馬昌友，侯敏杰，幸曉龍

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院航空發(fā)動機高空模擬技術(shù)重點實驗室，四川江油621703)

1 引言

雙外涵變循環(huán)發(fā)動機在軍用航空領(lǐng)域和鄰近空間飛行方面具有廣泛的應用前景，已成為新一代推進裝置的重要發(fā)展方向，受到各航空強國的高度重視[1-2]。核心機驅(qū)動風扇級(CDFS)是雙外涵變循環(huán)發(fā)動機的一個關(guān)鍵部件。一方面，其與第一外涵、高壓壓氣機組成變循環(huán)核心壓氣機由高壓渦輪驅(qū)動，具有轉(zhuǎn)子葉尖切線速度較高的特點；另一方面，為降低第二外涵與第一外涵的壓差、減少摻混損失，雙外涵變循環(huán)發(fā)動機總體匹配要求CDFS具有壓比低、效率高和穩(wěn)定裕度高的特點。兩方面原因相互矛盾，給CDFS氣動設(shè)計帶來很大難度，為此美、英、法、日等國對帶CDFS的變循環(huán)發(fā)動機進行了持續(xù)、深入的研究[3-7]。國內(nèi)對變循環(huán)發(fā)動機的研究剛剛起步，有關(guān)CDFS的研究較少，且主要集中在以單外涵模式設(shè)計點進行氣動造型設(shè)計，并兼顧雙外涵模式下的性能，通過數(shù)值模擬或部件試驗對CDFS性能和流場進行優(yōu)化[8-10]。黃磊等[11]研究了CDFS設(shè)計技術(shù)，并通過CDFS部件試驗驗證了高切線速度、低壓比、高效轉(zhuǎn)子設(shè)計，葉頂激波系控制等關(guān)鍵技術(shù)。但其研究中將CDFS作為一個單級壓氣機，實際上CDFS出口為兩個涵道，且兩個涵道的氣動狀態(tài)不同。賴安卿[12]認為，CDFS在部件環(huán)境下的工作特性和其在與高壓壓氣機匹配環(huán)境下的工作特性存在差異，但未開展相關(guān)研究。張鑫[13]認為，CDFS的氣動設(shè)計難點不僅體現(xiàn)在如何兼顧CDFS在單外涵模式和雙外涵模式下的性能，還體現(xiàn)在CDFS與高壓壓氣機的匹配。劉寶杰[14]對CDFS與高壓壓氣機匹配在設(shè)計轉(zhuǎn)速下內(nèi)、外涵單獨節(jié)流進行了數(shù)值模擬，論證了外涵單獨節(jié)流可以實現(xiàn)涵道比大范圍調(diào)節(jié)的能力，但未對其與高壓壓氣機匹配環(huán)境下的性能進行試驗驗證。與CDFS部件試驗相比，CDFS與高壓壓氣機匹配試驗時，由于兩個部件之間復雜流道和機匣結(jié)構(gòu)限制，很難準確測量CDFS出口氣流參數(shù)。壓氣機的等熵效率通常采用溫升法或扭矩法進行測量。文獻[15]認為，當壓氣機試驗件的溫升小于50 K時，采用扭矩法測量絕熱效率更可靠。但測扭器測量的是整個試驗件的扭矩，對于CDFS在與高壓壓氣機匹配環(huán)境下的性能測量只能采用溫升法，這意味著必須測量CDFS出口溫度。作為低壓比、小溫升壓縮部件，CDFS出口溫度測量誤差對等熵效率的精度影響較大。因此，匹配環(huán)境下CDFS出口氣流參數(shù)的準確測量，是評價匹配環(huán)境下CDFS性能的關(guān)鍵。

本文針對一種帶靜葉的CDFS與高壓壓氣機匹配氣動布局的特點，為了獲取CDFS性能，在總結(jié)兩種基于葉型探針的常規(guī)測試方案及其缺陷的基礎(chǔ)上，提出了一種新的測試方案。即基于部件環(huán)境下CDFS靜葉的氣動特性，根據(jù)匹配環(huán)境下CDFS靜葉進口氣流狀態(tài)，通過插值向后推算間接得到CDFS出口氣流平均參數(shù)，進而求得CDFS性能。最后通過對比CDFS在匹配環(huán)境下和部件環(huán)境下的性能，論證了該測試方案測量匹配環(huán)境下CDFS性能和出口氣流平均參數(shù)的有效性。

