馬昌友，侯敏杰，梁 俊，裴會平

(1.中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 201306；2.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽 621000)

1 引言

雙外涵變循環(huán)發(fā)動機是當(dāng)前研究最為廣泛、發(fā)展較為成熟的一款變循環(huán)發(fā)動機，由于其具有集渦噴發(fā)動機和渦扇發(fā)動機優(yōu)勢于一身的特點，在軍用航空領(lǐng)域和鄰近空間飛行方面具有廣泛的應(yīng)用前景，成為新一輪航空發(fā)動機競賽中世界各國致力研究的熱點[1-2]。核心機驅(qū)動風(fēng)扇級(CDFS)是雙外涵變循環(huán)發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，美、英、法、日等國對其進行了持續(xù)、深入的研究[3-7]。國內(nèi)對變循環(huán)發(fā)動機的研究起步較晚，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)化研究[8-12]。張鑫等[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(HPC)的匹配。劉寶杰等[14]對CDFS與HPC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HPC匹配環(huán)境下的性能進行試驗驗證。馬昌友等[15]通過建立CDFS與HPC匹配狀態(tài)點關(guān)聯(lián)預(yù)估簡化方程，發(fā)展了匹配性能預(yù)估程序，然后基于兩個壓縮部件性能試驗數(shù)據(jù)進行了典型匹配狀態(tài)涵道比預(yù)估及特點分析，深入研究了等轉(zhuǎn)速下涵道比調(diào)節(jié)對兩個壓縮部件工作狀態(tài)點變化規(guī)律及匹配性能的影響。

與CDFS或帶級間引氣的HPC單獨部件試驗相比，CDFS與HPC匹配試驗時，不僅需對HPC級間引氣率進行控制，還要對匹配涵道比進行控制，這使得常規(guī)單軸單涵道壓氣機試驗器難以直接滿足其試驗需求。嚴(yán)格說來，CDFS與HPC匹配試驗應(yīng)在單軸雙涵道壓氣機試驗器上開展，但目前國內(nèi)此類試驗器的內(nèi)、外涵出口在同一個軸向位置，而CDFS與HPC匹配試驗件的外涵出口與內(nèi)涵HPC出口處于不同軸向位置，開展CDFS與HPC匹配試驗，需將外涵氣流通過HPC機匣外的環(huán)形轉(zhuǎn)接段引出至與HPC出口相同的軸向位置，這不僅增加了匹配試驗件的設(shè)計難度，還增加了HPC的級間和出口氣流參數(shù)的測試難度。

為搭建CDFS與HPC匹配試驗驗證平臺，本文針對CDFS與HPC匹配試驗環(huán)境下的外涵氣流和HPC級間氣流的特點，基于與CDFS和HPC部件試驗相同的單軸單涵道壓氣機試驗器，提出采用大流量、低壓損的抽氣系統(tǒng)和直排大氣的放氣系統(tǒng)分別調(diào)節(jié)外涵流量和HPC級間引氣流量，以實現(xiàn)匹配試驗過程中對涵道比和HPC級間引氣率的有效控制。

2 匹配試驗平臺搭建方案

研究對象為某CDFS與HPC匹配試驗件，如圖1所示。圖中bi、bo、yq分別為外涵流道支板進口截面、外涵排氣孔口截面、級間引氣口截面。CDFS與HPC同軸串裝在一起，并設(shè)計有外涵流道，試驗中除需控制外涵流量外，還要控制HPC第二級級間引氣率保持不變。CDFS與HPC匹配試驗在中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院全臺壓氣機試驗器上開展。該試驗器為敞開節(jié)流式單軸單涵道軸流壓氣機試驗器，只含有一路抽氣系統(tǒng)，僅可滿足一般多級壓氣機級間氣流小流量引氣，無法滿足CDFS與HPC匹配試驗時同時對外涵流量和HPC級間引氣流量控制的需求。

圖1 CDFS與HPC匹配氣動布局Fig.1 The matching aerodynamic configuration between CDFS and HPC

