3

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240; 2.上海交通大學(xué) 航空航天學(xué)院，上海 200240;3.燃?xì)廨啓C(jī)與民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)教育部工程研究中心，上海 200240)

中介機(jī)匣是民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中呈”S”形的連接增壓級(jí)和高壓級(jí)的過(guò)度通道，是發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要承力部件。隨著現(xiàn)代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)朝著大涵道比的方向發(fā)展，給中介機(jī)匣帶來(lái)了更大的徑向落差，使得中介機(jī)匣內(nèi)的流場(chǎng)品質(zhì)更為惡劣，對(duì)高壓壓氣機(jī)部件和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的不利影響增大，因此各學(xué)者對(duì)中介機(jī)匣展開(kāi)了大量實(shí)驗(yàn)[1-4]和數(shù)值的研究[5-7]，對(duì)中介機(jī)匣進(jìn)行了全面而深入地探討。由于中介機(jī)匣連接的高低壓部件在飛機(jī)起飛和降落階段所需要的流量不同，需要可調(diào)放氣活門(mén)(VBV, Variable Bleed Valve)向外涵道排出部分氣體，以解決流量匹配問(wèn)題。同時(shí)，VBV還有著向外涵道排出沙石等異物的責(zé)任，以確保核心機(jī)不受到?jīng)_擊損壞。

但是VBV通常是在中介機(jī)匣的非設(shè)計(jì)工況下開(kāi)啟，因此關(guān)于VBV的研究國(guó)內(nèi)外幾乎沒(méi)有涉獵，僅有的研究也集中在故障分析和控制原理上，而且對(duì)于VBV控制原理的研究上大多采用“黑箱子”的思路，通過(guò)對(duì)QAR(Quick Access Recorder)數(shù)據(jù)的分析，利用機(jī)器學(xué)習(xí)等算法直接把握VBV的調(diào)節(jié)規(guī)律[8-12]，或者只是在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面申請(qǐng)了設(shè)計(jì)專(zhuān)利[13-14]，涉及VBV結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)的影響尚無(wú)學(xué)者開(kāi)展研究。在中介機(jī)匣的研究已經(jīng)較為完備的情況下，這成為了制約中介機(jī)匣進(jìn)一步研究的要素，具有很大的研究?jī)r(jià)值。為此，本文通過(guò)數(shù)值方法，考慮中介機(jī)匣可調(diào)放氣活門(mén)的結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)的內(nèi)外涵道流量分配變化和對(duì)中介機(jī)匣內(nèi)部流場(chǎng)的影響，并探討中介機(jī)匣內(nèi)涵出口總壓畸變的變化，解決了VBV在中介機(jī)匣的位置選擇和周向打開(kāi)角度的問(wèn)題，擴(kuò)充了VBV的相關(guān)研究，為尋求VBV的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

1 研究對(duì)象與計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象

VBV的結(jié)構(gòu)包括多個(gè)方面，諸如周向打開(kāi)角度、所處軸向位置、流道高度、流道長(zhǎng)度以及可調(diào)放氣活門(mén)上下壁面型線等，這些結(jié)構(gòu)因素都有可能會(huì)對(duì)中介機(jī)匣的流量分配和內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生影響。本文選取周向打開(kāi)角度和所處軸向位置兩個(gè)結(jié)構(gòu)因素作為代表進(jìn)行考量。將某款發(fā)動(dòng)機(jī)的中介機(jī)匣作為基礎(chǔ)模型，通過(guò)改變VBV在中介機(jī)匣的軸向位置和其打開(kāi)的周向角度，研究VBV結(jié)構(gòu)變化對(duì)流量分配的影響和對(duì)中介機(jī)匣內(nèi)部流場(chǎng)的影響，以期在保證足夠的放氣流量的情況下，盡可能的降低VBV對(duì)中介機(jī)匣內(nèi)部流場(chǎng)的破壞。

圖1給出了帶可調(diào)放氣活門(mén)的中介機(jī)匣的無(wú)量綱草圖，以及VBV在軸向上變化的示意圖。如圖所示，VBV軸向上的變化以轉(zhuǎn)軸點(diǎn)作為基準(zhǔn)，原型位于中介機(jī)匣軸向長(zhǎng)度的35%處。圖2是VBV在周向上變化的示意草圖，其中原型占據(jù)支板周向角度的60%，以實(shí)線表示。虛線反映了VBV周向打開(kāi)角度變大，從而探入中介機(jī)匣內(nèi)部角度變小的變化情況。

