核心机驱动风扇级气动特性及静子方案研究

核心机驱动风扇级(CDFS)是实现变循环发动机宽涵道比调节的关键部件之一,其在不同工作模式下出口气流角差异较大,造成CDFS与下游部件匹配困难。针对这一问题设计在CDFS转子后增设一排小弯角静子叶片的方案,优化CDFS与下游部件的匹配效果。使用NUMECA中的AutoGrid5软件包对CDFS进行网格划分和仿真计算。计算结果表明:在转子后增加静子会降低CDFS的效率,但能提高CDFS的稳定裕度,双涵道模式下小弯角静子方案的稳定裕度相对无静子方案提高4.4个百分点,且压比、效率均高于常规静子方案,是一种性能较优的CDFS静子方案。

核心机驱动风扇级可变弯度导叶设计方法

为设计出适用于核心机驱动风扇级的可变弯度导叶,在基础叶型设计的基础上,采用数值计算方法详细分析了缝隙形式以及设计点的选取对可变弯度导叶性能的影响。计算结果表明:不同的气流转折角对应着不同的最佳基础叶型;在缝隙设计中采用Coanda型线可以有效提高泄漏流的附壁性能,抑制缝隙后附面层的发展,提高可变弯度导叶性能;可变弯度导叶出口气流角变化范围较大,设计点的选取对可变弯度导叶的性能有显著的影响。

紧凑布局核心机驱动风扇级设计参数影响分析

以某核心机驱动风扇级(Core driven fan stage,简称CDFS)的气动方案为例,使用新版Denton程序通过数值模拟分析了气动布局、预旋分布和转子径向负荷分布对CDFS性能的影响。数值结果表明:利用CDFS静子取代高压压气机进口导叶是一种紧凑高效的CDFS气动布局;CDFS效率所受的影响主要来自转子效率的变化,工作裕度所受的影响主要来自静子负荷的变化;增加CDFS转子叶根的设计压比可以降低CDFS静子叶根的气动负荷,从而使CDFS获得更为均衡的性能。

核心机驱动风扇级在非设计模式下的匹配方法研究

核心机驱动风扇级(CDFS)是双涵道变循环发动机的关键部件之一。为了开展CDFS在非设计模式下(双涵道模式)的匹配分析,利用速度三角形建立了CDFS在双涵道模式下的匹配特性图,该图能够正确反映双涵道模式下CDFS的工作特点和主要气动参数的变化趋势。结果表明:给定CDFS在双涵道模式下流量时,随着压比下降,需要降低CDFS在双涵道模式下的转速才能保证转子进口相对气流角不变;给定双涵道模式的流量和压比时,若要使转子进口相对气流角下降,需要增加CDFS在双涵道模式下的转速。

弯曲叶片静子对核心机驱动风扇级的影响研究

针对核心机驱动风扇级气动设计问题,采用定常数值模拟方法,对某核心机驱动风扇级进行建模,分别采用直叶片静子和弯曲叶片静子在级环境中进行三维仿真,对比分析了单外涵模式和双外涵模式下分别采用直叶片静子和弯曲叶片静子的气动参数和流场,并揭示了不同模式下静子的气动参数特点,结果表明,正弯曲叶片适用于核心机驱动风扇级,其能够改变静子载荷的径向分布,削弱根部的气流分离,减少了气动损失,提高了效率,且对两种工作模式均有效;单外涵模式静子宜采用偏负攻角设计。

核心机驱动风扇级转子叶尖流动结构和机理的研究

为了探究核心机驱动风扇级不同工作模式下转子叶尖流动结构和机理,对某核心机驱动风扇级转子流场进行了三维定常数值模拟,分析了单外涵模式和双外涵模式下工作点及近失速点转子叶尖流场结构特点,并研究了不同叶尖间隙对核心机驱动风扇级性能的影响。结果表明:单外涵模式与双外涵模式设计点叶尖泄漏涡起始位置不同;单外涵模式转子叶尖存在贯穿流道的正激波,双外涵模式该正激波消失;泄漏涡经过转子叶尖超声速区域会形成低速带;单外涵模式时泄漏涡经过正激波后发生扩散,并使正激波出现"缺口";转子叶尖间隙大小对核心机驱动风扇级两种工作模式下的流量、压比和等熵效率影响均较小,间隙增大到一定程度后稳定裕度下降剧烈。