從文獻[14-15]可知，外涵流量(涵道比)影響匹配性能，而外涵流道出口氣流的排出方式并不影響CDFS與HPC的匹配性能。為降低匹配試驗件設(shè)計和試驗設(shè)備改造難度，本文采用HPC部件試驗時級間引氣的方式模擬外涵排氣，在匹配試驗件外涵機匣周向開設(shè)多個排氣孔，通過集氣裝置收集外涵氣流后，再對外涵流量進行測量和控制。即通過增加一路大流量引氣系統(tǒng)用于外涵排氣，基于單軸雙涵道壓氣機試驗器構(gòu)建CDFS與HPC匹配試驗平臺。

與HPC出口內(nèi)涵高壓氣流采用直排大氣方式不同的是，CDFS出口外涵氣流需采用帶抽氣能力的引氣系統(tǒng)進行排氣。這是因為，CDFS與HPC匹配試驗時設(shè)計功率達到了CDFS的7.00倍或HPC的2.07倍，甚至是兩者總和的1.60倍，如表1所示(表中功率值均以CDFS設(shè)計功率進行了無量綱處理)。受動力輸出功率的限制，為降低匹配試驗件實際功率消耗，CDFS與HPC匹配試驗時試驗件進口必須進行較大程度的節(jié)流(預(yù)估≯0.60)。由于CDFS壓比低，再加上外涵流道的氣動損失，導(dǎo)致外涵出口氣流壓力較低，甚至低于大氣壓。

根據(jù)文獻[15]，隨著轉(zhuǎn)速的降低，匹配涵道比值增大。在相對換算轉(zhuǎn)速0.85時，外涵流量需求最大，預(yù)估CDFS與HPC匹配試驗件外涵流量最大需求將達3.00 kg/s以上。而現(xiàn)有抽氣系統(tǒng)設(shè)計時主要用于多級高壓壓氣機級間引氣，流量較小，抽氣條件下最大引氣流量不足1.00 kg/s。在考慮改造成本和改造周期的情況下，本文提出將現(xiàn)有抽氣系統(tǒng)改造成直排大氣的放氣系統(tǒng)，即不再連接抽氣總管，用于HPC級間引氣，另新增一路大流量引氣系統(tǒng)連接至抽氣總管，利用抽氣機組降低該引氣系統(tǒng)的背壓，進一步提高其引氣能力，構(gòu)建低背壓、大流量外涵排氣系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 CDFS和HPC及兩者匹配功率對比Table 1 CDFS and HPC matching power comparison

圖2 CDFS與HPC匹配試驗器示意圖Fig.2 Schematic diagram of the matching tester between CDFS and HPC

3 HPC級間引氣直排大氣可行性分析

CDFS與HPC匹配試驗時，采用直排大氣的放氣系統(tǒng)進行HPC級間引氣率控制，是考慮到經(jīng)過CDFS和HPC前兩級增壓，即使在匹配試驗件進口節(jié)流情況下，引氣壓力仍然大于大氣壓，氣流密度較大，引氣氣流速度較低，流經(jīng)引氣系統(tǒng)的氣流總壓損失較小。圖3給出了HPC試驗件單獨試驗性能錄取時，試驗件引氣口總壓與大氣壓之間相對比值pyq/ph隨試驗件轉(zhuǎn)速的變化趨勢。可以看出，盡管低轉(zhuǎn)速時引氣壓比較低，高轉(zhuǎn)速時試驗件進口節(jié)流程度較大，但在整個性能錄取轉(zhuǎn)速范圍(相對換算轉(zhuǎn)速0.60至1.00)內(nèi)，引氣口處總壓均明顯高于大氣壓。

圖3 HPC部件試驗時試驗件引氣口相對總壓隨轉(zhuǎn)速變化趨勢Fig.3 The relative total pressure variation trend with the HPC’s bleed slot during component test

