兼顧多狀態的核心機驅動風扇級與高壓壓氣機設計

2019-12-12 02:17:58李曉慶

航空發動機 2019年3期

李曉慶

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

變循環發動機結合一些特征部件和機構的幾何調節，實現發動機在不同飛行狀態下工作模式的轉換，以及熱力循環參數的調整，使發動機在整個飛行包線范圍內都具有最佳熱力循環，獲取最佳性能[1-3]。國內外對其開展了大量研究工作[4-8]。在眾多的變循環發動機方案中，美國GE 公司提出的帶有核心機驅動風扇級（Core Driven Fan Stage，CDFS）的雙涵道變循環發動機體現出巨大的潛力[9-10]，被認為是實現多飛行狀態下良好性能變循環發動機的首選方案[11-13]。國內對變循環發動機的研究起步較晚，在變循環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 與高壓壓氣機匹配設計方面的研究相對較少[14-15]。

為了開展變循環發動機關鍵技術的研究，通常在常規發動機的基礎上，增加部分變循環特征部件，搭建變循環發動機技術驗證平臺[16]。

本文的CDFS 就是通過某現有高壓壓氣機的第1級設計修改得到的，與該多級高壓壓氣機后面級共同組成的壓縮系統，用于由現有發動機發展得到的變循環技術驗證平臺。在該壓縮系統中，CDFS 為單級，由進口可調導葉、轉子、靜子3 排葉片組成，高壓壓氣機為8 級，無進口導葉。在該壓縮系統的氣動設計中，針對設計難點提出了解決措施，總結了設計經驗，可為今后該類變循環壓縮系統設計和研究工作提供參考。

1 CDFS 氣動設計

1.1 CDFS 設計點參數選取方法

CDFS 在同一轉速存在多個工作狀態，這是CDFS 的1 個重要特征，也是CDFS 與常規單級風扇的主要差異。本文CDFS 無量綱設計指標見表1。在1.0 轉速下有3 個工作狀態，不同狀態的設計指標對比，流量最大相差15%，壓比最大相差10.5%。

表1 CDFS 無量綱設計指標

常規風扇/ 壓氣機在1.0 轉速下只有1 個工作點，因此其設計點參數基本參照該工作點指標選取。而CDFS 在1.0 轉速下有多個工作狀態，設計點參數如何選取才能實現多狀態兼顧，這是CDFS 設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 是以中間狀態作為設計點，通過可調導葉（IGV）開、關角度實現單涵狀態和雙涵狀態；方案2 是以單涵狀態作為設計點，通過IGV 關角度實現中間狀態和雙涵狀態。對2 個方案進行2 維流場設計和3 維計算校核，得到如下結論：方案1 可以較好地兼顧多個工作狀態的效率，但打開IGV 會造成CDFS 喘振裕度明顯衰減，無法實現單涵狀態喘振裕度20%的指標要求；方案2 可以較好地實現單涵狀態和中間狀態的指標要求，但要實現雙涵狀態流量減小15%，級效率變化不超過2%，喘振裕度20%的指標，具有一定的難度。

通過對以上2 個方案的研究，本文認為選擇壓比較高、負荷較重的單涵狀態參數作為CDFS 設計點，更有利于實現CDFS 多狀態兼顧的設計需求。

1.2 可調導葉設計分析

以CDFS 單涵狀態作為設計點，通過IGV 關角度實現雙涵狀態，意味著在1.0 轉速下，需要將IGV 關20°～30°，實現流量15%的變化，而級效率變化不超過2%，這就對IGV 的調節能力提出了需求。

IGV 關20°以上時，由于攻角過大，會造成IGV葉背側產生流動分離，使轉子工作狀態惡化。為了改善此現象，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 總壓恢復系數變化見表2。從表中可見，在IGV 關7°時，修改前、后的IGV 損失相當，在IGV 關22°和25°時，修改后的IGV損失減少。

表2 前緣修改前、后IGV 總壓恢復系數對比

另外，從IGV 關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。

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圖1 IGV 關25°時S1 流面速度分布

圖2 前緣增大后IGV 關25°時S1 流面速度分布

根據以上IGV 關角度時的總壓恢復系數和葉片表面流動的對比，為了兼顧CDFS 雙涵狀態的需求，可以適當增大IGV 前緣小圓半徑。

1.3 CDFS 靜子工作環境與設計特點分析

CDFS 在不同工作狀態下，流量變化大導致氣動參數變化大，使CDFS 靜子的工作環境比常規壓氣機靜子的更為復雜，成為CDFS 設計中的1 個難題。在單、雙涵狀態，CDFS 靜子進口氣流角的徑向分布如圖3 所示。從圖中可見，與單涵狀態相比，雙涵狀態靜子葉尖進口氣流角減小6°，造成靜子在較大的正攻角下工作。因此，CDFS 靜子設計應兼顧考慮CDFS 多個工作狀態，并且需要具有較寬的攻角范圍。

