間冷回熱渦扇發(fā)動機大涵道比風扇技術

關朝斌，曹志鵬，安利平，王靖宇（.中國燃氣渦輪研究院，成都60500；.中航空天發(fā)動機研究院有限公司，北京0304）

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間冷回熱渦扇發(fā)動機大涵道比風扇技術

關朝斌1，曹志鵬1，安利平1，王靖宇2
（1.中國燃氣渦輪研究院，成都610500；2.中航空天發(fā)動機研究院有限公司，北京101304）

摘要：為支持間冷回熱循環(huán)渦扇發(fā)動機技術研究，開展了一臺涵道比為16.6的大涵道比風扇的氣動設計，獲得了較高的效率和穩(wěn)定工作裕度，并對風扇根部流道彎曲形式、轉靜連接流道形式、轉子造型技術和內涵靜子周向彎曲形式進行了研究。結果表明，采用的轉子根部反曲率流道、轉靜連接流道、寬弦-正攻角設計轉子葉片、根部反彎設計內涵靜子，能有效支持氣動方案設計，改善大涵道比風扇氣動設計中效率低、內涵裕度不足等問題。

關鍵詞：航空發(fā)動機；間冷回熱循環(huán)；大涵道比；氣動設計；彎曲靜子

bowed stator

1　引言

隨著航空公司對飛行經濟性要求的不斷提高，航空燃氣渦輪發(fā)動機經歷了單軸渦噴、雙軸渦噴、小涵道比渦扇到大涵道比渦扇的發(fā)展歷程，且現(xiàn)代大型民航客機幾乎無一例外地采用大涵道比渦扇發(fā)動機作為動力［1］。現(xiàn)役主要民航客機發(fā)動機的涵道比均大于4，且有不斷增大的趨勢，較新型發(fā)動機的涵道比已達到9一級，即將投入使用的航空發(fā)動機的涵道比將達到10，未來有可能達到12或更高。除前述常規(guī)大涵道比渦扇發(fā)動機外，一些新概念發(fā)動機，如間冷回熱循環(huán)發(fā)動機要求風扇具有更大的涵道比。已有研究對間冷回熱循環(huán)發(fā)動機熱力循環(huán)的分析結果表明，間冷回熱循環(huán)發(fā)動機選取比常規(guī)渦扇發(fā)動機更大的涵道比，更有利于降低發(fā)動機耗油率，以及間冷器與回熱器占發(fā)動機的比重，因此更大的涵道比是未來航空發(fā)動機的一大發(fā)展趨勢［2～4］。

國外在大涵道風扇的設計上具有很高的技術成熟度，早在上世紀90年代，P&W、Avio和MTU就合作運行了涵道比達14的先進有涵槳扇驗證機［4］。國內在大涵道比風扇的研制上與國外存在很大差距。上世紀90年代中期，我國通過對俄合作，完成了涵道比5.45的風扇/增壓級縮尺試驗件設計及試驗工作，為我國大涵道比風扇的研制積累了一定經驗［5］；但隨著涵道比的增加，風扇存在著外涵效率低、內涵裕度不足等問題［6］。

在上述兩種背景下，本文通過分析提出了間冷回熱渦扇發(fā)動機大涵道比風扇氣動設計的難點，開展了大涵道比風扇（涵道比16.6）的氣動設計；通過三維數(shù)值模擬手段，采取優(yōu)化流道設計、風扇轉子葉片設計和內涵靜子葉片設計等措施，改善了大涵道比風扇外涵效率低和內涵裕度不足問題。

2　大涵道比風扇氣動設計

2.1設計難點分析

雖然不斷增大發(fā)動機涵道比是未來民用航空發(fā)動機的一個發(fā)展趨勢，但目前公開資料中尚未見到涵道比達16一級的風扇。隨著涵道比的增大，風扇氣動設計中將面臨如下問題：

（1）風扇尖部高速低負荷與風扇根部低速高負荷的矛盾愈加突出，使得風扇外涵難以獲得高效率、內涵難以獲得大裕度。

（2）內涵徑向高度占風扇總徑向高度的比例越來越小（如當涵道比為16.6時，風扇出口內涵高度h僅占風扇出口總高度H的9.75%），當該比例小到一定程度時，風扇內涵靜子葉片將大部分處于風扇根部的邊界層區(qū)域和角區(qū)引起的二次流區(qū)域中（如圖1和圖2所示），使得實際工作時內涵進口條件與設計點偏離較大，效率和裕度難以保證。

圖1　大涵道比風扇內涵高度示意圖Fig.1 Sketch of inner duct in high bypass ratio fan

圖2　轉子尾緣后軸向面（擬S3流面）馬赫數(shù)等值線圖（由出口向進口看，左為壓力面，右為吸力面；下同）Fig.2 Contours of Mach number on the axial surface （S3 surface）after the rotor trailing edge