當(dāng)CDFS與HPC匹配后，在低轉(zhuǎn)速下，動力功率需求較低，試驗件進口盡量少節(jié)流。同時，考慮到CDFS對氣流增壓，匹配試驗環(huán)境下的HPC級間引氣壓力不會比部件試驗環(huán)境下的低，采用直排大氣的放氣系統(tǒng)進行匹配環(huán)境下HPC級間引氣可滿足試驗需求。當(dāng)試驗件轉(zhuǎn)速低于性能錄取轉(zhuǎn)速范圍時，可能存在引氣口壓力低于大氣壓，使得引氣氣流無法通過放氣系統(tǒng)排出，但較低的引氣率不會對試驗件的安全運行造成影響。

4 外涵排氣系統(tǒng)設(shè)計

外涵排氣系統(tǒng)除需與含補氣閥(調(diào)節(jié)背壓)的抽氣總管連接外，其結(jié)構(gòu)與HPC級間引氣用放氣系統(tǒng)的基本相同，均由集氣裝置、流量測量與控制裝置等組成。其中，集氣裝置用于收集從試驗件外涵排氣口排出的氣流，并排出到外涵流量測量與控制管道中；流量測量裝置除應(yīng)滿足外涵流量測量范圍要求外，和集氣裝置一樣，還應(yīng)具有低總壓損失以增大外涵排氣能力。流量控制裝置一般由電動調(diào)壓閥控制，當(dāng)外涵流量控制精度要求較高時，可通過并聯(lián)一小管徑調(diào)壓閥進行流量微調(diào)。

原有壓氣機級間引氣用抽氣系統(tǒng)的集氣裝置為結(jié)構(gòu)緊湊的O型結(jié)構(gòu)，并采用金屬軟管與試驗件軟連接，流量測量裝置則選用孔板流量計。為更好地指導(dǎo)外涵排氣系統(tǒng)設(shè)計，采用Fluent商業(yè)軟件對其集氣裝置和流量測量裝置進行數(shù)值模擬，計算狀態(tài)和計算結(jié)果如表2所示。計算狀態(tài)1、2分別對應(yīng)相對換算轉(zhuǎn)速1.00和0.85時CDFS出口氣流狀態(tài)。計算時，進口給定總壓和總溫，出口給定背壓(為抽氣總管最小允許靜壓)?？梢?，兩個狀態(tài)下的物理流量略有差別，但換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣進氣條件下流量基本相同。這是由于兩種計算狀態(tài)下該抽氣系統(tǒng)的抽氣能力達到了極限。圖4給出了計算狀態(tài)2引氣系統(tǒng)壓力分布計算結(jié)果。可看出，O型集氣裝置出口區(qū)域和孔板流量計喉部是產(chǎn)生氣流總壓損失的主要區(qū)域，也是影響抽氣系統(tǒng)抽氣能力的主要瓶頸。O型集氣裝置出口處的氣流折轉(zhuǎn)角較大，氣流容易發(fā)生分離，導(dǎo)致流道堵塞；孔板流量計屬于節(jié)流式測量元件，氣流通過其喉部流速加快，從而產(chǎn)生較大的壓差，提高了流量測量精度，但這也使得氣流的總壓損失較大。

表2 現(xiàn)有抽氣系統(tǒng)引氣能力計算結(jié)果Table 2 The calculation result of the current bleeding capacity

圖4 O型集氣裝置和流量測量裝置的壓力分布云圖Fig.4 Total pressure cloud chart of O-type gas collector and flowmeter

為克服現(xiàn)有O型集氣裝置存在的結(jié)構(gòu)缺陷，本文采用了U型結(jié)構(gòu)方案，見圖5。U型集氣裝置由一根與抽氣總管管徑相同的水平主管道和兩根含多個引氣接口的豎直分支管道組成，安裝在與試驗件外涵引氣口相近的軸向位置處。分支管管徑選取原則為，兩根分支管的流通面積總和略大于主管流通面積。匹配試驗件外涵排氣孔與分支管的引氣口采用相同管徑的金屬軟管一一相連，并盡可能縮短軟管長度，以降低外涵氣流在軟管中的總壓損失。

圖5 U型集氣裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Fig.5 Structural design of U-type gas collector