2 試驗方法

2.1 試驗件

研究對象為CDFS與高壓壓氣機匹配試驗件，其氣動布局見圖1。圖中，ci、si、co、bi、hi、ho分別表示CDFS進口、CDFS靜葉進口、CDFS出口、外涵支板進口、高壓壓氣機進口、高壓壓氣機出口。高壓壓氣機直接同軸串裝在CDFS出口，保留CDFS和高壓壓氣機各自的氣動布局，并設(shè)計外涵流道。由于CDFS壓比較低，為降低對試驗動力功率的需求和試驗件軸向力，高轉(zhuǎn)速試驗時需對試驗器進口進行節(jié)流，這造成CDFS出口外涵低壓氣流無法直接排入大氣。因此試驗中采用大流量抽氣系統(tǒng)進行外涵排氣，并通過調(diào)壓閥和低壓損阿牛巴流量計進行外涵流量(或涵道比)控制與測量[16]。

2.2 CDFS性能測試方案

為了獲取CDFS與高壓壓氣機匹配時的總性能以及匹配環(huán)境下兩者各自的性能，分別在CDFS進口、CDFS靜葉進口、CDFS出口、外涵支板進口、高壓壓氣機進口和高壓壓氣機出口布置了測試探針。CDFS進口和高壓壓氣機出口氣流參數(shù)測試方案與一般壓氣機試驗的基本相同，均采用梳狀探針等插入式探針進行測量[17]，CDFS靜葉進口氣流參數(shù)則通過布置在靜葉上的葉型探針進行測量。對于外涵支板進口、高壓壓氣機進口，由于CDFS和高壓壓氣機兩個壓縮部件之間的軸向距離較為緊湊，再加上分流環(huán)和弧線過渡機匣組成復雜的局部結(jié)構(gòu)，插入式探針無法安裝，為了評定匹配環(huán)境下CDFS性能，一般采用以下兩種測試方案：

第一種是測試截面后移法。即取高壓壓氣機進口截面和外涵進口截面作為CDFS出口測量截面，通過在外涵支板和高壓壓氣機進口導葉上布置葉型探針，測得內(nèi)、外涵進口氣流參數(shù)并質(zhì)量流量加權(quán)平均，間接表征CDFS出口截面氣流參數(shù)。該方案可同時獲取高壓壓氣機進口氣流參數(shù)和高壓壓氣機性能，但對于CDFS性能測試的準確性存在兩個問題：①匹配試驗時，高壓壓氣機在相對換算轉(zhuǎn)速(nˉ)0.70時其導葉角度需關(guān)閉30°以上，這使得其上的葉型探針與來流偏角在低轉(zhuǎn)速時遠超葉型探針的不敏感角度范圍(一般約為15°)[18]，造成低轉(zhuǎn)速時高壓壓氣機進口氣流參數(shù)測量精度偏低；②從CDFS出口到外涵道之間為弧型過渡機匣，外涵流量較大時局部存在氣流分離，造成獲得的CDFS性能實際上包含了部件間復雜流道引起的氣動損失。

第二種是測試截面前移法。即取CDFS靜葉進口截面作為CDFS出口測量截面，依靠CDFS靜葉布置葉型探針測取CDFS轉(zhuǎn)子后氣流參數(shù)，間接表征CDFS出口截面氣流參數(shù)。該方案較為簡單，對CDFS靜葉進口氣流參數(shù)測量精度較高，但所測得的CDFS性能不包含CDFS靜葉的氣動損失。

從上述兩種方案可看出，CDFS與高壓壓氣機匹配試驗時很難準確測量其性能，不能有效對其進行評價。考慮到CDFS與高壓壓氣機匹配，CDFS靜葉受下游高壓壓氣機勢流效應的影響較小，可忽略CDFS靜葉氣動特性在部件環(huán)境和匹配環(huán)境下的差異。為此，本文提出了第三種測試方案，即基于第二種測試方案得到的CDFS靜葉進口氣流參數(shù)，建立靜葉進口氣流狀態(tài)描述方法，結(jié)合CDFS部件試驗時所獲得的靜葉氣動特性，通過插值間接求出匹配環(huán)境下CDFS出口氣流參數(shù)，進而得到CDFS性能。