圖1 可調(diào)放氣活門(mén)示意圖In-進(jìn)口截面;F-支板前截面;VBV-可調(diào)放氣活門(mén);Strut-支板;MD-可調(diào)放氣活門(mén)中截面;BN-內(nèi)涵出口截面;Out1-內(nèi)涵出口邊界;Out2-外涵出口截面;QT-外涵腔體

圖2 周向角度變化示意圖

1.2 數(shù)值方法

數(shù)值計(jì)算以CFX 19.1定常RANS求解，湍流模型采用適應(yīng)復(fù)雜外形、保證精度的同時(shí)又具有較強(qiáng)魯棒性的k-ε雙方程模型，對(duì)流項(xiàng)采用自適應(yīng)的High Resolution格式，收斂精度設(shè)置為10-4。所有固面均設(shè)置為絕熱無(wú)滑移條件，進(jìn)口給定總溫、總壓和均勻來(lái)流方向，設(shè)定湍流強(qiáng)度為中等，內(nèi)外涵道經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的管道發(fā)展后在出口處給定環(huán)境壓力。

計(jì)算域采用單通道計(jì)算，設(shè)置支板間隔為30°，采用ICEM進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分，設(shè)置唇套、活門(mén)和流體域三個(gè)部分。為了得到可靠的網(wǎng)格方案，分別從邊界層和不同部分的網(wǎng)格尺度進(jìn)行加密，以原型確定好網(wǎng)格方案后，改型的計(jì)算模型均采用已確定的網(wǎng)格尺度。

最終，綜合考慮精度和計(jì)算效率，確定了邊界層初始網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，線性增長(zhǎng)11層，全局y+的最大值在60左右，流體域最大網(wǎng)格尺寸不超過(guò)10 mm，活門(mén)網(wǎng)格尺度不超過(guò)3 mm，總計(jì)400萬(wàn)左右的網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格方案以進(jìn)行研究，網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格拓?fù)涫疽鈭D

1.3 計(jì)算方案

中介機(jī)匣兩側(cè)由于支板的存在，導(dǎo)致了VBV周向打開(kāi)角度受限，因此圍繞原型打開(kāi)角度設(shè)置五個(gè)算例，其中ORI是原型算例。周向打開(kāi)角度以單通道角度進(jìn)行無(wú)量綱化，設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1周向變化方案

算例周向角度/[%]A146.7A253.3ORI60.0A366.7A473.3

因?yàn)閂BV本身具有一定的軸向長(zhǎng)度，其前端在原型中已經(jīng)較為靠近OGV，所以在軸向長(zhǎng)度的計(jì)算方案中只考慮向后的情況，其中ORI算例是原型情況，具體設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表2軸向變化方案

算例軸向位置/[%]ORI35B150B265B380

為了準(zhǔn)確的探討VBV周向角度變化和軸向位置變化帶來(lái)的影響，本文通過(guò)改變VBV的打開(kāi)角度，保證VBV的迎風(fēng)面積一致。同時(shí)，使得外涵腔體(QT)的空間足夠大并保持相同的排氣方案，避免排氣背壓的影響，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的討論。

2 結(jié)構(gòu)變化對(duì)放氣能力的影響

如公式(1)定義活門(mén)相對(duì)放氣量λ，以此來(lái)表征VBV的放氣能力，通過(guò)對(duì)VBV軸向和周向的結(jié)構(gòu)改變進(jìn)行比對(duì)，來(lái)分析結(jié)構(gòu)變化對(duì)放氣能力的影響，如圖4所示, 橫坐標(biāo)π表示進(jìn)口無(wú)量綱總壓。由圖可以看出，相對(duì)放氣量基本保持不變，不隨進(jìn)口工況變化的內(nèi)開(kāi)式的放氣特性得到了保留。證明了對(duì)于內(nèi)開(kāi)式的VBV而言，在出口背壓不至于產(chǎn)生堵塞的情況下，VBV開(kāi)口的迎風(fēng)面積是決定放氣量的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，軸向位置是影響放氣特性的另一個(gè)關(guān)鍵因素，而周向角度的改變對(duì)于放氣量的變化影響較小。但還是可以觀察到，隨著周向角度增大，放氣量也會(huì)有小幅度的增加，軸向位置的改變對(duì)放氣能力的影響顯然要明顯得多。原型VBV在機(jī)匣第一彎折處之前，此時(shí)的放氣能力較弱。當(dāng)VBV處于中介機(jī)匣軸向50%處時(shí)，放氣能力有了很大的提升，這時(shí)VBV大致位于第一彎折處稍后。當(dāng)VBV處于第一彎折和第二彎折之間時(shí)，放氣能力有所下降。當(dāng)VBV來(lái)到位于第二彎折處前方時(shí)，即中介機(jī)匣軸向長(zhǎng)度80%處時(shí)，放氣能力又有提高。

