值，abs代表絕對(duì)值。

圖3　CDFS在雙涵道模式下的匹配分析（給定雙涵道模式下的流量與壓比）Fig.3　Matching of CDFS in double bypass mode（given double bypass mode massflow and pressure ratio）

表2 Case 1.1，Case 1.2，Case 1.3的主要?dú)鈩?dòng)參數(shù)Table 2 Aerodynamic parameters of Case 1.1，Case 1.2and Case 1.3

由表2可以看到，給定雙涵道模式下的流量和壓比時(shí)，可能存在多個(gè)滿足指標(biāo)要求的匹配狀態(tài)，對(duì)應(yīng)著不同的轉(zhuǎn)/靜子工作狀態(tài)。當(dāng)雙涵道模式的匹配轉(zhuǎn)速較低時(shí)（Case 1.1），雙涵道模式下的轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角增加了1°，靜子進(jìn)口的絕對(duì)氣流角卻減少了7°，轉(zhuǎn)子進(jìn)口的相對(duì)馬赫數(shù)較高（0.813），靜子進(jìn)口的絕對(duì)馬赫數(shù)Ma2，abs，dbm較低（0.444）。隨著匹配轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角減?。ǜ咏咏S向），相對(duì)馬赫數(shù)略有下降，靜子進(jìn)口的絕對(duì)氣流角增加，絕對(duì)馬赫數(shù)增加。表明轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)負(fù)荷減?。饬髡坜D(zhuǎn)角減?。?，靜子的氣動(dòng)負(fù)荷增加（氣流折轉(zhuǎn)角增加）。理論上存在一個(gè)理想的轉(zhuǎn)速或者轉(zhuǎn)速范圍，使轉(zhuǎn)/靜子的氣動(dòng)負(fù)荷分配均衡，攻角狀態(tài)合理，CDFS能夠獲得理想的雙涵道模式性能。

根據(jù)理論分析結(jié)果，利用Denton程序?qū)δ矯DFS在1.00，0.95，0.90，0.85和0.80相對(duì)轉(zhuǎn)速下的雙涵道模式工作特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬（給定雙涵道模式下的相對(duì)壓比為0.84，相對(duì)流量為0.795，分別對(duì)應(yīng)于Case 2.1～Case 2.5），分析了主要?dú)鈩?dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，尋找CDFS的最佳雙涵道模式。

圖4　不同匹配轉(zhuǎn)速時(shí)，CDFS雙涵道模式下轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角和靜子進(jìn)口絕對(duì)氣流角徑向分布Fig.4　Radial distribution of rotor inlet relative flow angle and stator inlet absolute flowangle at different matching speeds of CDFS in double bypass mode

圖5　不同匹配轉(zhuǎn)速時(shí)，CDFS雙涵道模式下轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)和靜子進(jìn)口絕對(duì)馬赫數(shù)徑向分布Fig.5 Radial distribution of rotor inlet relativeMach number and stator inlet absolute Mach number at different matching speeds of CDFS in double bypass mode

不同匹配轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子進(jìn)口的相對(duì)氣流角、相對(duì)馬赫數(shù)和靜子進(jìn)口絕對(duì)氣流角、絕對(duì)馬赫數(shù)的徑向分布如圖4和圖5所示?？梢钥吹?，三維數(shù)值模擬表現(xiàn)出了與理論分析相同的變化趨勢(shì)，隨著雙涵道模式的匹配轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角增加（注意，三維算例中的轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角均為負(fù)值，因此它的增加就意味著更加接近軸向，與一維分析的結(jié)論一致，后文的分析與此處類(lèi)似，不再贅述），氣流折轉(zhuǎn)角減小，相對(duì)馬赫數(shù)沿徑向的變化并不一致，難以與理論分析比較；靜子的進(jìn)口絕對(duì)氣流角增加，氣流折轉(zhuǎn)角增加，絕對(duì)馬赫數(shù)增加。帶來(lái)的整體效應(yīng)是轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)負(fù)荷降低，靜子的氣動(dòng)負(fù)荷增加。