导向器稠度对核心机驱动风扇级性能的影响

为了设计核心机驱动风扇级的导向器,采用数值计算方法,研究了稠度分布对核心机驱动风扇级性能的影响。结果表明:当弦长从叶根到叶尖不变时,叶根稠度较大而叶尖稠度较小,核心机驱动风扇级静子叶根出现大面积分离,导致效率下降;改变导向器叶片弦长分布,使其叶根弦长小而叶尖弦长大,可以有效提高核心机驱动风扇级的效率;保持导向器出口气流角平均值不变,则核心机驱动风扇级的总压比变化不大。

核心机驱动风扇级气动参数径向分布对变循环发动机性能的影响

为了考虑部件流动细节对发动机性能的影响,采用迭代耦合方法建立了变循环发动机(Variable cycle engine,VCE)多维仿真模型。在VCE多维仿真模型中,核心机驱动风扇级(Core driven fan stage,CDFS)三维仿真模型的结果以流量修正因子、压比修正因子和等熵效率修正因子的形式反馈给VCE零维仿真模型,对CDFS的特性图进行修正。在考虑CDFS气动参数径向分布的影响时,根据CDFS涵道比及三维仿真结果,计算CDFS内、外涵的流量、压比及等熵效率,同时在VCE零维仿真模型中以CDFS外涵特性图的辅助变量β值取代CDFS涵道比作为迭代变量。结果表明:在VIGV角度为15°时,外涵区域的压比低于内涵区域的压比;而在VIGV角度为40°时,叶尖区域的流动分离更为严重,导致转子进口的攻角增大,转子叶尖区域的负荷加重,外涵区域的压比高于内涵区域的压比;CDFS气动参数径向分布对VCE性能有较为明显的影响,CDFS较高的内涵压比及较低的外涵压比可使发动机核心流流量增大及总增压比升高,进而引起发动机推力的增大,推力最大变化为1.75%。

核心机驱动风扇级二维仿真模型与变循环发动机零维仿真模型耦合方法的研究

为了提高变循环发动机(VCE)零维仿真模型的可靠性和精度,建立了核心机驱动风扇级(CDFS)二维仿真模型,基于完全耦合方法,将CDFS二维仿真模型耦合于VCE零维仿真模型,发展了VCE多维度仿真模型,分析了VCE零维仿真模型与多维度仿真模型计算结果的差异,使用VCE多维度仿真模型,分析了CDFS气动参数径向非均匀分布对VCE性能的影响。结果表明,结合CDFS二维仿真模型对边界条件的要求,重新选取VCE仿真模型中的迭代变量和平衡方程,可以基于完全耦合方法建立VCE多维度仿真模型;与零维仿真模型相比,CDFS二维仿真模型考虑了部件几何参数等物理信息,可以为VCE循环参数分析提供更加真实的部件工作特性,并在功率平衡与流量平衡等条件的约束下引起其它部件工作点及VCE性能的变化;VCE零维仿真模型与多维度仿真模型所得推力的最大差异为2.99%;结合CDFS涵道比,可以将CDFS出口气动参数径向非均匀分布这一流动特性耦合到VCE循环参数分析中;VCE多维度仿真模型对迭代变量初值的选取提出了更高的要求,需要使用VCE零维仿真模型的解作为初值以保证收敛性。

核心机驱动风扇级与高压压气机匹配试验中外涵排气系统的设计与试验验证

为实现在常规轴单涵道压气机试验器上开展核心机驱动风扇级(CDFS)与高压压气机(HPC)匹配性能试验,根据匹配试验环境下的外涵气流和HPC级间气流的特点,提出采用大流量、低压损的抽气系统和直排大气的放气系统分别对外涵流量和HPC级间引气流量进行调节,实现对匹配涵道比和HPC级间引气率的有效控制。试验验证表明:在匹配试验件外涵流道出口机匣上沿周向开设的多个排气孔能间接实现外涵全环排气,但外涵集气装置是制约外涵排气能力的主要瓶颈,其气动性能可采用极限流量和总压损失影响因子描述;优化外涵集气与测量装置、降低外涵抽气背压,是提高外涵排气能力的主要途径。

