組合循環(huán)發(fā)動機軸對稱環(huán)形可調(diào)噴管方案研究

張留歡,王 君，馬 元,南向誼,張蒙正

(西安航天動力研究所,陜西 西安 710100)

0 引言

組合循環(huán)發(fā)動機在寬范圍飛行包線內(nèi)均能保持較高的工作性能，其在航天運載、高速導彈以及飛機領(lǐng)域具有巨大的潛在技術(shù)優(yōu)勢和廣泛的應用方向[1]。SIMITAR[2]，SABRE[3-4]及PATR[5]等組合循環(huán)發(fā)動機是目前國內(nèi)外動力系統(tǒng)研究方向的熱點，其多采用軸對稱雙流道噴管構(gòu)型。由于上述發(fā)動機工作馬赫數(shù)范圍較寬(Ma0～5)，在寬馬赫數(shù)范圍內(nèi)要滿足發(fā)動機流量、推力等需求，噴管有必要進行調(diào)節(jié)。

關(guān)于可調(diào)噴管，國內(nèi)外開展了大量研究，多分為機械或氣動調(diào)節(jié)。Takayuki Kojima等[6-7]設計了預冷渦噴發(fā)動機噴管調(diào)節(jié)方案，其主要采用喉部凸塊方式對喉部面積進行調(diào)節(jié)；徐驚雷等[8-11]開展了二元噴管調(diào)節(jié)方案設計及試驗，其主要采用調(diào)節(jié)唇板等部件改變噴管流道截面積；琚春光等[12-13]采用二次流體噴射的方法實現(xiàn)火箭發(fā)動機塞式噴管推力矢量控制；額日其太等[14]采用喉道注氣實現(xiàn)軸對稱噴管面積膨脹比調(diào)節(jié)，提高了噴管推力性能。本文研究對象為類似SABRE等組合循環(huán)發(fā)動機外涵流道噴管，其為軸對稱環(huán)形構(gòu)型，與上述噴管構(gòu)型存在明顯不同。如何在保證發(fā)動機流道匹配的同時降低軸對稱噴管調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的復雜性，存在較大挑戰(zhàn)性。

本文針對軸對稱環(huán)形收擴噴管基本構(gòu)型，結(jié)合外涵流道噴管工作參數(shù)，提出了一種調(diào)節(jié)簡便的外涵環(huán)形變幾何噴管方案，開展了不同工況的三維流場仿真，并與固定噴管、無擴張段的可調(diào)噴管等進行了對比，可為后續(xù)可調(diào)噴管方案設計提供參考。

1 環(huán)形噴管可調(diào)方案

組合循環(huán)發(fā)動機外涵環(huán)形噴管工作過程中，通過驅(qū)動機構(gòu)將作用力施加在沖壓流道噴管外壁，使其沿軸向前后移動，進而改變外壁與噴管內(nèi)壁之間的最小截面積(即喉道截面積)，調(diào)整噴管擴張段面積膨脹比(出口與喉部在垂直于來流方向投影面積之比Ae/At)，實現(xiàn)上游燃燒室熱力、流量參數(shù)的準確匹配，同時適應噴管落壓比的變化。此方案噴管型面固定不變，避免了軸對稱噴管采用調(diào)節(jié)片導致的結(jié)構(gòu)復雜問題。圖1給出了組合循環(huán)發(fā)動機可調(diào)噴管對稱面視圖。

圖1 可調(diào)噴管半對稱面示意圖Fig.1 Sketch of half symmetry plane of adjustable nozzle

本文研究的可調(diào)噴管工作馬赫數(shù)范圍為2～5，以Ma3.5飛行工況為設計點(兼顧高、低工況)，主要采用二次曲線設計了外涵流道噴管型面(外壁擴張段為直線)，如圖1所示。噴管軸向長度為1 000 mm，外涵流道入口環(huán)高149 mm，內(nèi)涵流道噴管出口半徑350 mm。外涵流道噴管在不同工況下喉部需求面積及外壁平移距離(以內(nèi)壁型線頂點為原點)如表1所示，可見喉部面積變比接近3。其中Ma2平移后噴管內(nèi)、外壁出口截面在豎直方向平齊，噴管為全封閉狀態(tài)，其余工況噴管為半封閉狀態(tài)(外壁軸向長度小于內(nèi)壁)。

本文提出的噴管調(diào)節(jié)方案僅對喉部面積進行調(diào)節(jié)，固定為Ma3.5工況對應出口面積，因此，實際調(diào)節(jié)后的面積比在Ma3.5工況以上相對理想值偏低，在Ma3.5工況以下則偏高，如表1所示。

表1 可調(diào)噴管調(diào)節(jié)參數(shù)

2 仿真計算

2.1 計算模型及方法

根據(jù)上述噴管結(jié)構(gòu)尺寸及外壁平移量建立了外涵流道可調(diào)噴管計算模型。利用商用網(wǎng)格生成軟件ICEM進行噴管三維模型網(wǎng)格劃分。其中，噴管入口設為壓力入口，噴管出口遠場邊界為壓力遠場，遠場出口為壓力出口[15]。同時對噴管壁面附近進行了網(wǎng)格加密，整個模型網(wǎng)格量約80萬。計算模型中忽略了內(nèi)涵流道，認為內(nèi)涵噴管出口氣流完全膨脹且速度方向與飛行速度方向一致。圖2給出了Ma3.5工況對應的可調(diào)噴管三維計算模型及邊界條件。