圖6從另外一個(gè)角度更加直觀地反映了這種變化趨勢(shì)，可以看到隨著匹配轉(zhuǎn)速增加，CDFS的反力度DR下降，負(fù)荷系數(shù)Ψ下降，同樣意味著轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)負(fù)荷下降，靜子的氣動(dòng)負(fù)荷增加。

圖6　不同匹配轉(zhuǎn)速時(shí)，CDFS雙涵道模式下的反力度和負(fù)荷系數(shù)的徑向分布Fig.6　Radial distribution of degree of reaction and load coefficient for different matching speed of CDFS in double bypass mode

圖7和圖8分別顯示了不同匹配轉(zhuǎn)速時(shí)CDFS在雙涵道模式下的工作特性和整體性能。匹配轉(zhuǎn)速較高時(shí)（Case 2.1，匹配轉(zhuǎn)速為1.00），CDFS的轉(zhuǎn)子氣動(dòng)負(fù)荷較低而靜子的氣動(dòng)負(fù)荷較高（負(fù)荷系數(shù)約為0.2，反力度約為0.6），因此CDFS具有較好的壓比特性和效率ηisen特性，但整體工作裕度SM并不高。隨著匹配轉(zhuǎn)速的下降（Case 2.2和Case 2.3，匹配轉(zhuǎn)速分別為0.95和0.90），轉(zhuǎn)/靜子之間的負(fù)荷分配趨于合理，CDFS在雙涵道模式下的效率和工作裕度均顯著增加。當(dāng)匹配轉(zhuǎn)速下降至0.80時(shí)（Case 2.5），靜子中甚至出現(xiàn)了順壓梯度，意味著轉(zhuǎn)/靜子之間的負(fù)荷分布極不均勻，因此工作性能迅速衰減（工作點(diǎn)效率為0.855，工作裕度約為6％）。CDFS在雙涵道模式下存在一個(gè)理想的匹配轉(zhuǎn)速范圍，對(duì)于本文的算例，CDFS的最佳匹配轉(zhuǎn)速位于0.90～0.95之間，匹配轉(zhuǎn)速為0.95時(shí)，CDFS具有最好的效率特性。

圖7　不同匹配轉(zhuǎn)速時(shí)，CDFS雙涵道模式下的工作特性Fig.7　Operating characteristics of CDFS in double bypassmode at different matching speeds

圖8　不同匹配轉(zhuǎn)速時(shí)，CDFS雙涵道模式下的設(shè)計(jì)點(diǎn)效率和工作裕度Fig.8　Operating point efficiency and stall margin of CDFS in double bypass mode at different matching speeds

2.2給定雙涵道模式下的流量和轉(zhuǎn)速

給定流量和轉(zhuǎn)速時(shí)，圖9和表3顯示了CDFS在雙涵道模式下的匹配結(jié)果?？梢钥吹剑嬖谝幌盗胁煌钠ヅ鋲罕瓤梢詽M足要求，此時(shí)各匹配狀態(tài)的轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角/相對(duì)馬赫數(shù)、靜子進(jìn)口絕對(duì)氣流角/絕對(duì)馬赫數(shù)各不相同。

圖9　CDFS在雙涵道模式下的匹配分析（給定雙涵道模式下的流量與轉(zhuǎn)速）Fig.9　Matching of CDFS in double bypass mode（given double bypass mode massflow rate and speed）

表3 Case 3.1，Case 3.2，Case 3.3的主要?dú)鈩?dòng)參數(shù)Table 3 Aerodynamic parameters of Case 3.1，Case 3.2and Case 3.3

隨著匹配壓比的下降，理論分析的結(jié)果表明轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角減?。ǜ咏咏S向），相對(duì)馬赫數(shù)下降；靜子進(jìn)口絕對(duì)氣流角減小，絕對(duì)馬赫數(shù)略有增加。整體的效應(yīng)是轉(zhuǎn)子和靜子的氣動(dòng)負(fù)荷同時(shí)下降。從壓氣機(jī)工作特性的角度出發(fā)，這意味著壓氣機(jī)的工作點(diǎn)遠(yuǎn)離失速邊界，工作裕度增加，效率下降（給定轉(zhuǎn)速）。