（3）內涵流量問題。鑒于葉輪機械內部存在固有的二次流動（如圖2中的角區(qū)分離流），且近壁面處尤為突出，加之風扇根部的大葉型厚度，隨著涵道比的增大，內涵進口條件越來越惡劣，使用常規(guī)設計手段難以保證內涵流量。盡管大涵道比風扇中內涵流量占進口流量的比例較小，但隨著內涵工作點在等轉速工作線上的移動，風扇轉子根部流量即使發(fā)生很小的變化也會對內涵流動造成較大影響，從而降低增壓級或高壓壓氣機的穩(wěn)定工作裕度。

2.2流道設計

為研究流道形式對大涵道比風扇內涵流場的影響，開展了不同流道形式設計方案Case 1～Case 4的對比研究，如圖3所示。Case 1的根部為反曲率流道，Case 2為直線流道，Case 3為正曲率流道，Case 4 與Case 1之間轉子出口與內涵靜子連接流道不同，Case 4內涵流道與前段流道的連接更加光順。

2.3風扇轉子葉片設計

參照圖1，定義內、外涵尖部切線速度比rav為：

圖3　不同流道形式設計方案Fig.3 Comparision of cases with different flow path

式中：lvA、lvB分別代表風扇在A處與B處的切線速度，RA、RB分別代表風扇在A處與B處的半徑高度。

本文大涵道比風扇中，內、外涵尖部切線速度比僅為0.358，但尖部實現(xiàn)壓比為1.52，內涵實現(xiàn)壓比為1.44，相差很小，故在風扇設計中需兼顧內涵裕度和外涵效率。另外，由于高氣動負荷，葉片根部葉型具有較大的彎度，為實現(xiàn)相應的氣流轉折角和滿足大轉子的強度要求，風扇根部的稠度和葉片厚度會較大，這樣將造成根部堵塞，為此往往需采用正攻角設計［5］。

從氣動方面考慮，寬弦葉片有利于提高風扇穩(wěn)定工作裕度，轉子葉片的適當彎掠有利于提高轉子效率；從結構強度方面考慮，轉子葉片長且尖部切線速度高，會給葉片根部強度設計帶來非常大的挑戰(zhàn)。故本文采用寬弦、大厚度葉片（圖4），以利于在結構設計中采用空心葉片結構，提高葉片、轉子強度。

圖4　大涵道比風扇轉子葉片實體模型Fig.4 Rotor blade entity of high bypass ratio fan

2.4內涵靜子葉片設計

為保證內涵裕度，除2.3節(jié)所述方案外，還針對大涵道比內涵的流動特點采用了彎曲靜子葉片技術。

在大涵道比風扇內涵靜子葉片設計中，采用彎曲葉片能較好地控制內涵靜子根部的分離流動，該技術已越來越多地應用到風扇/壓氣機設計中。為探索葉片彎曲形式對大涵道比風扇內涵靜子流動的影響，針對三種彎曲形式的內涵靜子開展三維數(shù)值計算，并對每種彎曲形式對流動的影響進行分析。三種彎曲形式的靜子葉片如圖5所示，Case 5為直線積疊，Case 6為根部正彎，Case 7為根部反彎。

圖5　內涵靜子積疊線和葉片實體模型Fig.5 Different stacking lines and blade entity model of inner duct stator

3　三維計算與分析

3.1三維計算方法

三維計算采用由北京航空航天大學和中國燃氣渦輪研究院聯(lián)合開發(fā)、專用于葉輪機械定常和非定常流場計算的三維CFD計算程序——MAP程序，該程序已在中國燃氣渦輪研究院多臺風扇/壓氣機的三維計算中使用并經試驗校核。對于流場控制方程組及湍流模型方程，采用單元中心的有限體積方法進行空間離散。對流通量采用LDFSS格式求解，并利用MUSCL插值加限制器的方法在獲得高階精度的同時，保證計算格式的TVD性質。擴散通量采用傳統(tǒng)的中心差分格式。對于時間離散，定常流動的求解采用一階Euler后差隱式格式；非定常流動的求解采用虛擬時間步方法，即物理時間導數(shù)采用Crank-Nicolson隱式格式，虛擬時間導數(shù)采用一階Euler后差隱式格式。時間離散后的代數(shù)方程組，采用不需要儲存左端系數(shù)矩陣的隱式Gauss-Seidel迭代方法求解［7］。