3 CDFS靜葉氣動特性

3.1 氣動特性描述

CDFS靜葉特性采用總壓恢復系數(shù)σ和總溫升比τ進行描述，進而將CDFS靜葉的進、出口的氣流平均總壓p和平均總溫T進行關(guān)聯(lián)。根據(jù)圖1所示有：

CDFS靜葉特性與其進口氣流狀態(tài)相關(guān)。由于所研究的CDFS采用等中徑流道流程，可忽略CDFS轉(zhuǎn)子出口氣流的徑向分量(即不考慮俯仰角)，則可采用靜葉進口氣流馬赫數(shù)Ma和周向氣流角表征CDFS靜葉進口氣流狀態(tài)。靜葉進口氣流馬赫數(shù)可通過該截面的壁面靜壓pw和葉型探針測得的總壓psi獲得：

由于級間通道狹窄，難以通過方向探針測量靜葉進口周向氣流角。但由速度三角形可知，當靜葉進口氣流馬赫數(shù)和軸向氣流馬赫數(shù)Max確定后，氣流角β也就確定。對于軸向氣流馬赫數(shù)，其與靜葉進口物理流量Wsi相關(guān)：

式中：K為流量系數(shù)，Ax為靜葉進口軸向面積。

受CDFS轉(zhuǎn)速和導葉角度調(diào)節(jié)的影響，靜葉進口氣流參數(shù)會發(fā)生變化。為此，將靜葉進口物理流量換算到標準大氣狀態(tài)下：

由式(5)可知，當CDFS靜葉進口流量系數(shù)和軸向面積一定時，靜葉進口軸向氣流馬赫數(shù)可用其進口換算流量Gsi進行等價表征。

綜上所述，CDFS靜葉的氣流參數(shù)可用其進口的換算流量和氣流馬赫數(shù)描述。因此，靜葉的總壓恢復系數(shù)和總溫升比可表示為其進口的換算流量和氣流馬赫數(shù)的函數(shù)，其好處是CDFS靜葉氣動特性只與其進口氣流參數(shù)相關(guān)，而不用與CDFS的轉(zhuǎn)速、導葉角度、背壓等狀態(tài)控制參數(shù)關(guān)聯(lián)。

為統(tǒng)一量綱，文中將靜葉進口換算流量以CDFS設(shè)計壓比點對應的靜葉進口換算流量進行無量綱化處理，得到相對換算流量G′。

3.2 氣動特性分析

圖2示出了CDFS在不同轉(zhuǎn)速和導葉角度下靜葉進口氣流馬赫數(shù)隨換算流量的變化趨勢，以及CDFS靜葉在匹配環(huán)境下的進口氣流狀態(tài)域(通過一個最小的凸多邊形包圍CDFS靜葉所有進口氣流狀態(tài))?？煽闯?，隨著轉(zhuǎn)速的提高，CDFS轉(zhuǎn)子周向速度增大，靜葉進口氣流馬赫數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。在等轉(zhuǎn)速錄取過程中，由于CDFS轉(zhuǎn)子周向速度保持不變，隨著靜葉進口流量逐漸降低，其進口氣流馬赫數(shù)并未發(fā)生顯著變化。當導葉角度關(guān)閉較多(如相對換算轉(zhuǎn)速0.95)，CDFS導葉角度從-4°變化到-28°時，其轉(zhuǎn)子進口節(jié)流程度加大，氣流密度明顯降低，從而使得CDFS靜葉進口氣流馬赫數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，甚至超過設(shè)計轉(zhuǎn)速時的氣流馬赫數(shù)。由此可見，采用CDFS導葉角度和轉(zhuǎn)速來描述CDFS靜葉進口氣流狀態(tài)不合適，這也正是本文采用換算流量和氣流馬赫數(shù)來描述的原因。