周向上的變化較小說(shuō)明了氣流在剛進(jìn)入中介機(jī)匣前流動(dòng)較為均勻，因此原型處是通常選擇的放氣點(diǎn)，無(wú)論CFM56采用的外開(kāi)式還是LEAP采用的內(nèi)開(kāi)式均選擇在該處進(jìn)行放氣。此時(shí)VBV前的氣流密度分布上可以解釋周向變化帶來(lái)的放氣量小幅度增長(zhǎng)。在進(jìn)入中介機(jī)匣第一彎折處前，曲率帶來(lái)的離心力影響使得氣流的密度沿徑向?qū)娱g分布，因此周向角度大而徑向打開(kāi)角度小的時(shí)候放氣能力會(huì)稍微強(qiáng)一些。

在氣流進(jìn)入中介機(jī)匣第一彎折后放氣能力都有了較大的提升可以歸結(jié)于支板作用的影響，支板的氣動(dòng)構(gòu)型決定了氣流在中介機(jī)匣周向上都整體收縮了，那么導(dǎo)致了軸向位置在支板后的VBV的放氣能力普遍增加。文獻(xiàn)[15]中提到中介機(jī)匣內(nèi)的靜壓分布在第一彎折處由機(jī)匣指向輪轂而在第二彎折處由輪轂指向機(jī)匣。因此，在第一彎折處后雖然氣流周向收縮加速但徑向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)由機(jī)匣指向輪轂，這解釋了B1算例的放氣能力處于B1～B3中間。在中介機(jī)匣第一彎折點(diǎn)過(guò)后，周向因?yàn)橹О宓臍鈩?dòng)結(jié)構(gòu)變成擴(kuò)壓，同時(shí)徑向上也逐步擴(kuò)壓變平緩，形成“肚子”結(jié)構(gòu)。構(gòu)型上的改變使得B2算例的放氣能力低于B1算例。同時(shí)，B2算例的VBV處于第一彎折和第二彎折之間流動(dòng)變化最劇烈的位置，氣流流動(dòng)不均勻，因此放氣能力輕微地受到流動(dòng)強(qiáng)度的近線性影響。B3算例因?yàn)閺较蜢o壓的緣故，最終的放氣能力高于B1算例

(1)

式中 下標(biāo)IN——進(jìn)口;

W——外涵;

G——物理流量。

圖4 結(jié)構(gòu)變化對(duì)放氣特性的影響

3 結(jié)構(gòu)變化內(nèi)涵出口總壓畸變的影響

以公式(2)定義無(wú)量綱總壓，計(jì)算結(jié)構(gòu)變化時(shí)對(duì)內(nèi)涵出口總壓分布的影響，圖5選定了相同進(jìn)口工況下軸向變化的總壓分布圖，圖6則是周向變化時(shí)的總壓分布圖。對(duì)比軸向位置變化，可以發(fā)現(xiàn)隨著軸向位置逐漸靠后，機(jī)匣處的三塊低壓區(qū)占據(jù)核心主流區(qū)的空間越大，同時(shí)輪轂處兩側(cè)的低壓區(qū)最終消失。還可以觀察到，主流區(qū)中隨著軸向位置后移，主流的中心區(qū)域出現(xiàn)了較低壓力區(qū)域并不斷擴(kuò)大。周向上的變化就比較簡(jiǎn)明，隨著周向角度的增加，機(jī)匣處的三塊低壓區(qū)的分離愈發(fā)明顯。

圖5 軸向變化時(shí)的內(nèi)涵出口總壓分布云圖

圖6 周向變化時(shí)的內(nèi)涵出口總壓分布云圖

VBV軸向位置的后移導(dǎo)致了氣體在繞過(guò)VBV后越來(lái)越來(lái)不及擴(kuò)散摻混，在內(nèi)涵出口形成了整片的低壓區(qū)。向VBV擴(kuò)散的氣流在VBV底部形成相對(duì)旋轉(zhuǎn)的渦系結(jié)構(gòu)并向后傳播，摻混越不充分那么渦系結(jié)構(gòu)就越能維持，導(dǎo)致了VBV軸向位置越靠后，主流區(qū)中的低壓部分就越明顯。VBV周向變化出現(xiàn)低壓區(qū)分區(qū)的主要原因是周向打開(kāi)的角度越大，和支板形成的通道愈發(fā)狹窄，堆積更多的低能流體。流體受到周向切應(yīng)力的影響使得支板的附面層發(fā)生了分離[16]，進(jìn)一步加劇內(nèi)涵出口的總壓畸變，擠壓主流形成分區(qū)