带核心机驱动风扇级的变循环发动机总体性能研究

在常规发动机数学模型的基础上,构建了基于变循环的发动机前、后涵道引射器模型,建立了带核心机驱动风扇级(CDFS)的变循环发动机性能计算模型及非线性方程组,深入研究了带CDFS的变循环发动机主要设计参数的匹配规律,并在一定控制规律下给出了性能计算流程。通过性能仿真分析了此类发动机的高度-速度特性和节流特性,并根据性能分析结果提出了可能存在的问题及相应的解决措施。结果表明,带CDFS的变循环发动机在单、双外涵模式下有完全不同的特性,双外涵模式不适合在高空大马赫数状态下开加力使用。另外,还给出了保证地面起动安全性的模态转换点。

兼顾多状态的核心机驱动风扇级与高压压气机设计

针对变循环发动机压缩系统多模式和多工况的工作特点,开展了核心机驱动风扇级(CDFS)多状态和多目标兼顾设计,CDFS、前涵道引射器和高压压气机气动一体化设计,大攻角范围、低损失可调导叶和静子设计。针对压缩系统的气动设计难点,在设计点选取、叶片造型、流场设计、调节规律设计方面提出了解决措施和优化方向。数值模拟与试验结果表明:实现了压缩系统在多模式下的性能兼顾,达到了预期的流量调节范围和涵道比调节范围,满足了设计指标要求。

兼顾多模式的核心机驱动风扇级气动设计方法

为了满足多种工作模式性能需求,变循环发动机通常具有多条共同工作线,使得核心机驱动风扇级(CDFS)由常规压气机面向“线”的设计转变为面向“面”的设计。基于CDFS试验效率随进口可调导叶(VIGV)角度调节的变化规律,为兼顾不同工作模式性能,提出了CDFS降流量、压比设计方法。该方法降低了转子、静子的气动负荷,提升了反力度。数值仿真表明,CDFS降流量3.2%、压比5.0%设计使单外涵模式效率、喘振裕度依次降低0.5%和2.2%,双外涵模式效率、喘振裕度提升1.4%和4.7%,双外涵模式的性能收益高于单外涵模式的性能损失。级性能对比表明,降流量、压比设计的性能收益源自VIGV、静子总压恢复系数的提升。基于发动机在不同工作模式下的性能需求优先级,以及CDFS工作点可由前涵道引射器调整的优势,降流量、压比设计是可行的,具有很高的应用潜力。

核心机驱动风扇级气动设计方案

以某核心机驱动风扇级(CDFS)设计指标为牵引,采用CFD数值模拟方法分析了不同结构形式进口导向器(IGV)对CDFS性能的影响.结果表明:进口导向器可调、静子不可调的气动设计方案能够满足CDFS设计指标;进口导向器的调节方式对CDFS性能影响很大,对于可变弯度进口导向器,需要选择合适的可变弯度位置和关闭角度;模式转换中,在单外涵模式静子选择偏负攻角设计有利;CDFS单外涵模式与双外涵模式产生损失的原因不同,前者主要是转子通道激波,后者主要是进口导向器吸力面附面层气流分离.

核心机驱动风扇级的气动设计特点分析

以某核心机驱动风扇级(core driven fan stage,简称CDFS)的气动方案为例,使用新版Denton程序通过数值模拟分析了CDFS的内部流动特点和关键设计参数的影响,总结了CDFS气动设计上的特点和难点:①CDFS需要采用进口可调导叶实现工作模式的转换;②叶尖切线速度和气动负荷不匹配是CDFS难以获得高效率的主要原因;③进口可调导叶出口气流角分布和调节方式对CDFS的性能有重要影响;④CDFS转子气动设计的难点是控制单外涵模式下的激波损失;⑤CDFS静子气动设计的难点在于两种工作模式下其进口气流角的分布和幅值均发生了较大变化.