基于FLUENT軟件進行Ma2，2.5，3，3.5，4，4.5及5飛行工況條件下沖壓流道可調(diào)噴管三維流場數(shù)值計算。計算采用有限體積法，求解方法為基于密度的隱式求解法，采用Sutherland公式計算分子粘性系數(shù)，壁面取絕熱無滑移和固體邊界條件，壁面附近采用標準壁面函數(shù)處理，湍流模型采用RNG(Re-Normalization Group)k-ε模型[16]。計算過程中監(jiān)測流量、動量、能量等殘差數(shù)量級降至10-3以下，認為迭代達到收斂。

圖2 可調(diào)噴管計算模型及邊界條件(Ma3.5)Fig.2 Calculation model and boundary condition of adjustable nozzle for Ma 3.5

2.2 可調(diào)噴管計算結(jié)果

圖3給出了Ma2～5飛行工況下外涵流道可調(diào)噴管對稱面(一半)流場馬赫數(shù)云圖。圖3中顯示，Ma2工況收縮段流道先收后擴再收，噴管入口亞聲

速氣流在收縮段經(jīng)歷了加速-減速-加速過程，在喉部達到聲速。由于出口面積大于理想膨脹對應的出口面積，噴管出口氣流呈過膨脹狀態(tài)，在出口上、下邊界產(chǎn)生斜激波，波后馬赫數(shù)降低；Ma2.5噴管出口氣流過膨脹程度減弱，上、下邊界出口斜激波角度減小；Ma3，3.5及4工況噴管出口面積接近理想膨脹面積，噴管下邊界出口激波消失。噴管上邊界出口氣流沿壁面方向繼續(xù)向外膨脹，壓力低于環(huán)境壓力，且由于內(nèi)外流相互作用導致自由流邊界兩側(cè)壓力較環(huán)境壓力升高，使得在上邊界出口外產(chǎn)生一道斜激波。斜激波位于噴管外側(cè)，對噴管內(nèi)流場影響較小；Ma4.5和Ma5工況出口面積較理想膨脹面積偏小，噴管出口截面氣流靜壓高于環(huán)境壓力，氣流在出口繼續(xù)向外膨脹，但由于內(nèi)外流相互作用導致自由流邊界兩側(cè)壓力升高，使得兩工況出口外同樣產(chǎn)生了斜激波。斜激波前后Ma差別較小(<2.8%)，強度較弱。

圖3 可調(diào)噴管對稱面馬赫數(shù)云圖(一半)Fig.3 Mach number contour of half symmetry plane for the adjustable nozzle

2.3 固定噴管

以Ma3.5工況對應的噴管為固定結(jié)構(gòu)，對不同工況的噴管流場進行了數(shù)值計算，噴管對稱面(一半)流場馬赫數(shù)云圖如圖4所示。圖4中顯示Ma2工況下，噴管實際面積比(4.67)較理想面積比(1.56)差別較大，噴管氣流處于嚴重過膨脹狀態(tài)。內(nèi)壁由于逆壓梯度的影響產(chǎn)生了流動分離，且分離現(xiàn)象持續(xù)到噴管出口。斜激波位于噴管內(nèi)部，這嚴重影響噴管推力性能；Ma2.5和3工況噴管內(nèi)壁氣流

分離程度逐漸減弱，其中Ma3工況僅在內(nèi)壁出口存在小區(qū)域的分離；Ma4，4.5及5工況噴管出口截面氣流處于欠膨脹狀態(tài)。出口外氣流沿流動方向繼續(xù)膨脹，與自由流邊界相互作用產(chǎn)生斜激波，強度較弱。綜合以上，對于固定噴管來說，Ma3.5以上工況流場結(jié)構(gòu)基本良好，但Ma3.5以下工況尤其是Ma2流場結(jié)構(gòu)惡化，影響噴管氣動性能。

固定噴管喉部面積保持設計點數(shù)值不變，在相同來流總溫、總壓條件下，其非設計點的氣流質(zhì)量流量無法匹配發(fā)動機需求。可調(diào)噴管由于可調(diào)節(jié)噴管喉部面積，其流量可做到與發(fā)動機上游流量準確匹配，保證發(fā)動機總體性能。表2給出了不同工況下固定噴管與可調(diào)噴管的氣流流量。表2中顯示，采用固定噴管，其流量相對可調(diào)噴管最大偏差約50.6%。如此，若不考慮流量系數(shù)變化，通過相同流量氣流時，固定噴管入口總壓將最大偏差約50.6%，難以匹配發(fā)動機需求。

圖4 固定噴管對稱面馬赫數(shù)云圖(一半)Fig.4 Mach number contour of half symmetry plane for the fixed nozzle