圖10和圖11顯示了三維計(jì)算結(jié)果，給定CDFS在雙涵道模式下的相對(duì)流量為0.793，相對(duì)轉(zhuǎn)速為1.0。本文共計(jì)算了5個(gè)匹配壓比下的CDFS性能，分別為1.238、1.278、1.340、1.396 和1.437（單涵道模式的設(shè)計(jì)壓比為1.510），分別對(duì)應(yīng)于圖中的Case 4.1、Case 4.2、Case 4.3、Case 4.4和Case4.5。隨著匹配壓比的降低，轉(zhuǎn)子的進(jìn)口相對(duì)氣流角增加（更加接近軸向），相對(duì)馬赫數(shù)降低；靜子進(jìn)口絕對(duì)氣流角降低，絕對(duì)馬赫數(shù)的徑向分布發(fā)生改變，與理論分析的結(jié)論一致。

圖10　不同匹配壓比時(shí)，CDFS雙涵道模式下轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)氣流角和靜子進(jìn)口絕對(duì)氣流角徑向分布Fig.10　Radial distribution of rotor inlet relative flow angles and stator inlet absolute flow angle at different matching pressure ratios

圖11　不同匹配壓比時(shí)，CDFS雙涵道模式下轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)和靜子進(jìn)口絕對(duì)馬赫數(shù)徑向分布Fig.11　Radial distribution of rotor inlet relativeMach number and stator inlet absolute Mach number at different matching pressure ratios

圖12顯示了不同匹配壓比時(shí)，CDFS在雙涵道模式下的工作特性。從圖中可以明顯看到給定匹配流量和轉(zhuǎn)速，改變了匹配壓比對(duì)CDFS的雙涵道模式工作特性的影響。當(dāng)匹配壓比較高時(shí)（Case 4.5），CDFS的工作點(diǎn)必須非?？拷龠吔绮拍軡M足要求，此時(shí)的轉(zhuǎn)/靜子負(fù)荷較高，具有較高的工作點(diǎn)效率，但工作裕度小。隨著匹配壓比的降低，CDFS的工作點(diǎn)可以逐漸遠(yuǎn)離失速邊界（Case 4.2，Case 4.3），工作裕度顯著增加。當(dāng)匹配壓比降至1.238時(shí)（Case 4.1），CDFS的雙涵道模式工作點(diǎn)接近堵塞狀態(tài)，因此效率較低（見(jiàn)圖13）。

根據(jù)本節(jié)的分析，給定雙涵道模式下的流量和轉(zhuǎn)速，隨著CDFS在雙涵道模式下的匹配壓比增加，轉(zhuǎn)、靜子的攻角增加，CDFS具有更好的壓比特性和效率特性。同時(shí)CDFS的雙涵道模式工作點(diǎn)向近失速點(diǎn)移動(dòng)，設(shè)計(jì)點(diǎn)效率增加，工作裕度下降。沒(méi)有絕對(duì)最佳的雙涵道模式匹配壓比，如果設(shè)計(jì)指標(biāo)追求更高的雙涵道模式工作點(diǎn)效率，則選擇較高的匹配壓比，犧牲一定的工作裕度；如果設(shè)計(jì)要求追求更寬廣的雙涵道模式工作裕度，則選擇較低的匹配壓比，犧牲一定的工作點(diǎn)效率。存在一個(gè)壓比范圍可以使CDFS獲得均衡的雙涵道模式性能，如圖13所示。對(duì)于本文的算例，合理的匹配壓比在1.278（Case 4.2）和1.340 （Case 4.3）之間。

圖12　不同匹配壓比時(shí)，CDFS雙涵道模式下的工作特性Fig.12　Operating characteristics of CDFS in double bypass mode at different matching pressure ratios

圖13　不同匹配壓比時(shí)，CDFS雙涵道模式下的設(shè)計(jì)點(diǎn)效率和工作裕度Fig.13　Operating point efficiency and stall margin of CDFS in double bypass mode at different matching pressure ratios

2.3給定雙涵道模式下的流量

2.1和2.2節(jié)分別分析了給定雙涵道模式下的匹配流量和壓比、匹配流量和轉(zhuǎn)速時(shí)，CDFS的工作特性。本節(jié)將僅給定一個(gè)約束條件：雙涵道模式下的流量，以便在更加寬廣的轉(zhuǎn)速和壓比范圍內(nèi)尋找CDFS在雙涵道模式下合理的匹配狀態(tài)。