圖3為CDFS靜葉總壓恢復系數(shù)和總溫升比云圖。可見，隨著CDFS靜葉進口換算流量的降低和氣流馬赫數(shù)的提高，靜葉總壓恢復系數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢。這主要是由于轉(zhuǎn)子落后角增大使得靜葉進口氣流攻角增大，靜葉發(fā)生氣流分離。與總壓恢復系數(shù)變化趨勢不同，CDFS靜葉的總溫升比在局部存在最大值，在其他大部分狀態(tài)下變化較小。在高轉(zhuǎn)速近堵點位置(即靜葉進口相對換算轉(zhuǎn)速0.95的區(qū)域)，與其他狀態(tài)域相比，總壓恢復系數(shù)和總溫升比隨其進口氣流狀態(tài)變化云圖的光滑性較差。這是由于靜葉來流速度較大，氣流參數(shù)特別是壁面靜壓波動較大使得測量結(jié)果不穩(wěn)定所致。另外，該區(qū)域的總溫升比基本上小于1，顯然不符合常規(guī)理論認知。這主要是由于該區(qū)域處于高轉(zhuǎn)速近堵點，靜葉溫升本身較低，再加上靜葉進、出口氣流參數(shù)測試探針類型、布局方案及數(shù)據(jù)處理方法存在差異所致。

4 匹配環(huán)境下CDFS出口氣流參數(shù)計算方法

本文根據(jù)匹配環(huán)境下CDFS靜葉進口氣流狀態(tài)，結(jié)合CDFS部件試驗時獲得的靜葉氣動特性，通過局部三點或多點二元線性插值間接獲得CDFS靜葉出口氣流參數(shù)，進而求得匹配環(huán)境下CDFS不帶部件間流動損失的總壓比和等熵效率。插值計算的關(guān)鍵在于，CDFS靜葉在匹配環(huán)境下的進口氣流狀態(tài)點要位于其在部件環(huán)境下的進口氣流狀態(tài)域中，即應具備內(nèi)插值條件。圖4給出了匹配環(huán)境下CDFS靜葉進口氣流狀態(tài)點與部件環(huán)境下CDFS靜葉進口氣流狀態(tài)域之間的關(guān)系。由圖可知，匹配環(huán)境下部分狀態(tài)點不在部件環(huán)境下狀態(tài)域內(nèi)，并主要集中在低轉(zhuǎn)速近失速點區(qū)域，原因是CDFS在部件環(huán)境和匹配環(huán)境下工作狀態(tài)存在差異。

為了滿足內(nèi)插值條件，本文在CDFS靜葉特性數(shù)據(jù)中集中增加靜態(tài)特性點，即CDFS不工作時的靜葉靜態(tài)特性(G′=0、Ma=0、σ =1、τ=1)，使部件環(huán)境下的CDFS靜葉進口氣流狀態(tài)域向左下方擴展，覆蓋全部CDFS靜葉在匹配環(huán)境下的進口氣流狀態(tài)點。顯然，這種方法的插值精度較低，CDFS性能計算誤差偏大。

5 結(jié)果分析

圖5給出了相對換算轉(zhuǎn)速0.70、0.85及1.00(設(shè)計轉(zhuǎn)速)時根據(jù)前文提出的三種測試方案得到的匹配環(huán)境下CDFS性能結(jié)果對比。圖中，三個轉(zhuǎn)速所對應的匹配涵道比分別是0.400、0.280、0.143，流量和壓比分別以CDFS設(shè)計點的流量和壓比進行了無量綱處理，同時給出了相應狀態(tài)的CDFS部件試驗性能結(jié)果。

如前文所述，由于部件間復雜流道引起的氣動損失，及高壓壓氣機進口導葉上的葉型探針在中低轉(zhuǎn)速下測量精度較差，測試方案一獲得的匹配環(huán)境下CDFS壓比和效率明顯偏低，且低轉(zhuǎn)速下尤其明顯。如相對換算轉(zhuǎn)速0.70時，效率隨流量變化趨勢與其他測試方案的結(jié)果相反。測試方案二由于直接采用CDFS靜葉的進口氣流參數(shù)作為其出口氣流參數(shù)，獲得的匹配環(huán)境下CDFS壓比和效率明顯偏大，且低轉(zhuǎn)速下更明顯。這主要是由于CDFS溫升小、壓比低，CDFS靜葉損失在CDFS性能中占比較大。而該測試方案由于不考慮CDFS靜葉的氣動損失，必然使得CDFS性能計算結(jié)果偏高。隨著轉(zhuǎn)速的提高，一方面CDFS轉(zhuǎn)子對氣流做功能力增強，CDFS壓比增大；另一方面匹配涵道比下降，外涵流速相對降低，外涵氣流損失減小。而高壓壓氣機進口導葉逐漸打開，葉型探針測量精度提高，使得這兩種測試方案所獲得的匹配環(huán)境下CDFS性能，在高轉(zhuǎn)速下逐漸接近CDFS在部件環(huán)境下的性能。