飛行馬赫數(shù)/Ma可調(diào)噴管流量/(kg·s-1)固定噴管流量/(kg·s-1)217.28.52.516.810.6318.214.13.517.517.5414.819.24.514.119.2511.816.5

2.4 無擴張段噴管計算結(jié)果

基于前文提出的環(huán)形收擴可調(diào)噴管方案，本文同時計算了外壁無擴張段構(gòu)型可調(diào)噴管的三維流場。圖5給出了不同飛行工況下外壁無擴張段的噴

管對稱面(一半)流場馬赫云圖。圖5中顯示，不同工況下噴管喉道前流場參數(shù)與帶擴張段可調(diào)噴管參數(shù)一致。噴管氣流在噴管喉部達到聲速，之后核心氣流沿內(nèi)壁繼續(xù)膨脹加速，上邊界喉道出口高壓氣流由于無固壁約束，向噴管外側(cè)膨脹。不過由于內(nèi)外流相互作用導致自由流邊界附近靜壓升高，使得噴管上邊界出口外部氣流受到壓縮。相較帶擴張段可調(diào)噴管的過膨脹狀態(tài)，無擴張段噴管流場無明顯激波結(jié)構(gòu)，如Ma2工況，適應環(huán)境壓力能力較強；相較帶擴張段可調(diào)噴管的欠膨脹狀態(tài)，無擴張段噴管出口流場上側(cè)高壓氣流向環(huán)境自由發(fā)散膨脹，如Ma5工況，而這部分原本可用于轉(zhuǎn)化為噴管軸向推進功的氣流動能直接耗散，未被利用。

圖5 無擴張段可調(diào)噴管對稱面馬赫數(shù)云圖(一半)Fig.5 Mach number contour of half symmetry plane for the nozzle without divergent part

3 性能分析

根據(jù)流場計算結(jié)果，對可調(diào)噴管、固定噴管及無擴張段噴管的推力系數(shù)Cfx[9]進行了計算，結(jié)果見圖6所示。圖6中顯示，隨著飛行馬赫數(shù)升高，可調(diào)噴管推力系數(shù)由Ma2工況的0.93逐漸升高，并在Ma3工況后保持在0.97附近。其中，在Ma3.5工況達到最高，約為0.974；固定噴管推力系數(shù)由Ma2工況的0.71先升高后下降，在Ma3.5工況達到最高；無擴張段噴管推力系數(shù)則由Ma2工況的0.949逐漸降低至Ma5工況對應的0.84。圖7給出了不同型式的噴管在不同工況下對應的理想面積比和實際面積比。可以看到，除在Ma2工況無擴張段噴管面積比更接近理想面積比，其余工況可調(diào)噴管實際面積比均較其他型式噴管更接近理想面積比。

對比圖6和圖7，噴管的推力系數(shù)大小直接受噴

管理想面積比與實際面積比之差影響。噴管實際面積比與理想面積比差距越大，噴管的推力系數(shù)越小。其中，Ma2工況下無擴張段噴管面積比更接近理想面積比，故其推力系數(shù)(0.949)大于可調(diào)噴管(0.93)。其余工況可調(diào)噴管的推力系數(shù)均較其他型式噴管高。

本文提出的環(huán)形可調(diào)噴管方案在Ma2～5對應工況條件下，推力系數(shù)均大于0.93，Ma3.5工況達到最高約0.974；相同工況下，可調(diào)噴管較固定噴管推力系數(shù)提高最高約31%，較無擴張段噴管推力系數(shù)提高最高約14.6%。

圖6 不同工況、型式噴管推力系數(shù)Fig.6 Thrust coefficients of different nozzles under different conditions

圖7 不同工況、型式噴管面積比Fig.7 Area ratio of different nozzles under different conditions

4 結(jié)論

針對組合循環(huán)發(fā)動機提出了一種外涵流道環(huán)形可調(diào)噴管方案，開展了特定工況下噴管三維流場數(shù)值仿真，與固定噴管、無擴張段噴管進行了對比，獲得以下結(jié)論：

1)通過環(huán)形噴管特定型面外壁沿軸向前后移動，可實現(xiàn)噴管喉部面積、面積膨脹比的連續(xù)調(diào)節(jié)，有效提高噴管推力性能；在Ma2～5典型工況下，可調(diào)噴管推力系數(shù)均大于0.93，最高約0.974。

2)固定噴管在非設計點無法匹配發(fā)動機需求，可調(diào)噴管由于可調(diào)節(jié)噴管喉部面積，其流量可做到與發(fā)動機上游流量準確匹配。采用固定噴管，其流量相對可調(diào)噴管最大偏差可達50.6%。

3)環(huán)形可調(diào)噴管推力系數(shù)總體高于固定噴管和無擴張段噴管。相同工況下可調(diào)噴管較固定噴管推力系數(shù)提高最高約31%，較無擴張段噴管推力系數(shù)提高最高約14.6%。

本文提出的環(huán)形可調(diào)噴管方案可行，推力性能較優(yōu)，可供后續(xù)吸氣式發(fā)動機變幾何排氣系統(tǒng)設計參考。