基于氣動性能優化的某型發動機外涵機匣結構設計

田大可，袁長龍，徐　雪，張德志，王海龍

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

基于氣動性能優化的某型發動機外涵機匣結構設計

田大可，袁長龍，徐雪，張德志，王海龍

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

為減少某型發動機外涵流道內的氣流損失，以總壓恢復系數較大、制造工藝性較好為優化目標，開展了某型發動機外涵機匣結構設計方案研究。提出了外涵機匣模型簡化準則，采用流體計算仿真軟件A N SY S Fluent14.0分別從對外涵機匣總壓恢復系數有影響的外型輪廓、集線盒外型、半/全長整流罩等3個考核方面進行了數值仿真分析。通過比較計算結果，分別得出了3個考核方面最優的結構方案，分別為平直段-長擴張段-平直段、半圓-葉型、半長整流罩。提出的外涵流道模型簡化準則以及優化氣動性能選取合理結構的思路為渦扇發動機外涵機匣的設計與分析提供了借鑒和參考。

渦扇發動機；外涵機匣；氣動性能；總壓恢復系數；航空發動機

0　引言

外涵機匣是航空渦扇發動機形成外涵流道［1］、實現結構完整性及發動機功能等用途的重要結構單元。外涵流道內通常需要設置作動筒、控制活門、引氣管、滑油供/回油管、電纜等附件和管線，這些外部附件根據發動機的功能需求進行排布，具有多樣性、無序性等特點。繁多的種類和相對凌亂的排布會對流經外涵的氣流產生不利影響，使得氣流損失較大，總壓恢復系數較低。因此，為降低外涵氣流損失，開展外涵流路凈化研究是外涵機匣設計中不可回避的1個重要和難點問題。針對這一難點，國外許多發動機公司都進行了較為深入的研究，并主要集中在外涵機匣的外型輪廓、涵道內管路引出方式等方面。F100發動機外涵機匣的前端為平直段，從主燃開始變為漸擴圓錐段，并采用涵道內管路分別穿越外涵的方式［2-4］；F110、F404、F119、F120等發動機的外涵機匣前端為漸擴圓錐段，后端變為圓柱段，同樣采用分別穿外涵方式［5-9］；GE90、CFM56等大涵道比發動機采用C型短艙作為外涵機匣，并采用集中穿越外涵的結構方式［10-12］。這些成功的案例對外涵機匣氣動性能的研究具有一定的參考意義。

本文根據某型發動機外涵機匣的設計要求及結構方案，提出了模型簡化準則，采用流體計算軟件，從外型輪廓、集線盒形狀、半/全長整流罩等方面分析了結構對外涵機匣氣動性能的影響，根據結果的分析比較，給出了相對最優的解決措施。

1　外涵結構方案及模型簡化

1.1結構方案

某型發動機外涵機匣位于中介機匣后，渦輪后機匣前；外涵流道內包含VSV作動筒、TBV活門、ACC活門、燃油總管、滑油供/回油管、壓氣機中間級引氣管、控制電纜和點火電纜等外部附件和管線。由于外涵道中有大量氣流流過，為減少氣流損失，采用管路集中穿越外涵、在附件及管路外部安裝半長或全長整流罩的結構方案，如圖1所示。將各類管路分4處集中引出，并采用具有葉型形狀的集線盒對管路進行固定與保護。考慮外涵機匣外部附件的影響，第1個集線盒的角向位置（順航向逆時針）為15°，其余兩兩夾角為120°、60°和120°，如圖2所示。

圖1　外涵機匣結構方案

圖2　集線盒角向分布

1.2模型簡化

真實的外涵流道結構異常復雜，為便于氣動計算，需要對外涵流道結構進行適當簡化處理，簡化原則如下：

（1）由于外涵機匣具有軸對稱特征，選取任意沿發動機軸線剖面的外型輪廓作為外涵流道的上壁面；

（2）對于較為復雜的流道下壁面，采用將核心機及其外部附件、管路用包絡線代替的方法簡化。簡化后的模型如圖3所示。

圖3　簡化后的外涵流道

2　外涵流路的凈化

2.1基本流程

采用Gambit軟件對流場分塊劃分并進行3維非結構化分網，采用流體計算仿真軟件ANSYS Flu ent14.0對發動機外涵流道進行計算分析和后處理。計算方法采用3維定常數值模擬方法，控制方程采用2維黏性N-S方程，湍流模型采用標準k-ε模型［13-15］，給定質量流量進口邊界條件，壓力出口邊界條件，壁面給定無滑移邊界條件，分析的基本流程如圖4所示。