(2)

式中 下標(biāo)t——總壓;

ref——參考選取的參考截面;

norm——無(wú)量綱化。

為了量化總壓畸變的變化，參考美標(biāo)ARP1420環(huán)形進(jìn)氣道的總壓畸變指數(shù)定義如公式(3)所示的綜合總壓畸變指數(shù)來(lái)衡量?jī)?nèi)涵出口的畸變程度。圖7對(duì)比了所有算例的綜合總壓畸變指數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)原型的綜合畸變指數(shù)最低，B1和B2較高，其余算例的綜合畸變指數(shù)位于兩者之間。同時(shí)，所有算例的綜合畸變指數(shù)與進(jìn)口的流動(dòng)強(qiáng)度均呈線性關(guān)系。

圖7 綜合畸變指數(shù)

流動(dòng)強(qiáng)度越大，高壓區(qū)和低壓區(qū)之間的差異越大，導(dǎo)致了綜合畸變指數(shù)線性變化。周向變化是對(duì)主流核心區(qū)和機(jī)匣兩側(cè)低壓區(qū)的取舍問(wèn)題，周向打開(kāi)角度較小時(shí)，機(jī)匣兩側(cè)流動(dòng)狀況較好而主流核心區(qū)會(huì)受到影響，當(dāng)周向打開(kāi)角度較大時(shí)情況又正好反過(guò)來(lái)。在二者的權(quán)衡中，原型打開(kāi)角度的設(shè)計(jì)更合理，在流動(dòng)強(qiáng)度大時(shí)尤為明顯。B2算例的VBV處于第一彎折和第二彎折之間，此時(shí)徑向落差比上軸向長(zhǎng)度最大，是下落最快的地方，因此流動(dòng)變化更為劇烈，使得B2算例在所有算例中綜合總壓畸變程度最大。B3算例處于中介機(jī)匣彎折即將結(jié)束的前方，流動(dòng)逐漸平緩。同時(shí)，抑制了輪轂處的分離流動(dòng)，也很大程度擠壓了主流區(qū)，形成了主流區(qū)和低壓區(qū)差距較小的局面，因此綜合總壓畸變指數(shù)反而不高。B1算例是VBV位于流動(dòng)開(kāi)始劇烈變化的位置，因此對(duì)于內(nèi)涵出口總壓畸變綜合指數(shù)的提升影響小于B2算例

(3)

式中σ0——低于內(nèi)涵出口截面平均總壓的區(qū)域的總壓恢復(fù)系數(shù);

σav——內(nèi)涵出口截面平均的總壓恢復(fù)系數(shù)。

4 結(jié)論

本文以中介機(jī)匣的可調(diào)放氣活門(mén)為研究對(duì)象，探討了其結(jié)構(gòu)變化對(duì)流動(dòng)特性和內(nèi)涵出口總壓畸變的影響，得到如下結(jié)論：

(1)VBV周向打開(kāi)角度變化對(duì)放氣能力的影響小于VBV軸向位置變化的影響。在原型位置，即中介機(jī)匣第一彎折處前，周向打開(kāi)角度越大，放氣能力越強(qiáng)，相比原型最多提升了約6%。軸向位置變化中，進(jìn)入支板段后放氣能力相比原型普遍提升25%左右，其中B2算例的放氣能力較B1和B3弱。

(2)VBV處周向通道的變化使得機(jī)匣處的流動(dòng)區(qū)域劃分發(fā)生了變化，使機(jī)匣處低壓區(qū)隨著周向角度變大逐漸分區(qū)；軸向變化對(duì)內(nèi)涵出口總壓分布的構(gòu)型改變影響較大，VBV越靠后對(duì)核心主流區(qū)域的擠壓就越嚴(yán)重，但也抑制了輪轂處的流動(dòng)分離。

(3)VBV位于第一彎折和第二彎折之間的綜合畸變指數(shù)較大，原型較低，其余的算例基本一致。因此綜合考慮總壓畸變、放氣能力和內(nèi)涵出口的總壓分布，VBV可以選擇在中介機(jī)匣第二彎折處。