兼顧多狀態(tài)的核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇級與高壓壓氣機(jī)設(shè)計

李曉慶

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

變循環(huán)發(fā)動機(jī)結(jié)合一些特征部件和機(jī)構(gòu)的幾何調(diào)節(jié)，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)在不同飛行狀態(tài)下工作模式的轉(zhuǎn)換，以及熱力循環(huán)參數(shù)的調(diào)整，使發(fā)動機(jī)在整個飛行包線范圍內(nèi)都具有最佳熱力循環(huán)，獲取最佳性能[1-3]。國內(nèi)外對其開展了大量研究工作[4-8]。在眾多的變循環(huán)發(fā)動機(jī)方案中，美國GE 公司提出的帶有核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇級（Core Driven Fan Stage，CDFS）的雙涵道變循環(huán)發(fā)動機(jī)體現(xiàn)出巨大的潛力[9-10]，被認(rèn)為是實現(xiàn)多飛行狀態(tài)下良好性能變循環(huán)發(fā)動機(jī)的首選方案[11-13]。國內(nèi)對變循環(huán)發(fā)動機(jī)的研究起步較晚，在變循環(huán)核心壓縮部件的研究方面，針對CDFS 單獨部件的研究較多，針對CDFS 與高壓壓氣機(jī)匹配設(shè)計方面的研究相對較少[14-15]。

為了開展變循環(huán)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究，通常在常規(guī)發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，增加部分變循環(huán)特征部件，搭建變循環(huán)發(fā)動機(jī)技術(shù)驗證平臺[16]。

本文的CDFS 就是通過某現(xiàn)有高壓壓氣機(jī)的第1級設(shè)計修改得到的，與該多級高壓壓氣機(jī)后面級共同組成的壓縮系統(tǒng)，用于由現(xiàn)有發(fā)動機(jī)發(fā)展得到的變循環(huán)技術(shù)驗證平臺。在該壓縮系統(tǒng)中，CDFS 為單級，由進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)子、靜子3 排葉片組成，高壓壓氣機(jī)為8 級，無進(jìn)口導(dǎo)葉。在該壓縮系統(tǒng)的氣動設(shè)計中，針對設(shè)計難點提出了解決措施，總結(jié)了設(shè)計經(jīng)驗，可為今后該類變循環(huán)壓縮系統(tǒng)設(shè)計和研究工作提供參考。

1 CDFS 氣動設(shè)計

1.1 CDFS 設(shè)計點參數(shù)選取方法

CDFS 在同一轉(zhuǎn)速存在多個工作狀態(tài)，這是CDFS 的1 個重要特征，也是CDFS 與常規(guī)單級風(fēng)扇的主要差異。本文CDFS 無量綱設(shè)計指標(biāo)見表1。在1.0 轉(zhuǎn)速下有3 個工作狀態(tài)，不同狀態(tài)的設(shè)計指標(biāo)對比，流量最大相差15%，壓比最大相差10.5%。

表1 CDFS 無量綱設(shè)計指標(biāo)

常規(guī)風(fēng)扇/ 壓氣機(jī)在1.0 轉(zhuǎn)速下只有1 個工作點，因此其設(shè)計點參數(shù)基本參照該工作點指標(biāo)選取。而CDFS 在1.0 轉(zhuǎn)速下有多個工作狀態(tài)，設(shè)計點參數(shù)如何選取才能實現(xiàn)多狀態(tài)兼顧，這是CDFS 設(shè)計首先要考慮的問題。

針對上述問題，本文提出2 個方案：方案1 是以中間狀態(tài)作為設(shè)計點，通過可調(diào)導(dǎo)葉（IGV）開、關(guān)角度實現(xiàn)單涵狀態(tài)和雙涵狀態(tài)；方案2 是以單涵狀態(tài)作為設(shè)計點，通過IGV 關(guān)角度實現(xiàn)中間狀態(tài)和雙涵狀態(tài)。對2 個方案進(jìn)行2 維流場設(shè)計和3 維計算校核，得到如下結(jié)論：方案1 可以較好地兼顧多個工作狀態(tài)的效率，但打開IGV 會造成CDFS 喘振裕度明顯衰減，無法實現(xiàn)單涵狀態(tài)喘振裕度20%的指標(biāo)要求；方案2 可以較好地實現(xiàn)單涵狀態(tài)和中間狀態(tài)的指標(biāo)要求，但要實現(xiàn)雙涵狀態(tài)流量減小15%，級效率變化不超過2%，喘振裕度20%的指標(biāo)，具有一定的難度。

