帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇數(shù)值模擬研究

商超群

（南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016）

1 引言

與小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率高、經(jīng)濟(jì)性好，因此被廣泛應(yīng)用于民航客機(jī)和大型軍用運(yùn)輸機(jī)上。涵道比是渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率和推進(jìn)效率起著至關(guān)重要的作用。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，大涵道比渦扇的涵道比由最初的4～6增大至如今的10～15，耗油率也隨之從0.58～0.7 kg/(dN·h)減小至0.5～0.55 kg/(dN·h)?？梢灶A(yù)見(jiàn)繼續(xù)增加涵道比仍是大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向。

在傳統(tǒng)雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，風(fēng)扇與低壓壓氣機(jī)固連，因此風(fēng)扇與低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速相同。隨著涵道比的不斷增大，風(fēng)扇與低壓壓氣機(jī)的直徑差距也隨之增大，風(fēng)扇與低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速不匹配問(wèn)題日益凸顯。為了解決上述問(wèn)題，目前工程中提出了三軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和齒輪傳動(dòng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，但仍有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較大等問(wèn)題。帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇是近年來(lái)提出的新型風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，它與低壓壓氣機(jī)斷開(kāi)連接，依靠噴氣驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此有望解決風(fēng)扇與低壓壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速不匹配問(wèn)題。

2 帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)與原理

如圖1所示為帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)示意圖，風(fēng)扇葉片內(nèi)為空腔結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇葉尖處帶有一空心箍環(huán)，與葉片內(nèi)的空腔相連。同時(shí)箍環(huán)內(nèi)有一系列噴管，可將箍環(huán)內(nèi)氣體高速噴出。帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇工作時(shí)，通過(guò)引入渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)或渦輪處的高壓氣源，經(jīng)過(guò)風(fēng)扇葉片內(nèi)的空腔匯集至箍環(huán)處，并通過(guò)噴管高速噴出，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)。如圖2所示為箍環(huán)內(nèi)噴管射流示意圖。噴管射流的周向速度分量與風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向相反，利用噴管射流的反作用力矩推動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)。通過(guò)控制引氣流量的大小，可調(diào)節(jié)噴管的驅(qū)動(dòng)功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的不同需求。

圖1 帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 噴管射流示意圖

3 帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇數(shù)值模擬分析

3.1 計(jì)算方法

以某常規(guī)風(fēng)扇為基礎(chǔ)，通過(guò)添加箍環(huán)和射流噴管，將其改型為帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。該原型風(fēng)扇的部分設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。由于風(fēng)扇流場(chǎng)具有周期性，因此數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)可簡(jiǎn)化為計(jì)算一個(gè)葉柵通道。圖3展示了原型壓氣機(jī)單通道計(jì)算域、帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的外部流場(chǎng)單通道計(jì)算域和內(nèi)部空腔計(jì)算域。通過(guò)ANSYS ICEM對(duì)上述計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，并通過(guò)ANSYS CFX求解器進(jìn)行求解。計(jì)算時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速；風(fēng)扇進(jìn)口邊界條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣的總溫和總壓（288.15 K，101 325 Pa）；射流進(jìn)口通過(guò)給定不同靜溫、靜壓和流速來(lái)調(diào)節(jié)射流功率；風(fēng)扇出口邊界條件為靜壓，可通過(guò)不斷提高出口靜壓獲得風(fēng)扇的性能曲線；其余壁面為絕熱壁面。

圖3 計(jì)算域示意圖

表1 風(fēng)扇部分設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇性能分析

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到的流量-總壓比性能曲線如圖4所示。從圖中可知原型風(fēng)扇和帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的流量-總壓比性能曲線變化趨勢(shì)相近，且流量之差在0.5%以內(nèi)，表明葉尖處的噴氣結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)扇性能的影響較小，不會(huì)對(duì)風(fēng)扇的性能造成惡劣影響。

圖4 流量-總壓比性能曲線

如表2所示為總壓比達(dá)到1.37時(shí)帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的周向扭矩匹配計(jì)算結(jié)果。由于風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)時(shí)除了受到氣動(dòng)阻力外，還會(huì)受到機(jī)械阻力，因此噴管射流提供的動(dòng)力扭矩預(yù)留了約5%的裕度。從表中可知，通過(guò)調(diào)節(jié)噴管射流的引氣壓力和引氣流量，可達(dá)到風(fēng)扇動(dòng)力扭矩和阻力扭矩平衡的效果，同時(shí)引氣總壓為2.62 Mpa，在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)加壓能力以下，表明從高壓壓氣機(jī)引氣并通過(guò)噴管射流驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇工作是可行的，驗(yàn)證了帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的可行性。

表2 帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的周向扭矩匹配

3.3 帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇流場(chǎng)分析

如圖5、圖6所示分別為原型風(fēng)扇和帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇在5%、50%和95%三個(gè)葉高截面的馬赫數(shù)云圖（僅展示兩個(gè)葉柵通道）。從圖中可觀察到在5%和50%葉高截面，原型風(fēng)扇和帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的馬赫數(shù)分布幾乎相同，表明噴管射流對(duì)風(fēng)扇葉根和葉尖區(qū)域的流場(chǎng)影響較小。而在95%葉高截面，可明顯觀察到風(fēng)扇下游處出現(xiàn)的射流流動(dòng)，但在風(fēng)扇附近的流場(chǎng)內(nèi)，原型風(fēng)扇和帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的流場(chǎng)仍保持高度一致，表明射流流動(dòng)對(duì)風(fēng)扇流場(chǎng)影響較小，有利于風(fēng)扇的穩(wěn)定工作。

圖5 原型風(fēng)扇馬赫數(shù)云圖

圖6 帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇馬赫數(shù)云圖

4 結(jié)論

文章對(duì)帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇開(kāi)展了數(shù)值模擬研究，并得出了以下結(jié)論：

（1）當(dāng)引起總壓為2.62MP時(shí)，風(fēng)扇工作時(shí)的動(dòng)力扭矩和阻力扭矩達(dá)到平衡，表明帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇具有可行性。

（2）帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的噴管射流對(duì)風(fēng)扇的氣動(dòng)性能影響較小，不會(huì)對(duì)風(fēng)扇的性能造成惡劣影響。

（3）帶箍噴氣自驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與原型風(fēng)扇相近，有利于風(fēng)扇的穩(wěn)定工作。