核心机驱动风扇级匹配特性分析

核心机驱动风扇级(CDFS)是双涵道变循环发动机(DBE)的核心部件之一。为了深入研究CDFS在双涵道模式下的特点,利用CDFS匹配特性图,结合三维数值模拟分析了DBE中CDFS的匹配特性(单涵道模式工作点为设计点,双涵道模式工作点为匹配点)。结果表明,给定双涵道模式的匹配流量和压比时,增加匹配转速使转子负荷降低,静子负荷增加,可以调整匹配转速使CDFS性能最佳;给定双涵道模式的匹配流量和转速时,增加匹配压比使转子和静子的负荷同时增加,匹配压比较高时,工作点效率较高但裕度较低;仅给定匹配流量时,可以调整匹配转速和压比改变CDFS在双涵道模式的工作特性,获得满足某个约束条件的最佳状态。

兼顾两种模式核心机驱动风扇级气动优化设计

提出兼顾两种模式核心机驱动风扇级气动设计方法。将S2流面通流计算与遗传算法相结合,寻找最优进口导叶(IGV)出口气流角、关闭角度、单双外涵压比沿叶高分布;实现在转子气动设计时兼顾两种模式。根据IGV基础叶型弯度、安装角对单双外涵流动损失影响研究,确定可调IGV关键参数,实现在IGV气动设计时兼顾两种模式。采用多点优化进行静子叶型优化设计,实现在静子气动设计时兼顾两种模式。对所设计的核心机驱动风扇级进行三维流场计算,结果表明:两种模式在满足总压比和质量流量前提下,单、双外涵模式等熵效率分别达到88.05%和87.17%,且稳定裕度分别达到15.65%和16.28%。

进口导叶形式对核心机驱动风扇级的影响

以某变循环发动机(VCE)所用核心机驱动风扇级(CDFS)为研究模型,数值模拟了CDFS在真实边界环境下的流动特性,分析了单/双涵道工作模式下,不同形式的可调进口导叶(IGV)对CDFS流动特性及性能的影响机理。结果表明:不同工作模式时,CDFS靠导叶角度的开闭实现大范围的流量调节。单涵道(SB)工作模式时,不同形式的可调进口导叶(VIGV)对CDFS性能的影响差异很小;双涵道(DB)工作模式时采用常规可调导叶(CIGV)会在其吸力面产生较大的流场分离,且流通能力和流量调节范围大大降低。可变弯度导叶通过可转动部分的开闭实现CDFS对流量调节的需求;通过固定部分保证CDFS导叶进口气流攻角基本不变,同时在固定部分和可转动部分连接处所形成的收缩通道的加速效应显著抑制了导叶吸力面的流动分离。可变弯度导叶是适用于CDFS在不同工作模式下性能参数及流量调节需求的可调导叶的形式。

涵道比调节对核心机驱动风扇级与高压压气机匹配性能影响

根据某核心机驱动风扇级与高压压气机匹配气动布局的特点,建立了匹配状态点关联预估简化方程并发展了匹配性能预估程序。基于两个压缩部件性能试验数据,进行了典型匹配状态涵道比预估及特点分析,研究了等转速下涵道比调节对两个压缩部件工作状态点变化规律以及匹配性能影响。结果表明:(1)涵道比设置不合理将会导致压缩部件发生旋转失速或喘振现象,从而影响两者的匹配工作;(2)随着涵道比增大,核心机驱动风扇级工况点逐渐从近喘点向堵塞点方向偏移,而高压压气机的工况点变化趋势正好相反。核心机驱动风扇级的流量变化范围比高压压气机的窄,这使得匹配总压比-流量特性线更加陡峭;(3)存在最佳匹配涵道比使稳定工作裕度和近失速边界匹配总压比达到最大,并且此时的匹配峰值总效率接近最大匹配峰值总效率;(4)随着匹配转速的提高,典型匹配涵道比呈现逐渐减小趋势,外涵流量在85%换算转速时达到最大,因此在进行外涵流道设计需全面考虑压气机的工作特性。