通過對以上2 個方案的研究，本文認(rèn)為選擇壓比較高、負(fù)荷較重的單涵狀態(tài)參數(shù)作為CDFS 設(shè)計點，更有利于實現(xiàn)CDFS 多狀態(tài)兼顧的設(shè)計需求。

1.2 可調(diào)導(dǎo)葉設(shè)計分析

以CDFS 單涵狀態(tài)作為設(shè)計點，通過IGV 關(guān)角度實現(xiàn)雙涵狀態(tài)，意味著在1.0 轉(zhuǎn)速下，需要將IGV 關(guān)20°～30°，實現(xiàn)流量15%的變化，而級效率變化不超過2%，這就對IGV 的調(diào)節(jié)能力提出了需求。

IGV 關(guān)20°以上時，由于攻角過大，會造成IGV葉背側(cè)產(chǎn)生流動分離，使轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)惡化。為了改善此現(xiàn)象，本文采用增大前緣小圓半徑的措施。將IGV 前緣小圓半徑增大1 倍后，IGV 總壓恢復(fù)系數(shù)變化見表2。從表中可見，在IGV 關(guān)7°時，修改前、后的IGV 損失相當(dāng)，在IGV 關(guān)22°和25°時，修改后的IGV損失減少。

表2 前緣修改前、后IGV 總壓恢復(fù)系數(shù)對比

另外，從IGV 關(guān)25°時的S1 流面速度分布如圖1所示；前緣增大1 倍后，IGV 表面分離有所改善，葉片出口尾跡也有所減小，如圖2 所示。

IPG PHOTONICS是IPG在中國投資建成的全資子公司，主要負(fù)責(zé)IPG光纖激光產(chǎn)品在中國地區(qū)的市場開拓、應(yīng)用研發(fā)、系統(tǒng)集成及產(chǎn)品銷售。IPG是全球最大的光纖激光研發(fā)中心，其生產(chǎn)的高效光纖激光器、光纖放大器以及拉曼激光技術(shù)均走在世界的前端，并被各國廣泛用于材料加工、測量、科研、通信及醫(yī)療等領(lǐng)域。

圖1 IGV 關(guān)25°時S1 流面速度分布

圖2 前緣增大后IGV 關(guān)25°時S1 流面速度分布

根據(jù)以上IGV 關(guān)角度時的總壓恢復(fù)系數(shù)和葉片表面流動的對比，為了兼顧C(jī)DFS 雙涵狀態(tài)的需求，可以適當(dāng)增大IGV 前緣小圓半徑。

1.3 CDFS 靜子工作環(huán)境與設(shè)計特點分析

CDFS 在不同工作狀態(tài)下，流量變化大導(dǎo)致氣動參數(shù)變化大，使CDFS 靜子的工作環(huán)境比常規(guī)壓氣機(jī)靜子的更為復(fù)雜，成為CDFS 設(shè)計中的1 個難題。在單、雙涵狀態(tài)，CDFS 靜子進(jìn)口氣流角的徑向分布如圖3 所示。從圖中可見，與單涵狀態(tài)相比，雙涵狀態(tài)靜子葉尖進(jìn)口氣流角減小6°，造成靜子在較大的正攻角下工作。因此，CDFS 靜子設(shè)計應(yīng)兼顧考慮CDFS 多個工作狀態(tài)，并且需要具有較寬的攻角范圍。

圖3 單、雙涵狀態(tài)CDFS靜子進(jìn)口氣流角

針對以上特點，本文在進(jìn)行CDFS 靜子S2 流場設(shè)計時，首先保證在單涵設(shè)計狀態(tài)下，靜子擴(kuò)散因子和氣流轉(zhuǎn)折角等表征壓氣機(jī)氣動負(fù)荷的參數(shù)均控制在常規(guī)設(shè)計的經(jīng)驗范圍內(nèi)，然后通過3 維程序進(jìn)行其它工作狀態(tài)的校核計算，再以多工作狀態(tài)兼顧為目標(biāo)進(jìn)行S2 流場的設(shè)計參數(shù)調(diào)整。在葉型設(shè)計方面，為了適應(yīng)雙外涵狀態(tài)靜子攻角增大的問題，對靜子采用偏負(fù)的攻角設(shè)計，尤其是葉中以上的部分，更是采用較大的負(fù)攻角設(shè)計。

