摘 要：核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)（CDFS）是實(shí)現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)這一問(wèn)題設(shè)計(jì)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(duì)CDFS進(jìn)行網(wǎng)格劃分和仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)子后增加靜子會(huì)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(duì)無(wú)靜子方案提高4.4個(gè)百分點(diǎn)，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(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)；變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；穩(wěn)定裕度；優(yōu)化匹配

中圖分類號(hào)：TP391.9" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：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(dòng)機(jī)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(jī)在擁有高機(jī)動(dòng)性的同時(shí)還擁有較大航程和續(xù)航時(shí)間，是先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)動(dòng)力的必然發(fā)展方向。核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)（CDFS）作為其實(shí)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(guó)外對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究起步較早，美國(guó)NASA等相關(guān)部門于1970年開(kāi)始超聲速巡航飛機(jī)計(jì)劃的研究［1］，并初步確定了GE21這一雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。NASA Lewis研究中心于1979年對(duì)雙外涵變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇系統(tǒng)開(kāi)展設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究［2-3］，將風(fēng)扇級(jí)劃分為前風(fēng)扇和CDFS，并通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉角度，在達(dá)到寬涵道變化效果的同時(shí)保證了部件的高效率［4］。

近幾年，國(guó)內(nèi)在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的CDFS方面也開(kāi)展了相應(yīng)研究，文獻(xiàn)［5］將前段風(fēng)扇與CDFS進(jìn)行了聯(lián)合匹配計(jì)算，得到了風(fēng)扇外涵道背壓變化下的CDFS的壓比特性。文獻(xiàn)［6］分析了CDFS徑向非均勻的參數(shù)對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的影響。文獻(xiàn)［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(duì)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(jì)，在兼顧葉片性能與部件匹配方面還需進(jìn)一步的探索。本文對(duì)CDFS在不同工況下的氣動(dòng)特性開(kāi)展仿真分析，并針對(duì)CDFS在單涵道模式與雙涵道模式中轉(zhuǎn)子后方流動(dòng)差異較大的問(wèn)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(shí)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(xiàn)［5］中的CDFS模型開(kāi)展數(shù)值仿真計(jì)算。如圖1所示，CDFS由進(jìn)口導(dǎo)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(guò)CDFS旁路與外涵道混合，另一股流入高壓壓氣機(jī)。

CDFS在變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中主要有兩種工作狀態(tài)，分別是超聲速巡航時(shí)的單涵道模式（渦噴）和亞聲速巡航時(shí)的雙涵道模式（渦扇）。兩種狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇級(jí)工況如表1所示。

1.2 計(jì)算設(shè)置及驗(yàn)證

使用NUMECA中的AutoGrid5軟件包對(duì)CDFS進(jìn)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(jì)算采用全二階精度差分格式，進(jìn)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(gè)葉片通道為計(jì)算域，生成的部分網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

如圖3所示，對(duì)比了采用NUMECA軟件對(duì)CDFS設(shè)計(jì)點(diǎn)仿真計(jì)算的結(jié)果與文獻(xiàn)［5］中相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，計(jì)算值與試驗(yàn)值趨勢(shì)基本一致，在壓比相同時(shí)仿真結(jié)果的流量較試驗(yàn)值總體偏高約4%。這主要是由于進(jìn)口邊界條件不同，計(jì)算結(jié)果的進(jìn)口邊界設(shè)置為均勻來(lái)流，而試驗(yàn)的進(jìn)口氣流來(lái)源于前段風(fēng)扇的出口。本文主要開(kāi)展的是規(guī)律性的研究，著重分析計(jì)算結(jié)果的相對(duì)差別，因此該誤差在可接受的范圍內(nèi)?？傮w而言計(jì)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(kāi)展。

2 CDFS寬涵變化的氣動(dòng)特性分析

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

如圖4所示，對(duì)比了兩種工作模式下轉(zhuǎn)子90%葉高截面的相對(duì)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(dòng)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(dòng)，未形成明顯激波，但轉(zhuǎn)子受負(fù)攻角影響，在吸力面發(fā)生了明顯的流動(dòng)分離，CDFS效率下降了4.2%（0.829），且給轉(zhuǎn)子處的流動(dòng)穩(wěn)定性也帶來(lái)不利影響，此時(shí)其穩(wěn)定裕度僅為13.3%，不能滿足常規(guī)壓氣機(jī)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(dòng)性能差異對(duì)轉(zhuǎn)子出口流場(chǎng)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(lái)越大，90%葉高處氣流角相差超過(guò)26°，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)切換工作模式時(shí)，下游的高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉攻角過(guò)大。針對(duì)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(wèn)題，優(yōu)化CDFS與下游部件的匹配，同時(shí)提高CDFS的穩(wěn)定裕度。

3 CDFS轉(zhuǎn)子下游靜葉方案對(duì)比

3.1 靜子葉片設(shè)計(jì)

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(duì)靜子開(kāi)展葉片設(shè)計(jì)，擬設(shè)計(jì)兩種靜子方案。第一種靜子采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，幾何進(jìn)口角設(shè)計(jì)基于雙涵道模式，幾何出口角為軸向，此時(shí)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(jìn)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(dòng)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(dòng)分離。小彎角靜子削弱了流動(dòng)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(jìn)口導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)子組合，形成兩種CDFS靜子方案，并依此開(kāi)展仿真計(jì)算。圖6為CDFS轉(zhuǎn)子下游新增靜子示意圖。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖7所示為兩種靜子的總壓恢復(fù)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(fù)系數(shù)較低，結(jié)合圖8（e）與圖8（g）可知，受負(fù)攻角影響，常規(guī)靜子和小彎角靜子的吸力面從葉尖開(kāi)始發(fā)生流動(dòng)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(fù)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(wú)分離現(xiàn)象。雙涵道模式下靜子總壓恢復(fù)系數(shù)高于單涵道模式，且小彎角靜子總壓恢復(fù)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(dòng)分離現(xiàn)象，產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)與下游氣流摻混時(shí)也會(huì)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(dòng)情況優(yōu)于常規(guī)靜子方案。

圖9所示為靜子出口絕對(duì)氣流角分布對(duì)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(duì)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(diǎn)的選擇依據(jù)為：在流量與壓比均高于表1中風(fēng)扇級(jí)參數(shù)的前提下，盡可能選擇效率較高的點(diǎn)。對(duì)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(wú)靜子方案，兩種模式下小彎角靜子方案的工作點(diǎn)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(duì)較低。在穩(wěn)定裕度方面，相比無(wú)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(shí)，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(dòng)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了CDFS寬涵變化下的氣動(dòng)特性，然后針對(duì)CDFS與下游部件匹配問(wèn)題在轉(zhuǎn)子后方分別設(shè)計(jì)了常規(guī)靜子與小彎角靜子，并對(duì)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(dòng)性能差異顯著，雙涵道模式相比單涵道模式，效率相對(duì)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(guò)26°，造成下游葉片攻角較大。針對(duì)這一問(wèn)題提出在轉(zhuǎn)子后增加靜子，以增大穩(wěn)定裕度，同時(shí)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(shí)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(wú)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(gè)百分點(diǎn)，在雙涵道模式提高4.4個(gè)百分點(diǎn)，是一種性能較優(yōu)的CDFS靜子方案。

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