帶箍噴氣自驅動風扇數值模擬研究

商超群

（南京航空航天大學，江蘇 南京 210016）

1 引言

與小涵道比渦扇發動機相比，大涵道比渦扇發動機的推進效率高、經濟性好，因此被廣泛應用于民航客機和大型軍用運輸機上。涵道比是渦扇發動機的重要設計參數，對發動機的耗油率和推進效率起著至關重要的作用。近半個世紀以來，大涵道比渦扇的涵道比由最初的4～6增大至如今的10～15，耗油率也隨之從0.58～0.7 kg/(dN·h)減小至0.5～0.55 kg/(dN·h)。可以預見繼續增加涵道比仍是大涵道比渦扇發動機的發展方向。

在傳統雙軸渦扇發動機中，風扇與低壓壓氣機固連，因此風扇與低壓壓氣機轉速相同。隨著涵道比的不斷增大，風扇與低壓壓氣機的直徑差距也隨之增大，風扇與低壓壓氣機的轉速不匹配問題日益凸顯。為了解決上述問題，目前工程中提出了三軸渦扇發動機和齒輪傳動渦扇發動機，但仍有結構復雜、重量較大等問題。帶箍噴氣自驅動風扇是近年來提出的新型風扇結構，它與低壓壓氣機斷開連接，依靠噴氣驅動風扇旋轉，同時結構簡單，因此有望解決風扇與低壓壓氣機的轉速不匹配問題。

2 帶箍噴氣自驅動風扇的結構與原理

如圖1所示為帶箍噴氣自驅動風扇的結構示意圖，風扇葉片內為空腔結構，風扇葉尖處帶有一空心箍環，與葉片內的空腔相連。同時箍環內有一系列噴管，可將箍環內氣體高速噴出。帶箍噴氣自驅動風扇工作時，通過引入渦扇發動機的高壓壓氣機或渦輪處的高壓氣源，經過風扇葉片內的空腔匯集至箍環處，并通過噴管高速噴出，驅動風扇旋轉。如圖2所示為箍環內噴管射流示意圖。噴管射流的周向速度分量與風扇旋轉方向相反，利用噴管射流的反作用力矩推動風扇旋轉。通過控制引氣流量的大小，可調節噴管的驅動功率，進而調節風扇轉速，以適應渦扇發動機不同工況下對風扇轉速的不同需求。

圖1 帶箍噴氣自驅動風扇的結構示意圖

圖2 噴管射流示意圖

3 帶箍噴氣自驅動風扇數值模擬分析

3.1 計算方法

以某常規風扇為基礎，通過添加箍環和射流噴管，將其改型為帶箍噴氣自驅動風扇。該原型風扇的部分設計參數如表1所示。由于風扇流場具有周期性，因此數值模擬計算時可簡化為計算一個葉柵通道。圖3展示了原型壓氣機單通道計算域、帶箍噴氣自驅動風扇的外部流場單通道計算域和內部空腔計算域。通過ANSYS ICEM對上述計算域進行計算網格劃分，并通過ANSYS CFX求解器進行求解。計算時，風扇轉速為設計轉速；風扇進口邊界條件為標準大氣的總溫和總壓（288.15 K，101 325 Pa）；射流進口通過給定不同靜溫、靜壓和流速來調節射流功率；風扇出口邊界條件為靜壓，可通過不斷提高出口靜壓獲得風扇的性能曲線；其余壁面為絕熱壁面。

圖3 計算域示意圖

表1 風扇部分設計參數

3.2 帶箍噴氣自驅動風扇性能分析

通過數值模擬計算得到的流量-總壓比性能曲線如圖4所示。從圖中可知原型風扇和帶箍噴氣自驅動風扇的流量-總壓比性能曲線變化趨勢相近，且流量之差在0.5%以內，表明葉尖處的噴氣結構對風扇性能的影響較小，不會對風扇的性能造成惡劣影響。

圖4 流量-總壓比性能曲線

如表2所示為總壓比達到1.37時帶箍噴氣自驅動風扇的周向扭矩匹配計算結果。由于風扇在旋轉時除了受到氣動阻力外，還會受到機械阻力，因此噴管射流提供的動力扭矩預留了約5%的裕度。從表中可知，通過調節噴管射流的引氣壓力和引氣流量，可達到風扇動力扭矩和阻力扭矩平衡的效果，同時引氣總壓為2.62 Mpa，在渦扇發動機的壓氣機加壓能力以下，表明從高壓壓氣機引氣并通過噴管射流驅動風扇工作是可行的，驗證了帶箍噴氣自驅動風扇的可行性。

表2 帶箍噴氣自驅動風扇的周向扭矩匹配

3.3 帶箍噴氣自驅動風扇流場分析

如圖5、圖6所示分別為原型風扇和帶箍噴氣自驅動風扇在5%、50%和95%三個葉高截面的馬赫數云圖（僅展示兩個葉柵通道）。從圖中可觀察到在5%和50%葉高截面，原型風扇和帶箍噴氣自驅動風扇的馬赫數分布幾乎相同，表明噴管射流對風扇葉根和葉尖區域的流場影響較小。而在95%葉高截面，可明顯觀察到風扇下游處出現的射流流動，但在風扇附近的流場內，原型風扇和帶箍噴氣自驅動風扇的流場仍保持高度一致，表明射流流動對風扇流場影響較小，有利于風扇的穩定工作。

圖5 原型風扇馬赫數云圖

圖6 帶箍噴氣自驅動風扇馬赫數云圖

4 結論

文章對帶箍噴氣自驅動風扇開展了數值模擬研究，并得出了以下結論：

（1）當引起總壓為2.62MP時，風扇工作時的動力扭矩和阻力扭矩達到平衡，表明帶箍噴氣自驅動風扇具有可行性。

（2）帶箍噴氣自驅動風扇的噴管射流對風扇的氣動性能影響較小，不會對風扇的性能造成惡劣影響。

（3）帶箍噴氣自驅動風扇的流場結構與原型風扇相近，有利于風扇的穩定工作。