由2.1和2.2節(jié)的結(jié)論可知，給定CDFS在雙涵道模式下的匹配流量和壓比，增加匹配轉(zhuǎn)速會(huì)使轉(zhuǎn)子的負(fù)荷增加，靜子的負(fù)荷降低；給定匹配流量和轉(zhuǎn)速，增加匹配壓比會(huì)使轉(zhuǎn)/靜子的負(fù)荷同時(shí)增加。將二者綜合在一起，可以得到僅給定匹配流量時(shí)，CDFS在雙涵道模式下的匹配特點(diǎn)：調(diào)整匹配壓比可以改變雙涵道模式的工作點(diǎn)在特性線上的位置，整體改變CDFS的負(fù)荷水平，可以近似認(rèn)為是特性線的“平移”；調(diào)整匹配轉(zhuǎn)速更加側(cè)重于轉(zhuǎn)/靜子之間的負(fù)荷分配，可以近似認(rèn)為是特性線的“旋轉(zhuǎn)”。實(shí)際上二者均存在“平移”和“旋轉(zhuǎn)”，前者的“平移”更加明顯，后者的“旋轉(zhuǎn)”更加明顯。

本文分別計(jì)算了不同匹配轉(zhuǎn)速/壓比條件下的CDFS工作特性，取雙涵道模式下的相對(duì)匹配流量為0.79，可以得到如圖14所示的性能分布，圖中的dbm1.00，dbm0.95，dbm0.90，dbm0.85和dbm0.80分別代表不同的相對(duì)匹配轉(zhuǎn)速，沿每一根等轉(zhuǎn)速線由左至右匹配壓比依次降低，不同等轉(zhuǎn)速線上各點(diǎn)的匹配壓比如下（由左至右）：

1）dbm1.00：1.437，1.396，1.340，1.314，1.278，1.238，1.196。

2）dbm0.95：1.328，1.307，1.278，1.238，1.217。

3）dbm0.90：1.310，1.277，1.237。4）dbm0.85：1.305，1.275，1.235。5）dbm0.80：1.290，1.272，1.240。

根據(jù)圖中各等轉(zhuǎn)速線上的匹配壓比，可以得到一系列近似等壓比線。圖中用陰影區(qū)域標(biāo)出了匹配壓比分別為1.237、1.275和1.310的雙涵道模式匹配點(diǎn)。從圖中可以看出給定匹配流量時(shí)，CDFS雙涵道模式性能的變化趨勢(shì)。

圖14　不同匹配壓比和轉(zhuǎn)速時(shí)，CDFS雙涵道模式下的設(shè)計(jì)點(diǎn)效率和工作裕度Fig.14　Operating point efficiency and stall margin of CDFS in double bypass mode at different matching pressure ratios and speeds

匹配壓比較高時(shí)，CDFS更容易獲得較高的工作點(diǎn)效率，但工作裕度較低（匹配壓比為1.310）；當(dāng)匹配壓比較低時(shí)（匹配壓比為1.237），CDFS的雙涵道模式工作點(diǎn)效率較低，而工作裕度更加寬廣。

匹配轉(zhuǎn)速較高時(shí)（相對(duì)轉(zhuǎn)速為1.0），CDFS的反力度較低，轉(zhuǎn)子的攻角小，氣動(dòng)負(fù)荷較低；靜子進(jìn)口絕對(duì)氣流角較高，氣動(dòng)負(fù)荷較重，限制了CDFS在雙涵道模式下的工作裕度。適當(dāng)降低匹配轉(zhuǎn)速（例如相對(duì)匹配轉(zhuǎn)速分別為0.95和0.90），可以增加反力度，使轉(zhuǎn)、靜子的負(fù)荷分配和攻角狀態(tài)更加合理，因此工作裕度和效率相對(duì)較高。匹配轉(zhuǎn)速較低時(shí)（相對(duì)匹配轉(zhuǎn)速為0.80），轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)負(fù)荷較高，成為制約CDFS工作裕度的主要因素，此時(shí)CDFS在雙涵道模式下的工作裕度較低；同時(shí)由于轉(zhuǎn)、靜子的攻角更加遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)狀態(tài)，CDFS的雙涵道模式工作點(diǎn)效率較低。

