變循環發動機后涵道引射器調節工況的數值研究

竇健，吳瓊

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

變循環發動機(variable cycle engine，VCE)通過幾何可變部件的調節使發動機涵道比、推力系數、耗油率等在較大范圍內變化，使發動機既能以大推力、超聲速巡航能力的渦噴模式工作，也可以滿足飛行任務所需的低耗油率亞聲速巡航要求，從而滿足多需求的飛行任務，被認為是先進戰斗機的理想動力裝置之一[1]。

后可變面積涵道引射器(rear variable area bypass injector，RVABI)是雙外涵變循環發動機獨特且重要的結構之一[2-5]。常規渦扇發動機混合器由于庫塔條件約束而固定了核心流量和涵道流量的大小，而RVABI通過面積可變，解除了核心流和涵道流之間由庫塔條件帶來的耦合。同時當其與低壓渦輪可變噴嘴等其他變循環特征結合起來時，可以獨立地控制高低壓轉子的轉速，實現VCE極大的靈活性。

近幾年，國內在變循環發動機涵道引射器方面也展開了相應的研究。如文獻[6-7]通過建立變循環發動機性能程序或者利用已有程序就RVABI對變循環發動機穩定性影響、發動機性能等方面進行了研究；文獻[8]建立了計算FVABI和RVABI涵道總壓損失的二維模型。總之對RVABI性能的研究還停留在性能仿真計算，尚未對RVABI的三維工作過程、前后部件流動相容等深層規律開展研究。

本文在文獻[9]所設計的變循環發動機后涵道引射器的基礎上，首先通過變面積的計算方法對后涵道引射器其他關鍵工況進行計算，獲取典型的寬工作范圍內的性能參數，并以此為基礎建立后涵道引射器的工作特性圖；之后，通過對雙外涵變循環發動機后涵道引射器工作模態的分析，建立后涵道引射器與前后相鄰部件的匹配方法，并對前、后涵道引射器匹配特性進行了研究。

1 計算模型與數值方法

1.1 可變面積方案的選擇

根據變循環發動機后涵道引射器調節方案的不同，可以將常見的變循環發動機后涵道引射器面積調節方案分為平移式與轉動式兩大類。通過對文獻[10-13]中兩種不同類后涵道引射器的變面積調節方案歸納與分析，平移式調節方案不僅能夠使引射器的面積可調，還可以實現引射器混合室平行進氣的功能，平行進氣能夠使兩股流混合時摻混損失降低。但為了能夠通過后涵道引射器可變部位的平移使引射器面積發生變化，需要“特殊”構型的閥體，這種構型的型面使流道橫截面積發生突變造成較大的局部氣動損失，不利于高氣動性能的后涵道引射器設計。而旋轉式后涵道引射器面積可調節的方案避免了由于流道橫截面積突變造成的較大局部氣動損失的缺點，有利于高氣動性能后可變面積涵道引射器的設計，所以本文采用旋轉式后涵道引射器面積可變的調節方案。

圖1為本文所采用的后涵道引射器面積調節方案示意圖。圖中1為引射器可動部件，即后涵道引射器的引射器，在設計中按照要求將引射器沿周向分為n瓣；2為鉸鏈，將引射器與中介機匣3相連接。混合器1可繞鉸鏈2轉動，從而改變后涵道引射器混合室外、內涵氣流的進口面積比，即A18/A8的大小，從而實現后涵道引射器面積的調節。

1—混合器；2—鉸鏈；3—中介機匣。圖1 RVABI結構示意圖

為了獲得RVABI的調節狀態特性及相應的流場特征，利用CFD方法對RVABI的三維流場進行計算。計算假設在后涵道引射器面積變化的過程中，可調引射器各瓣之間沒有氣流通過，且引射器與中介機匣之間沒有空隙。在此假設條件下，對不同A18/A8的后涵道引射器進行計算，調節狀態計算時，面積比(A18/A8)的具體數據如表1。

表1 后涵道引射器A18/A8

1.2 網格及邊界條件

數值計算方法與邊界條件的設置與文獻[9]后涵道引射器設計工況下的計算類似。由于調節狀態計算過程中后涵道引射器混合室的外、內涵面積比發生變化，所以計算網格發生了變化，圖2給出了不同A18/A8的后涵道引射器對稱剖面的引射器附近的網格，計算所用的三維網格由各自的對稱剖面二維網格旋轉60°生成。