與這兩種方案相比，測試方案三獲得的匹配環(huán)境下CDFS性能，在大部分狀態(tài)點與CDFS部件環(huán)境下性能吻合程度較高，效率絕對誤差小于1%，壓比相對誤差也小于1%。但低轉(zhuǎn)速下靠近喘點位置和高轉(zhuǎn)速下靠近堵點位置，兩者性能吻合程度略差。從圖5(a)可知，相對換算轉(zhuǎn)速0.70近喘點處的壓比和效率與相應的部件性能偏差較大。這是因為這些狀態(tài)點相應的CDFS靜葉進口氣流狀態(tài)，并不在圖4所描述的部件環(huán)境下CDFS靜葉進口氣流狀態(tài)域中，靜葉特性計算誤差較大，致使匹配環(huán)境下的CDFS效率和壓比誤差也較大。從圖5(c)可知，設(shè)計轉(zhuǎn)速靠近堵點側(cè)的壓比和效率顯著小于相應的部件性能。一方面是因為高轉(zhuǎn)速下的CDFS靜葉特性受其進口氣流狀態(tài)變化云圖的光滑性較差的影響，導致本文采用局部插值時產(chǎn)生了較大的誤差；另一方面是因為CDFS在匹配環(huán)境和部件環(huán)境下的工作狀態(tài)本身存在差異所致。

圖6給出了CDFS轉(zhuǎn)子壁面靜壓升在匹配環(huán)境與部件環(huán)境下的對比，圖中轉(zhuǎn)子壁面靜壓升以CDFS設(shè)計點壓比進行了無量綱處理?？煽闯?，CDFS在兩種環(huán)境下的轉(zhuǎn)子靜壓升，在中、低轉(zhuǎn)速下基本吻合，但在設(shè)計轉(zhuǎn)速下差異較大，從而使得兩種環(huán)境下CDFS性能在設(shè)計轉(zhuǎn)速下差異較大。

以上分析表明，測試方案三雖然沒考慮下游流場對靜葉的影響，但保留了CDFS轉(zhuǎn)子在兩種環(huán)境下的工作特性差異，測試結(jié)果可用于評定匹配環(huán)境下CDFS性能，其測試精度依賴于單獨部件環(huán)境下CDFS靜葉進口氣流狀態(tài)域的完整性和特性數(shù)據(jù)的準確性。

6 結(jié)論

提出了一種匹配環(huán)境下CDFS出口氣流參數(shù)的有效測量方案，通過與其他兩種測試方案的測試結(jié)果進行對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)與部件環(huán)境下CDFS性能結(jié)果相比，該測試方案獲得的匹配環(huán)境下CDFS性能在中、低轉(zhuǎn)速大部分狀態(tài)下基本吻合，且效率誤差和壓比相對誤差均不大于1%；在設(shè)計轉(zhuǎn)速時略有差別，這是由于CDFS在兩種環(huán)境下工作狀態(tài)差異所致，但不影響該測試方案的適用性。

(2)該測試方案可用于評定匹配環(huán)境下CDFS性能，但其測試精度較依賴于CDFS部件試驗時靜葉進口氣流狀態(tài)域的完整性和特性數(shù)據(jù)的準確性。

(3)用內(nèi)、外涵進口的氣流參數(shù)質(zhì)量平均或CDFS靜葉進口氣流參數(shù)表征CDFS出口氣流參數(shù)，所獲得的匹配環(huán)境下CDFS性能與部件環(huán)境下CDFS性能差異較大，不適用于匹配環(huán)境下的CDFS性能評定，但計算簡單，可在匹配試驗過程中用于CDFS工作狀態(tài)監(jiān)視。

(4)該測試方案也可應用于組合壓氣機性能測試，及發(fā)動機整機環(huán)境下的壓氣機性能測試。

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