2 CDFS、前涵道引射器、高壓壓氣機(jī)氣動一體化設(shè)計

2.1 壓縮系統(tǒng)氣動布局特點

壓縮系統(tǒng)氣動布局借鑒YF120 發(fā)動機(jī)，取消了高壓壓氣機(jī)進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)向器，保留了CDFS 靜子，如圖4 所示。這種氣動布局的優(yōu)勢在于可以縮短軸向長度，降低葉片數(shù)，有效減輕質(zhì)量，并在YF120 發(fā)動機(jī)上有了成功應(yīng)用的先例；難點在于CDFS 靜子應(yīng)同時具備為CDFS 轉(zhuǎn)子整流和高壓壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)流2 種功能，CDFS 出口氣流角對高壓壓氣機(jī)的工作狀態(tài)有較大影響，CDFS 與高壓壓氣機(jī)之間的氣動耦合更加明顯，匹配更加復(fù)雜。

圖4 YF120 發(fā)動機(jī)氣動布局[17]

在該壓縮系統(tǒng)中，CDFS 進(jìn)口導(dǎo)葉、CDFS 靜子、高壓壓氣機(jī)前2 級靜子及前涵道引射器面積均可調(diào)節(jié)。

2.2 構(gòu)建CDFS、高壓壓氣機(jī)、前涵道共同的S2流場

2 維流場設(shè)計構(gòu)建了壓氣機(jī)內(nèi)部流動的基本框架，是壓氣機(jī)氣動設(shè)計的基礎(chǔ)。對于本文的壓縮系統(tǒng)，CDFS 靜子能否在較好地實現(xiàn)自身氣流偏轉(zhuǎn)的同時，又給下游高壓壓氣機(jī)提供合理預(yù)旋，CDFS 與高壓壓氣機(jī)之間的2 級涵道內(nèi)的氣動參數(shù)是怎樣的、是否會發(fā)生堵塞，CDFS 出口絕對氣流角是否等于高壓壓氣機(jī)進(jìn)口絕對氣流角，這些問題都是在S2 流場設(shè)計階段應(yīng)考慮和著手解決的問題。因此，本文針對這種新的氣動布局和流動特點，構(gòu)建了CDFS＋后8 級＋前涵道的聯(lián)合S2 流場，將CDFS 與前涵道、高壓壓氣機(jī)之間的匹配要素，以及變循環(huán)所需考慮的相關(guān)參數(shù)從S2 流場設(shè)計階段就計入，避免CDFS 與高壓壓氣機(jī)單獨設(shè)計帶來的技術(shù)風(fēng)險。

2.3 CDFS 靜子調(diào)節(jié)規(guī)律設(shè)計

CDFS 在設(shè)計轉(zhuǎn)速不同工作狀態(tài)以及在中低轉(zhuǎn)速時，其靜子調(diào)節(jié)角度既要與轉(zhuǎn)子出口氣流角匹配來滿足自身喘振裕度需求，又要考慮高壓壓氣機(jī)的負(fù)荷能力和流量需求。例如，CDFS 在雙涵狀態(tài)時，流量減小15%，此時CDFS 靜子在正攻角下工作，很難實現(xiàn)20%的喘振裕度，為了提高其喘振裕度，可以適當(dāng)關(guān)小CDFS 靜子角度，減小CDFS 靜子進(jìn)口攻角；但CDFS 靜子角度關(guān)得過大，會導(dǎo)致高壓的負(fù)荷增加，擴(kuò)散因子增大，并且高壓流量減小，達(dá)不到預(yù)計要求。可見，變循環(huán)給壓縮系統(tǒng)葉片角度調(diào)節(jié)規(guī)律造成了更為復(fù)雜的情況。本文采用CDFS 與高壓壓氣機(jī)聯(lián)算，以及S2 流場設(shè)計和3維計算迭代優(yōu)化的設(shè)計方法，進(jìn)行壓縮系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律設(shè)計。

為了提高CDFS 雙涵狀態(tài)的喘振裕度，本文采取CDFS 靜子關(guān)4°調(diào)節(jié)，此時，CDFS 喘振裕度提高了5.3%，如圖5 所示，高壓流量也滿足匹配需求，但為了實現(xiàn)同樣的壓比，高壓負(fù)荷增加，高壓進(jìn)口級靜子擴(kuò)散因子增大了0.1，如圖6 所示。