圖2 不同A18/A8的后涵道引射器混合室進口處網格示意圖

采用文獻[9]中的數值計算方法進行計算。表2列出了后涵道引射器在關鍵工況點下的工作條件，其中Pei、Tei分別表示后涵道引射器內涵進口的靜壓和總溫，i可取1、2、3、4，表示不同的工況點。

表2 后涵道引射器關鍵工況點工作條件

2 后涵道引射器工作特性

后涵道引射器工作，是在已知風扇外涵進口和低壓渦輪內涵進口總壓或者總壓比的情況下，通過調節A18/A8，協同前涵道引射器面積的調節，使得發動機涵道比發生變化。這種調節是主動的，意欲通過主動控制發動機涵道比，使得發動機在不同的工作模式都具有最優的關鍵性能，即合理匹配發動機耗油率和推力與飛機飛行任務的關系。由此可見，用于完成多任務的航空推進系統在不同種類任務階段轉換時，后涵道引射器需要調節A18/A8的大小，從而實現發動機不同工作模式之間的轉化。為了確保全工作范圍內在涵道比變化的同時，后涵道引射器均具有良好的氣動熱力性能，需要掌握后涵道引射器的工作特性。

后涵道引射器的工作特性參數通過對雙外涵變循環發動機的關鍵工況點計算獲得，工作特性圖以后涵道引射器外涵進口面積與內涵進口面積之比A18/A8為自變量，內、外涵總壓比π為參變量，總壓恢復系數、涵道比B、出口截面馬赫數Maout以及后涵道引射器外涵進口壓力Pb作為目標變量建立后涵道引射器工作特性圖。后涵道引射器的工作特性圖如圖3、圖4所示。

圖3 后涵道引射器工作特性——總體性能

圖4 后涵道引射器工作特性——外涵出口壓力

3 后涵道引射器匹配特性研究

3.1 后涵道引射器匹配方案的建立

圖5為變循環發動機F120的不同工作模式示意圖，它演示了雙外涵不加力變循環發動機的示例，可用于闡明后涵道引射器與前涵道引射器共同工作及該發動機變循環調節的情況。

1—模式選擇閥門；2—前涵道引射器；3—后涵道引射器；4—后涵道引射器出口；5—支板；6—低壓渦輪出口；7—后涵道引射器進口；8—CDFS出口；9—CDFS進口；10—風扇出口。圖5 雙外涵變循環發動機內流動示意圖

通過對雙外涵變循環發動機單、雙外涵工作模型的分析可以得到后涵道引射器與前后部件的匹配關系為：1) 在發動機雙外涵模式和單外涵模式下，后涵道引射器通過改變引射器開度調節涵道流壓力為前涵道引射器提供可靠的通流條件。例如雙外涵工作模式下，前涵道引射器開度較小時，為了通流需要降低涵道下游壓力，這時需要增大后涵道引射器開度。2) 當模式選擇閥門完全打開，前涵道引射器開度較小時，后涵道引射器的調節會對后風扇工作狀態產生影響。例如通過增大后引射器開度來增大流量，從而減小風扇溢流阻力。3) 對于安裝有加力燃燒室的，為了保證加力燃燒室的正常工作，加力燃燒室進口氣流馬赫數應當<0.3。

由此可知，后涵道引射器與前涵道引射器的匹配關系為匹配前涵道引射器工作條件的涵道壓力特性。

3.2 前、后涵道引射器匹配特性研究

與前涵道引射器的匹配主要為靜壓匹配。圖6給出了4個工況點下后涵道引射器外涵進口截面的平均靜壓特性。另外以與圖例相同顏色的經緯線確定了在該工況下前涵道引射器所需要的出口靜壓值及其對應的后涵道引射器開度大小。如工況2下，前涵道引射器所需的外涵出口靜壓比約為1.05。按此需求值可知，當后涵道引射器面積比在0.26時，后涵道引射器的外涵進口靜壓比為1.05。表明在所研究的后涵道引射器面積變化范圍內，可實現所需的前涵道引射器出口靜壓條件，其余各工況也是如此。由此表明了在本文研究的寬涵道比范圍內，后涵道引射器與前涵道引射器靜壓特性匹配良好。

圖6 前、后涵道引射器靜壓匹配關系

4 結語

本文利用CFD技術對4個不同工況點進行計算獲得了后涵道引射器工作特性圖，之后通過對雙外涵變循環發動機工作模型的分析建立了后涵道引射器匹配方案，并對本文所研究的后涵道引射器匹配特性進行了研究。研究結果表明，前后涵道引射器匹配特性良好。