圖6給出了U型集氣裝置壓力分布計算結(jié)果，計算狀態(tài)按表2中狀態(tài)1給定。可見，集氣裝置壓力沿程變化明顯平緩，流量達到了3.67 kg/s，為原O型集氣裝置最大排氣流量的3倍。需注意，以上數(shù)值計算時集氣裝置與試驗件之間的金屬軟管視為光滑管，因此實際最大排氣流量略小。為降低流量測量裝置對氣流的總壓損失，選用阿牛巴流量計進行外涵流量測量。該流量計具有測量精度高、量程比大、總壓損失小、調(diào)試方便、安裝成本低等優(yōu)點[16]。

圖6 U型集氣裝置壓力分布云圖Fig.6 Total pressure contour of U-type gas collector

5 外涵排氣系統(tǒng)設(shè)計驗證與分析

集氣裝置通過多根金屬軟管與試驗件外涵排氣孔連接，為外涵排氣系統(tǒng)最復(fù)雜的部分。氣流流經(jīng)含金屬軟管的集氣裝置時總壓損失較大，是制約排氣能力的主要瓶頸。為便于分析，集氣裝置總壓損失定義為：

式中：pa為集氣裝置的出口總壓，本文取阿牛巴流量計的進口氣流總壓；px為集氣裝置進口總壓。

當(dāng)外涵排氣系統(tǒng)單獨調(diào)試時，外涵集氣裝置進口為金屬軟管進口，即px=pbo，由于進口氣流實際上為大氣，本文直接取集氣裝置進口總壓為大氣壓；當(dāng)CDFS與HPC匹配試驗時，受空間限制，外涵集氣裝置進口總壓取試驗件外涵流道支板進口總壓，即px=pbi，這意味著此時外涵集氣裝置的壓損包含試驗件外涵流道的總壓損失。

圖7給出了外涵排氣系統(tǒng)調(diào)試和CDFS與HPC匹配試驗時，流量隨集氣裝置總壓損失的變化趨勢?？梢?，外涵排氣系統(tǒng)調(diào)試和CDFS與HPC匹配試驗時進入集氣裝置的流量分別達到了3.00 kg/s、3.50 kg/s，基本滿足匹配試驗需求。但此時集氣裝置的總壓損失達到了0.56，這說明U型集氣裝置的總壓損失較大。

圖7 流量隨集氣裝置總壓損失的變化趨勢Fig.7 The flow rate varies with the total pressure loss of the gas collector

從圖7還可發(fā)現(xiàn)，外涵排氣系統(tǒng)調(diào)試時，流量隨集氣裝置總壓損失的增大呈單調(diào)上升趨勢；匹配試驗時，流量隨集氣裝置總壓損失的增大呈總體上升趨勢，但不是單調(diào)上升趨勢。這是因為調(diào)試時，進入集氣裝置中的氣流來自大氣，調(diào)試期間氣流溫度和壓力基本不變；但匹配試驗時，進入外涵排氣系統(tǒng)的氣流參數(shù)受試驗件的進口節(jié)流比、轉(zhuǎn)速及靜葉角度等的影響較大。為此，根據(jù)外涵進口氣流參數(shù)，將外涵實際流量W換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下，得到外涵進口換算流量Gx，表征外涵排氣系統(tǒng)的排氣能力。

式中：Tx為進口總溫，測量位置與px的相同。

圖8 外涵進口換算流量隨集氣裝置總壓損失的變化趨勢Fig.8 The inlet corrected flow rate varies with the total pressure loss of two type gas collectors

圖8示出了U型集氣裝置的外涵排氣系統(tǒng)和帶O型集氣裝置的原抽氣系統(tǒng)，在CDFS與HPC匹配試驗和單獨調(diào)試兩種環(huán)境下的進口換算流量隨集氣裝置總壓損失的變化特性。盡管集氣裝置進口位置選取不同，但進入集氣裝置的進口換算流量隨集氣裝置總壓損失的增加呈單調(diào)上升趨勢。通過數(shù)據(jù)擬合，兩者可采用下式關(guān)聯(lián)：