圖4　計算分析流程

2.2輪廓外型對外涵損失的影響

選取“平直段+擴張段”、“平直段+短擴張段+平直段”、“平直段+長擴張段+平直段”3種不同的外涵結構形式進行分析，3種方案的結構如圖5所示。

圖5　3種外涵結構方案

建立3種方案的計算模型，如圖6所示。

3種方案的總壓恢復系數分別為0.9513、0.9502和0.9482，可見，方案1的總壓損失最小，總壓恢復系數最高，是3種方案中最好的。

2.3集線盒外型對外涵損失的影響

集線盒除用于固定、保護涵道內管路外，通常在結構外型上采用一般承力機匣支板的截面形狀，即前、后緣為曲面過渡，中間為平直段，前緣采用半圓或圓弧形狀，后緣采用半圓或葉型形狀，本文提出了4種集線盒外型方案，如圖7所示。

圖6　3種外涵計算模型

圖7　集線盒外型方案

4種方案的總壓恢復系數分別為0.9552、0.9569、0.9550和0.9573，可見，方案4的總壓損失最小，總壓恢復系數最高，但該方案僅與方案2的相差0.04%，綜合考慮可維護性和加工成本等因素，選定前緣形狀為半圓、尾緣形狀為葉型的管線集線盒結構，即方案2作為最終方案。

2.4半長整流罩對外涵損失的影響

為進一步提高外涵的氣動性能，在外涵流道的下壁面增加半/全長整流罩結構，即在核心機及低壓渦輪機匣的外側安裝1層機匣，使流道更為光順，半/全長整流罩前端安裝在中介機匣后安裝邊上，后端安裝到主燃機匣前安裝邊或低渦機匣后安裝邊。

在最優輪廓外型和最優集線盒外型研究的基礎上，提出半長整流罩為平直段和平直段+收斂段2種結構方案，2種方案的模型及計算結果如圖8、9所示。

2種結構方案的總壓恢復系數分別為0.9663和0.9633，可見，方案1的總壓損失小，總壓恢復系數高，比方案2的更好些。

圖8　半長整流罩結構方案

圖9　半長整流罩總壓分布

2.5全長整流罩對外涵損失的影響

與半長整流罩方案類似，增加覆蓋整個外涵內壁面的機匣結構即為全長整流罩，該方案的模型及計算結果如圖10所示。

圖10　全長整流罩模型及計算結果

該方案的總壓恢復系數為0.9589，外涵內壁全長整流罩方案的總壓恢復系數要略低于半長整流罩方案的，說明全長整流罩方案使得外涵氣流的總壓損失有所增大，這對于發動機性能是不利的；也說明簡單加長內壁整流罩，并不一定會提升發動機的性能，需要根據具體結構特征進行優化設計。

3　結論

本文基于某型發動機外涵道氣動性能優化，開展了外涵道結構設計方案研究，分別從對外涵機匣總壓恢復系數有影響的外型輪廓、集線盒外型、半/全長整流罩3個方面進行了數值仿真分析，得到如下結論：

（1）加裝整流罩的結構方案較不加裝整流罩的結構方案，總壓恢復系數有較大提高，是1種較為有效的提升氣動性能的結構方案。

（2）尾緣形狀均為葉型、前緣形狀為半圓和圓弧的集線盒方案，二者總壓恢復系數相當，說明前緣形狀對總壓損失的影響較小，而尾緣形狀是比較重要的影響因素。

（3）半長整流罩結構方案的氣動性能略優于全長整流罩結構方案的，說明內壁整流罩不能簡單拉長，應當根據具體結構進行進一步設計。

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（編輯：栗樞）

Research on Structure Design of the Bypass Casing for a Certain Type Aeroengine Based on Aerodynamic Performance Optimization

TIAN Da-ke，YUAN Chang-long，XU Xue，ZHANG De-zhi，WANG Hai-long
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang，110015，China）

In order to reduce the flow loss of bypass for a certain type aeroengine，the larger total-pressure recovery coefficient and better manufacturability were taken as the optimization objectives，structure design of the bypass casing was studied.A simplified model of bypass casing was established.In addition，by using ANSYS Fluent of numerical simulation software of flow，some characteristics such as profile contour，hub profile，semi and full fairings which have influence on the total-pressure recovery coefficient were analyzed.Choose a relative optimization scheme by comparing with the results of different structure schemes，which is straight-long expansion-straight casing，semicircle-leaf shape and semi-fairing respectively.The proposed criterion of model simplification and thoughts of selecting structure scheme of bypass casing can be taken as the reference for the structure design and analysis of bypass casing for turbofan engine.

turbofan engine；bypass casing；aerodynamic performance；total-pressure recovery coefficient；aeroengine

V 231.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.04.009

2016-01-05基金項目：國家重大基礎研究項目資助

田大可（1981），男，博士，高級工程師，主要從事航空發動機總體結構設計與預先研究工作；E-mail：tdk724@126.com。

引用格式：田大可，袁長龍，徐雪，等.基于氣動性能優化的某型發動機外涵機匣結構設計［J］.航空發動機，2016，42（4）：43-46.TIANDake，YUAN Changlong，XU Xue，et al.Research on structure design of the bypass casing for a certain type aeroengine based on aerodynamic performance optimization［J］. Aeroengine，2016，42（4）：43-46.