圖3 單、雙涵狀態CDFS靜子進口氣流角

針對以上特點，本文在進行CDFS 靜子S2 流場設計時，首先保證在單涵設計狀態下，靜子擴散因子和氣流轉折角等表征壓氣機氣動負荷的參數均控制在常規設計的經驗范圍內，然后通過3 維程序進行其它工作狀態的校核計算，再以多工作狀態兼顧為目標進行S2 流場的設計參數調整。在葉型設計方面，為了適應雙外涵狀態靜子攻角增大的問題，對靜子采用偏負的攻角設計，尤其是葉中以上的部分，更是采用較大的負攻角設計。

2 CDFS、前涵道引射器、高壓壓氣機氣動一體化設計

2.1 壓縮系統氣動布局特點

壓縮系統氣動布局借鑒YF120 發動機，取消了高壓壓氣機進口可調導向器，保留了CDFS 靜子，如圖4 所示。這種氣動布局的優勢在于可以縮短軸向長度，降低葉片數，有效減輕質量，并在YF120 發動機上有了成功應用的先例；難點在于CDFS 靜子應同時具備為CDFS 轉子整流和高壓壓氣機進口導流2 種功能，CDFS 出口氣流角對高壓壓氣機的工作狀態有較大影響，CDFS 與高壓壓氣機之間的氣動耦合更加明顯，匹配更加復雜。

圖4 YF120 發動機氣動布局[17]

在該壓縮系統中，CDFS 進口導葉、CDFS 靜子、高壓壓氣機前2 級靜子及前涵道引射器面積均可調節。

2.2 構建CDFS、高壓壓氣機、前涵道共同的S2流場

2 維流場設計構建了壓氣機內部流動的基本框架，是壓氣機氣動設計的基礎。對于本文的壓縮系統，CDFS 靜子能否在較好地實現自身氣流偏轉的同時，又給下游高壓壓氣機提供合理預旋，CDFS 與高壓壓氣機之間的2 級涵道內的氣動參數是怎樣的、是否會發生堵塞，CDFS 出口絕對氣流角是否等于高壓壓氣機進口絕對氣流角，這些問題都是在S2 流場設計階段應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，構建了CDFS＋后8 級＋前涵道的聯合S2 流場，將CDFS 與前涵道、高壓壓氣機之間的匹配要素，以及變循環所需考慮的相關參數從S2 流場設計階段就計入，避免CDFS 與高壓壓氣機單獨設計帶來的技術風險。

2.3 CDFS 靜子調節規律設計

CDFS 在設計轉速不同工作狀態以及在中低轉速時，其靜子調節角度既要與轉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的負荷能力和流量需求。例如，CDFS 在雙涵狀態時，流量減小15%，此時CDFS 靜子在正攻角下工作，很難實現20%的喘振裕度，為了提高其喘振裕度，可以適當關小CDFS 靜子角度，減小CDFS 靜子進口攻角；但CDFS 靜子角度關得過大，會導致高壓的負荷增加，擴散因子增大，并且高壓流量減小，達不到預計要求。可見，變循環給壓縮系統葉片角度調節規律造成了更為復雜的情況。本文采用CDFS 與高壓壓氣機聯算，以及S2 流場設計和3維計算迭代優化的設計方法，進行壓縮系統調節規律設計。

為了提高CDFS 雙涵狀態的喘振裕度，本文采取CDFS 靜子關4°調節，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，但為了實現同樣的壓比，高壓負荷增加，高壓進口級靜子擴散因子增大了0.1，如圖6 所示。

通常認為壓氣機靜子擴散因子不應高于0.6，雖然增大后的擴散因子并沒有超出該經驗范圍，但擴散因子的顯著增大會導致設計風險增加。另外，本文的高壓壓氣機是通過對現有高壓壓氣機進口級進行適應性修改得到的，為了不影響原有匹配，應盡量避免設計參數產生較大的變化。因此，為了削弱角度調節帶來的高壓進口級擴散因子增大，本文采取將高壓進口級（2 級）靜子關2°，3 級靜子關1°的調節方式，此時高壓各級擴散因子變化如圖7 所示。