對比兩種集氣裝置可看出，當(dāng)進口流通面積和抽氣總管保持不變時，僅通過改造集氣裝置和更換流量測量裝置，單獨調(diào)試時集氣裝置進口(即金屬軟管進口)最大換算流量從0.99 kg/s上升至3.28 kg/s，匹配試驗時外涵支板進口最大換算流量從0.86 kg/s上升至2.88 kg/s，兩種環(huán)境下流量均提升了2.3倍以上。但需注意的是，U型集氣裝置在最大進口換算流量時的總壓損失明顯大于O型集氣裝置的。這是因為原抽氣系統(tǒng)的流量測量裝置為孔板流量計，總壓損失較大，使得O型集氣裝置出口總壓無法進一步降低，從而限制了O型集氣裝置的進出口總壓下降量，并使得進口最大流量受到限制；改造后的外涵排氣系統(tǒng)，由于采用了低壓損的阿牛巴流量計進行外涵流量測量，U型集氣裝置出口的最低總壓接近抽氣總管的最低總壓，從而使得U型集氣裝置的進出口總壓下降量進一步增大。由此可見，U型集氣裝置進口的最大流量顯著提高得益于兩方面因素：①U型集氣裝置的氣動性能比O型集氣裝置的好——O型集氣裝置調(diào)試、總壓損失為0.40時進口換算流量為1.00 kg/s，而U型集氣裝置調(diào)試、總壓損失為0.40時進口換算流量則達到了2.90 kg/s；②U型集氣裝置出口總壓可以更大程度地降低——O型集氣裝置調(diào)試時的最大總壓損失為0.40，而U型集氣裝置調(diào)試時的最大總壓損失可達到0.59，并引起進口換算流量進一步上升約0.40 kg/s。

此外，從單獨調(diào)試和匹配試驗對比結(jié)果看，匹配試驗時集氣裝置進口從匹配試驗件的外涵排氣孔口移到外涵支板進口，導(dǎo)致最大進口換算流量從調(diào)試時的3.28 kg/s下降到匹配試驗時的2.88 kg/s。這主要是因為該匹配試驗件的外涵流道總壓損失較大所致。可見，在優(yōu)化外涵排氣系統(tǒng)的同時，也應(yīng)考慮盡可能改進試驗件外涵流道設(shè)計，以降低其總壓損失。

6 結(jié)論

針對CDFS與HPC匹配試驗環(huán)境下外涵氣流和HPC級間氣流的特點，基于單軸單涵道壓氣機試驗器，通過將現(xiàn)有低流量抽氣系統(tǒng)適應(yīng)性改造成大流量外涵排氣系統(tǒng)，并新增用于HPC級間引氣的放氣系統(tǒng)，搭建成CDFS與HPC匹配試驗平臺，并成功開展了CDFS與HPC匹配性能試驗。主要結(jié)論為：

(1) 在CDFS與HPC匹配試驗件外涵流道出口機匣上沿周向開設(shè)多個排氣孔模擬外涵排氣，可在單軸單涵道壓氣機試驗器上實現(xiàn)開展CDFS與HPC匹配試驗的能力。

(2) CDFS與HPC匹配試驗時，應(yīng)采用抽氣系統(tǒng)進行匹配涵道比的控制，采用直排大氣的放氣系統(tǒng)進行HPC級間引氣率的控制，抽氣系統(tǒng)與放氣系統(tǒng)相互獨立，便于試驗調(diào)節(jié)。

(3) 集氣裝置是制約外涵排氣能力的主要瓶頸，其氣動性能可采用極限流量和總壓損失影響因子描述。

(4) 提高外涵排氣能力的主要途徑，一是優(yōu)化外涵排氣系統(tǒng)(集氣裝置、流量測量裝置等)和匹配試驗件外涵流道的氣動性能，降低其總壓損失；二是降低外涵排氣系統(tǒng)的出口背壓，增大外涵排氣系統(tǒng)進出口總壓降。

(5) 相同進口面積下，采用U型集氣裝置替換O型集氣裝置、阿牛巴流量計替換孔板流量計，可以有效降低外涵排氣系統(tǒng)的總壓損失，提高外涵排氣能力。