三維計算網格如圖6所示，網格在臨近端壁和葉片表面加密，網格總數(shù)1 376 856。

圖6　三維計算網格示意圖Fig.6 3D computation grid

3.2轉子根部流道形式對內涵靜子進口流場的影響

對圖3（a）所示三種不同轉子根部流道的轉子出口擬S3流面的馬赫數(shù)進行數(shù)值模擬，結果見圖7。可見，Case 3轉子根部與葉片尾緣近吸力面?zhèn)瘸霈F(xiàn)了角區(qū)分離，而Case 1和Case 2轉子出口流動良好。圖8所示為與圖7相同面上的流線對比圖，圖中Case 1～Case 3在轉子根部約30%葉高內均存在明顯的徑向流動；但Case 1和Case 2相比，Case 1中流線分布更均勻有序；Case 3與Case 1、Case 2相比，除轉子根部的不良流動外，還在轉子根部與葉片尾緣近吸力面?zhèn)瘸霈F(xiàn)了由角區(qū)分離導致的軸向渦，說明Case 3形式的流道在轉子根部容易形成不良流動。從圖2、圖7和圖8中可以看出，Case 3中轉子根部的角區(qū)分離幾乎占據整個內涵高度，這對內涵流動極為不利，設計中應避免。從圖8中還可看出，轉子根部徑向流動的高度范圍已超過內涵高度，這對內涵流動不利。盡管不能消除，但在設計中應盡量減弱這種徑向流動。相比其他兩個方案，Case 1形式的流道使得轉子出口的流場更加均勻，為內涵靜子提供了較均勻的進口流場。

圖7　轉子出口擬S3流面馬赫數(shù)等值線Fig.7 Comparision of contours of Mach number on the S3 surface at rotor outlet

圖9所示為內涵靜子進口氣流角和攻角沿葉高的分布，可見內涵靜子葉片具有較大的進氣角度，且根部角度變化較劇烈。圖9（a）中，Case 3角度較大，Case 1角度較小；圖9（b）中，Case 3攻角較大，Case 1攻角較小，但在5%葉高以上均為負攻角。圖10所示為內涵靜子總壓恢復系數(shù)沿葉高的分布。可見，Case 1與Case 2相比，Case 1根部高于Case 2；Case 2 與Case 3相比，Case 2略高于Case 3；Case 1與Case 3相比總壓恢復系數(shù)未明顯降低。正如2.1（3）所指出，風扇轉子根部流量發(fā)生的變化量相對于內涵流量已經較大，這使得內涵葉片攻角變化較大、裕度較低，而Case 1恰恰有助于減小內涵葉片攻角。

綜合分析表明，Case 1形式流道在轉子出口流場較為均勻，同時能使內涵靜子具有一定的負攻角，且損失未明顯升高，因此更有利于提高內涵穩(wěn)定工作裕度并獲得相對較高的效率。

圖8　轉子出口擬S3流面流線Fig.8 Comparision of streamlines on the S3 surface at rotor outlet

圖9　內涵靜子進口氣流角和攻角沿葉高的分布Fig.9 Distribution of flow angle and incidence along span for inner duct stator

圖10　內涵靜子總壓恢復系數(shù)沿葉高的分布Fig.10 Distribution of total pressure recover coefficient along span for inner duct stator

3.3轉子出口與內涵靜子連接流道形式對內涵流動的影響

考慮到內外涵出口馬赫數(shù)及最大外徑的限制，圖3（b）給出了兩種形式的連接流道，與Case 1相比，Case 4內涵流道與前段流道的連接更加光順。S2計算結果表明，兩方案內涵靜子進出口馬赫數(shù)分布相差很大，如圖11所示。由于Case 4具有較小的進口環(huán)面面積，內涵靜子根部的進口馬赫數(shù)超過了1.00，這將對內涵靜子的設計造成極大困難；而Case 1內涵靜子根部的進口馬赫數(shù)約為0.82，使得內涵靜子葉片設計相對容易。

圖11　 Case 1與Case 4的S2流面內涵靜子進出口馬赫數(shù)對比Fig.11 Comparision of design Mach number at stator inlet andoutlet on S2 surface of Case 1 and Case 4

對Case 1和Case 4使用相同的造型參數(shù)，然后進行三維計算，得到的流場如圖12所示。圖中，Case 4流場在內涵靜子葉片表面出現(xiàn)了嚴重分離，裕度非常難保證。一方面是由于Case 4內涵靜子具有較高的進口馬赫數(shù)和較大的氣流轉折角；另一方面是由于在較大逆壓梯度下，靜子根尖部流道均需要一定程度的收縮，而Case 4內涵靜子根部流道接近平直段，使得內涵靜子葉片根部具有較大的擴散因子。分析表明，Case 1形式的連接流道使得內涵流動狀況相對較好。

圖12　 Case 1與Case 4近轉子壓力面和靜子吸力面的馬赫數(shù)云圖Fig.12 Contour of Mach number near rotor blade pressure side and stotor blade suction side