通常認(rèn)為壓氣機(jī)靜子擴(kuò)散因子不應(yīng)高于0.6，雖然增大后的擴(kuò)散因子并沒有超出該經(jīng)驗范圍，但擴(kuò)散因子的顯著增大會導(dǎo)致設(shè)計風(fēng)險增加。另外，本文的高壓壓氣機(jī)是通過對現(xiàn)有高壓壓氣機(jī)進(jìn)口級進(jìn)行適應(yīng)性修改得到的，為了不影響原有匹配，應(yīng)盡量避免設(shè)計參數(shù)產(chǎn)生較大的變化。因此，為了削弱角度調(diào)節(jié)帶來的高壓進(jìn)口級擴(kuò)散因子增大，本文采取將高壓進(jìn)口級（2 級）靜子關(guān)2°，3 級靜子關(guān)1°的調(diào)節(jié)方式，此時高壓各級擴(kuò)散因子變化如圖7 所示。

圖5 靜子關(guān)4°對CDFS雙涵性能的影響

圖6 高壓進(jìn)口級（2 級）靜子擴(kuò)散因子的變化

圖7 高壓各排葉片擴(kuò)散因子對比

從圖中可見，通過該種調(diào)節(jié)方式，逐級削弱了CDFS 靜子關(guān)4°帶來的高壓進(jìn)口級負(fù)荷增加，實現(xiàn)了各級擴(kuò)散因子的增幅都控制在0.02 以內(nèi)。

3 CDFS、前涵道引射器和高壓壓氣機(jī)聯(lián)合試驗驗證

為了獲取CDFS 和高壓壓氣機(jī)氣動性能，探索前涵道引射器調(diào)節(jié)規(guī)律，搭建了CDFS、前涵道引射器和高壓壓氣機(jī)聯(lián)合試驗平臺，并在國內(nèi)率先完成了該類聯(lián)合壓縮部件的試驗驗證。在該試驗中，分別錄取了CDFS 和高壓壓氣機(jī)的性能。3 個典型工況的試驗性能見表3、4。

試驗結(jié)果表明：CDFS 實現(xiàn)了多工況條件下的性能兼顧，在同一轉(zhuǎn)速下的流量調(diào)節(jié)范圍達(dá)到15%，實現(xiàn)了預(yù)計的涵道比調(diào)節(jié)范圍，CDFS 與高壓壓氣機(jī)匹配良好，滿足總體方案技術(shù)指標(biāo)的要求。

表3 CDFS 無量綱試驗性能與設(shè)計指標(biāo)對比

表4 高壓壓氣機(jī)無量綱試驗性能與設(shè)計指標(biāo)對比

4 結(jié)論

本文介紹了變循環(huán)發(fā)動機(jī)壓縮系統(tǒng)的設(shè)計特點和難點，為了實現(xiàn)設(shè)計指標(biāo)采取了相關(guān)措施，通過數(shù)值模擬和試驗驗證了設(shè)計結(jié)果，得到如下結(jié)論：

（1）CDFS 設(shè)計應(yīng)選擇壓比和負(fù)荷較高的工作狀態(tài)參數(shù)作為設(shè)計點，更有利于實現(xiàn)CDFS 多狀態(tài)兼顧；

（2）采用增大前緣小圓半徑的措施，可以改善IGV關(guān)角度時的葉背側(cè)流動分離，減少流動損失；

（3）CDFS 靜子設(shè)計應(yīng)以多狀態(tài)兼顧為目標(biāo)進(jìn)行S2 流場參數(shù)調(diào)整，葉型盡量采用負(fù)攻角設(shè)計，尤其是葉中以上部分；

（4）構(gòu)建CDFS 與前涵道、高壓壓氣機(jī)共同的S2流場，更有利于匹配設(shè)計，回避單獨設(shè)計帶來的技術(shù)風(fēng)險；

（5）CDFS 靜子調(diào)節(jié)規(guī)律應(yīng)兼顧C(jī)DFS 與高壓壓氣機(jī)的需求，合理調(diào)節(jié)規(guī)律設(shè)計可以提升CDFS 喘振裕度，實現(xiàn)較好的上下游匹配關(guān)系。