根據(jù)以上分析，如果僅給定CDFS在雙涵道模式下的匹配流量，沒(méi)有絕對(duì)的最佳匹配狀態(tài)，而是存在一系列各具特點(diǎn)的工作狀態(tài)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇。如果給定CDFS的雙涵道模式效率指標(biāo)為0.86，可以找到一個(gè)最佳雙涵道模式，使其工作裕度最大，對(duì)于本文的算例，這個(gè)工作狀態(tài)的匹配壓比為1.237，匹配轉(zhuǎn)速為0.90相對(duì)轉(zhuǎn)速，工作裕度超過(guò)30％；如果要求CDFS雙涵道模式的工作點(diǎn)效率達(dá)到0.88，此時(shí)最佳狀態(tài)的匹配壓比約為1.310，相對(duì)匹配轉(zhuǎn)速為0.95，工作裕度約為22％。

3結(jié)論

1）給定雙涵道模式的匹配流量和壓比時(shí)，增加匹配轉(zhuǎn)速使轉(zhuǎn)子氣動(dòng)負(fù)荷降低，靜子氣動(dòng)負(fù)荷增加，特性線發(fā)生“旋轉(zhuǎn)”，存在一個(gè)合理的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)速范圍，使CDFS獲得良好的雙涵道模式性能。

2）給定雙涵道模式的匹配流量和轉(zhuǎn)速時(shí)，增加匹配壓比使轉(zhuǎn)/靜子的氣動(dòng)負(fù)荷、工作點(diǎn)靠近失速邊界，特性線發(fā)生“平移”，匹配壓比較高時(shí)，工作點(diǎn)效率較高，但工作裕度較低。

3）僅給定雙涵道模式的匹配流量時(shí)，沒(méi)有絕對(duì)最佳的匹配狀態(tài)，可以調(diào)整匹配轉(zhuǎn)速和壓比來(lái)改變CDFS在雙涵道模式的工作特性，獲得滿足某個(gè)約束條件的最佳狀態(tài)。

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張?chǎng)文?，博士，工程師。主要研究方向：壓氣機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。

Tel：0379-63385424
E-mail：zhangxin19833713@163.com

劉寶杰男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：壓氣機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)。
E-mail：liubj@buaa.edu.cn

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20150330.1500.001.html

Matching characteristics of core driven fan stage

ZHANG Xin1，*，LlU Baojie2
1.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China
2.School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China

The matching characteristics of the core driven fan stage（CDFS）in a double bypass engine（DBE）have been investigated with CDFS matching map and numerical simulation（taking the single bypass mode operating point as the design point and the double bypass mode operating mode as the matching point）.The results show that given the matching massflow rate and pressure ratio in the double bypass mode，the aerodynamic load decreases for the rotor and increases for the stator.The best CDFS performance can be reached at a proper matching speed.For a given matching massflow rate and speed in the double bypass mode，both the aerodynamic loads of the rotor and stator can be increased by increasing matching pressure ratio，which in turn increase the efficiency and decrease the stall margin.lf only the matching massflow rate is given，excellent performance can be reached by adjusting the matching speed and pressure ratio under a certain constraint.

double bypass engine；core driven fan stage；matching；operating characteristics；numerical simulation

2015-01-16；Revised：2015-02-01；Ac cepted：2015-03-03；Published online：2015-03-30 14：59

.Tel.：0379-63385424 E-mail：zhangxin19833713@163.com

V235.13

A

1000-6893（2015）09-2850-09

10.7527/S1000-6893.2015.0060

2015-01-16；退修日期：2015-02-01；錄用日期：2015-03-03；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-03-3014：59

網(wǎng)絡(luò)出版地址：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20150330.1500.001.html

.Tel.：0379-63385424 E-mail：zhangxin19833713@163.com

引用格式：Zhang X，Liu B J.Matching characteristics of core driven fan stage［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2015，36（9）：2850-2858.張?chǎng)?，劉寶?核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)匹配特性分析［J］.航空學(xué)報(bào)，2015，36（9）：2850-2858.