從上述分析中可以看出，在大涵道比風扇設計中，應綜合考慮內外涵的出口馬赫數(shù)、進口馬赫數(shù)、流道連接的光滑性等，內涵靜子進口馬赫數(shù)不能太高（一般低于0.85）；為降低根、尖部的擴散因子，其根尖部流道一般具有一定的收縮形狀；適當降低內涵靜子進口根部流道高度，有助于降低內涵靜子進口馬赫數(shù)和根部氣動負荷。

3.4不同周向彎曲形式對內涵靜子流場的影響

圖13為不同周向彎曲形式內涵靜子近葉片吸力面馬赫數(shù)等值線分布，圖14為內涵靜子總壓恢復系數(shù)沿葉高的分布。圖13中，不同周向彎曲形式內涵靜子的流場相差較大，Case 7、Case 5、Case 6的流場依次變差，葉片吸力面根部位置開始出現(xiàn)低速區(qū)的點依次提前，低速區(qū)面積依次變大，其中Case 6出現(xiàn)較大區(qū)域的分離，尾緣分離葉高約占總葉高的50%。圖14中，由于分離的影響，Case 6在約10%～80%葉高范圍內的總壓恢復系數(shù)較低，但在10%以下葉高范圍內的總壓恢復系數(shù)相對較高；Case 7在約10%～80%葉高范圍內的總壓恢復系數(shù)相對較高，但在10%葉高以下較低；Case 5總壓恢復系數(shù)介于Case 6和Case 7之間，但沿葉高的分布相對均勻。

圖13　不同周向彎曲形式內涵靜子近葉片吸力面馬赫數(shù)等值線分布Fig.13 Contour of Mach number near suction side of inner duct stator with different circumferential curvature

圖14　不同周向彎曲形式內涵靜子總壓恢復系數(shù)沿葉高的分布Fig.14 Distribution of total pressure recover coefficient along span for inner duct stator with different circumferential curvature

由前文分析可知，在大涵道比風扇設計中，內涵靜子根部具有較大的正攻角，因此在葉片吸力面根部容易出現(xiàn)分離。周向彎曲葉片的不同彎曲形式各有特點，正彎葉片一般使葉片吸力面近端壁處的低速區(qū)（或分離區(qū)）向主流區(qū)遷移，能降低近端壁處的損失，但使主流區(qū)的邊界層增厚，主流區(qū)損失增加；反彎葉片則相反［8］。實際設計中，應根據實際情況應用。在本文Case 5～Case 7中，Case 7采用的根部反彎設計，很好地控制了葉片吸力面根部的分離向主流區(qū)擴展，雖一定程度上增加了根部損失（與直線積疊葉片相比），但保證了主流區(qū)具有較低的損失。

4　結論

（1）大涵道比風扇轉子根部采用反曲率流道，風扇出口流場較為均勻，同時能使內涵靜子具有相對較大的負攻角，且損失未明顯升高，有利于提高內涵的穩(wěn)定工作裕度。

（2）大涵道比轉子根部設計，應綜合考慮內外涵的出口馬赫數(shù)、進口馬赫數(shù)、流道連接的光滑性等。

（3）風扇轉子葉片設計中根部采用寬弦、正攻角設計，有利于提高內涵穩(wěn)定工作裕度，緩解根部堵塞。

（4）內涵靜子根部反彎設計，能很好地控制葉片吸力面根部位置的分離向主流區(qū)擴展，保證主流區(qū)具有較低的損失，同時也保證了內涵的裕度。

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High bypass ratio fan technology for intercooled recuperated turbofan engine

GUAN Chao-bin1，CAO Zhi-peng1，AN Li-ping1，WANG Jing-yu2
（1. China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2. AVIC Academy of Aeronautic Propulsion Technology，Beijing 101304，China）

Abstract:In order to support the research on IRA（Intercooled Recuperated Aero-engine），the aerodynamic design of an advanced fan with bypass ratio at 16.6 was performed，and favorable efficiency and surge margin were obtained. Several important issues in high bypass ratio fan design were studied，including curvature of hub path，path between rotor and stator，rotor blading technique and circumferential curvature of inner duct stator. The results show that the aerodynamic requirements are satisfied by using negative curvature path in rotor hub，proper path between rotor and stator，wide-chord rotor blade with positive incidence，and negative bowed stacking at hub of inner duct stator. The deficiencies in high bypass ratio fan design are significantly improved including low efficiency and low surge margin of inner duct.

Key words：aero-engine；intercooled and recuperated cycle；high bypass ratio；aerodynamic design；

中圖分類號：V231.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-2620（2016）01-0025-07

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-02-03

作者簡介：關朝斌（1986-），男，河南虞城人，工程師，碩士，主要從事風扇/壓氣機氣動設計及葉輪機內部三維流動研究。