竇健，吳瓊

(南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

變循環(huán)發(fā)動機(jī)(variable cycle engine，VCE)通過幾何可變部件的調(diào)節(jié)使發(fā)動機(jī)涵道比、推力系數(shù)、耗油率等在較大范圍內(nèi)變化，使發(fā)動機(jī)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(wù)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(wù)，被認(rèn)為是先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)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(huán)發(fā)動機(jī)獨特且重要的結(jié)構(gòu)之一[2-5]。常規(guī)渦扇發(fā)動機(jī)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(dāng)其與低壓渦輪可變噴嘴等其他變循環(huán)特征結(jié)合起來時，可以獨立地控制高低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)VCE極大的靈活性。

近幾年，國內(nèi)在變循環(huán)發(fā)動機(jī)涵道引射器方面也展開了相應(yīng)的研究。如文獻(xiàn)[6-7]通過建立變循環(huán)發(fā)動機(jī)性能程序或者利用已有程序就RVABI對變循環(huán)發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性影響、發(fā)動機(jī)性能等方面進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[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(guī)律開展研究。

本文在文獻(xiàn)[9]所設(shè)計的變循環(huán)發(fā)動機(jī)后涵道引射器的基礎(chǔ)上，首先通過變面積的計算方法對后涵道引射器其他關(guān)鍵工況進(jìn)行計算，獲取典型的寬工作范圍內(nèi)的性能參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)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(huán)發(fā)動機(jī)后涵道引射器工作模態(tài)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(jìn)行了研究。

1 計算模型與數(shù)值方法

1.1 可變面積方案的選擇

根據(jù)變循環(huán)發(fā)動機(jī)后涵道引射器調(diào)節(jié)方案的不同，可以將常見的變循環(huán)發(fā)動機(jī)后涵道引射器面積調(diào)節(jié)方案分為平移式與轉(zhuǎn)動式兩大類。通過對文獻(xiàn)[10-13]中兩種不同類后涵道引射器的變面積調(diào)節(jié)方案歸納與分析，平移式調(diào)節(jié)方案不僅能夠使引射器的面積可調(diào)，還可以實現(xiàn)引射器混合室平行進(jìn)氣的功能，平行進(jìn)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(fā)生變化，需要“特殊”構(gòu)型的閥體，這種構(gòu)型的型面使流道橫截面積發(fā)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(shè)計。而旋轉(zhuǎn)式后涵道引射器面積可調(diào)節(jié)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(shè)計，所以本文采用旋轉(zhuǎn)式后涵道引射器面積可變的調(diào)節(jié)方案。

圖1為本文所采用的后涵道引射器面積調(diào)節(jié)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(shè)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(jī)匣3相連接?；旌掀?可繞鉸鏈2轉(zhuǎn)動，從而改變后涵道引射器混合室外、內(nèi)涵氣流的進(jìn)口面積比，即A18/A8的大小，從而實現(xiàn)后涵道引射器面積的調(diào)節(jié)。

1—混合器；2—鉸鏈；3—中介機(jī)匣。圖1 RVABI結(jié)構(gòu)示意圖

為了獲得RVABI的調(diào)節(jié)狀態(tài)特性及相應(yīng)的流場特征，利用CFD方法對RVABI的三維流場進(jìn)行計算。計算假設(shè)在后涵道引射器面積變化的過程中，可調(diào)引射器各瓣之間沒有氣流通過，且引射器與中介機(jī)匣之間沒有空隙。在此假設(shè)條件下，對不同A18/A8的后涵道引射器進(jìn)行計算，調(diào)節(jié)狀態(tài)計算時，面積比(A18/A8)的具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 后涵道引射器A18/A8

1.2 網(wǎng)格及邊界條件

數(shù)值計算方法與邊界條件的設(shè)置與文獻(xiàn)[9]后涵道引射器設(shè)計工況下的計算類似。由于調(diào)節(jié)狀態(tài)計算過程中后涵道引射器混合室的外、內(nèi)涵面積比發(fā)生變化，所以計算網(wǎng)格發(fā)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(wǎng)格，計算所用的三維網(wǎng)格由各自的對稱剖面二維網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)60°生成。

圖2 不同A18/A8的后涵道引射器混合室進(jìn)口處網(wǎng)格示意圖

采用文獻(xiàn)[9]中的數(shù)值計算方法進(jìn)行計算。表2列出了后涵道引射器在關(guān)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(nèi)涵進(jìn)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(guān)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(fēng)扇外涵進(jìn)口和低壓渦輪內(nèi)涵進(jìn)口總壓或者總壓比的情況下，通過調(diào)節(jié)A18/A8，協(xié)同前涵道引射器面積的調(diào)節(jié)，使得發(fā)動機(jī)涵道比發(fā)生變化。這種調(diào)節(jié)是主動的，意欲通過主動控制發(fā)動機(jī)涵道比，使得發(fā)動機(jī)在不同的工作模式都具有最優(yōu)的關(guān)鍵性能，即合理匹配發(fā)動機(jī)耗油率和推力與飛機(jī)飛行任務(wù)的關(guān)系。由此可見，用于完成多任務(wù)的航空推進(jìn)系統(tǒng)在不同種類任務(wù)階段轉(zhuǎn)換時，后涵道引射器需要調(diào)節(jié)A18/A8的大小，從而實現(xiàn)發(fā)動機(jī)不同工作模式之間的轉(zhuǎn)化。為了確保全工作范圍內(nèi)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(shù)通過對雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵工況點計算獲得，工作特性圖以后涵道引射器外涵進(jìn)口面積與內(nèi)涵進(jìn)口面積之比A18/A8為自變量，內(nèi)、外涵總壓比π為參變量，總壓恢復(fù)系數(shù)、涵道比B、出口截面馬赫數(shù)Maout以及后涵道引射器外涵進(jìn)口壓力Pb作為目標(biāo)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(huán)發(fā)動機(jī)F120的不同工作模式示意圖，它演示了雙外涵不加力變循環(huán)發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)變循環(huán)調(diào)節(jié)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(jìn)口；8—CDFS出口；9—CDFS進(jìn)口；10—風(fēng)扇出口。圖5 雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)內(nèi)流動示意圖

通過對雙外涵變循環(huán)發(fā)動機(jī)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(guān)系為：1) 在發(fā)動機(jī)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(diào)節(jié)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(dāng)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(diào)節(jié)會對后風(fēng)扇工作狀態(tài)產(chǎn)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(fēng)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(jìn)口氣流馬赫數(shù)應(yīng)當(dāng)<0.3。

由此可知，后涵道引射器與前涵道引射器的匹配關(guān)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(jìn)口截面的平均靜壓特性。另外以與圖例相同顏色的經(jīng)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(yīng)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(dāng)后涵道引射器面積比在0.26時，后涵道引射器的外涵進(jìn)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(nèi)，可實現(xiàn)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(nèi)，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(guān)系

4 結(jié)語

本文利用CFD技術(shù)對4個不同工況點進(jìn)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(huán)發(fā)動機(jī)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(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，前后涵道引射器匹配特性良好。