核心机驱动风扇级匹配特性分析

张鑫*，刘宝杰1.中国空空导弹研究院，洛阳　471009.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京　100191

核心机驱动风扇级匹配特性分析

张鑫1，*，刘宝杰2
1.中国空空导弹研究院，洛阳471009
2.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191

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。

双涵道变循环发动机；核心机驱动风扇级；匹配；工作特性；数值模拟

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带有核心机驱动风扇级（CDFS）的双涵道变循环发动机（DBE）能够弥补常规涡喷/涡扇发动机高、低速性能难以兼顾，飞行包线狭窄等缺陷，是研制高性能发动机的一项关键技术，也是实现超声速/高超声速推进的主要技术途径之一，在未来军用和民用方面都有广泛的应用前景［1-2］。

CDFS的概念由GE公司提出并完成了在变循环验证机YJ101上的试验验证［3-5］；GE公司在此后的变循环发动机GE21上首先使用了CDFS［6-7］；第四代发动机YF-120是DBE的典型代表，它的不加力推力达到125 k N（F119为98 k N），超过了早期的F100的加力推力，耗油率比第三代发动机降低了30％，且低于F119；1999年，GE、普惠（PW）和艾利逊先进技术发展公司（AADC）合作，以YF-120为基础提出了RTA （Revolutionary Turbine Accelerator）-1 Ma4+和Potential RTA-2两个带有CDFS的高超声速变循环发动机概念［8］；欧盟也提出了LACAT （Long-term Advanced Propulsion Concepts and Technologies）VCE-114、LACATVCE-213和LACAT VCE-214三个带有CDFS的高超声速变循 环发动 机概念［9-10］。

CDFS是发动机实现变循环的关键部件，它的气动设计与不同模式下的匹配特性也是DBE的关键技术。目前，国内对变循环的研究还处于起步阶段［11-15］，对CDFS的研究也刚刚开展，存在许多问题亟待解决。与常规的风扇/压气机相比，CDFS在气动设计上主要存在以下两方面难点：第一，受到上、下游部件的约束，设计参数的选择困难，特别是存在高切线速度与低压比的矛盾，难以获得高效率；第二，CDFS存在两个工作模式，其气动设计需要兼顾不同的工作状态。由压气机设计原理可知，当压气机以某一个状态为基准完成设计后，需要通过合理的匹配来保证非设计状态下的性能。因此，需要针对CDFS开展深入的匹配特性分析，研究其在不同条件下两个工作模式之间的关系，为气动设计提供更加全面的支持。

文献［16］分析了CDFS气动设计的特点与难点，文献［17］讨论了气动布局对CDFS关键设计参数的影响，文献［18］建立了CDFS在非设计模式下的匹配方法。本文将以某典型CDFS无量纲技术指标为例，通过文献［18］建立的方法研究CDFS在非设计模式下的匹配特性，旨在促进CDFS的技术进步，为工程研制提供必要的技术支持。

1　工作原理与分析方法

1.1CDFS的工作原理

带有CDFS的DBE的工作原理如图1所示［3］，DBE的风扇分为前后两段，前段风扇由低压涡轮驱动，后段风扇由高压涡轮驱动，称为核心机驱动风扇级，它有两种工作模式。

单涵道模式（Single Bypass Mode）：模式选择阀门关闭，低压风扇出口的全部气流进入CDFS。CDFS出口的大部分气流进入高压压气机，小部分进入二级涵道（Inner Bypass），经过可变面积涵道引射器进入一级涵道（Outer Bypass）。此时CDFS处于高负荷状态，发动机的单位推力最高，用于飞机的加速、爬升和超声速巡航。

双涵道模式（Double Bypass Mode）：模式选择阀门打开，低压风扇出口的一部分气流直接进入一级涵道；CDFS的进口导叶关闭一定角度以适应折合流量的下降；CDFS出口少量气流进入二级涵道，通过可变面积涵道引射器进入一级涵道，其余大部分进入高压压气机。此时，进入高压压气机的流量较小，CDFS负荷较低；发动机总涵道比较大，耗油率低，噪声小（喷气速度低），用于飞机的起飞和亚声速巡航。

图1　带有CDFS的DBE示意图［3］Fig.1 Sketch of DBE with CDFS［3］

1.2匹配分析方法

由CDFS的工作原理可知，它具有两个同等重要的工作状态：单涵道模式和双涵道模式（典型的CDFS无量纲技术指标如表1所示）。文献［18］分析了不同模式下CDFS技术指标之间的关系，证明了当CDFS以单涵道模式（最大状态）为基准完成设计时，同时给定双涵道模式下的流量、压比和转速会完全确定CDFS的工作状态，不合理的设计指标会导致CDFS的双涵道模式性能无法满足要求。从合理匹配的角度出发，不能同时给定CDFS在双涵道模式下的流量、压比和转速。

表1　某CDFS无量纲设计指标Table 1 Dimensionless design objective of CDFS

本文将以CDFS的单涵道模式工作点为设计点、双涵道模式工作点为匹配点，开展CDFS的匹配特性分析。采用文献［18］建立的CDFS对双涵道模式下的匹配特性图开展理论分析、Denton程序进行三维数值计算，计算网格和对Denton程序的校验参阅文献［19-20］。

CDFS在双涵道模式下的匹配特性图如图2所示。有关该图的详细论述参阅文献［17］，本文仅作简要说明：横坐标mdbm/msbm为 CDFS在双涵道模式下的相对流量，sbm代表单涵道模式，dbm代表双涵道模式；纵坐标πdbm/πsbm为相对压比；不同颜色的四边形区域代表转子进口相对气流角等值区；β1为转子进口相对气流角；四边形的上下两条边和内部与其近似平行的各曲线代表等转速线（转速由上至下减小）；四边形的左右两边和内部与其近似平行的各曲线代表静子进口绝对气流角等值线（由左至右减小）；图中点（1，1）代表单涵道模式设计点。

图2　CDFS在双涵道模式下的匹配特性Fig.2　Matching characteristics of CDFSin double bypass mode

2 CDFS在双涵道模式下的匹配分析

CDFS的主要功能是调节进入核心机的流量，因此对CDFS在双涵道模式下的匹配分析以双涵道模式的设计流量为基准分为3个方面：给定双涵道模式下的流量和压比，给定双涵道模式下的流量和转速，仅给定双涵道模式下的流量。

需要说明的是，本文采用的匹配特性图是基于平均半径处的速度三角形，通过一维分析得到理论结果，引入了平直流道和不可压等一系列假设，只能作为定性分析的依据，用于判断气动参数的变化趋势，各参数的变化幅度还需要参考三维数值计算的结果。

2.1给定双涵道模式下的流量和压比

给定双涵道模式下的流量和压比时，图3显示了CDFS在双涵道模式下的匹配特性。可以看到，此时CDFS的双涵道模式工作点虽然在特性图上只是一个点，却可以代表不同的工作状态。以图3为例，它可能分别位于不同的转子进口相对气流角等值区内，对应的转速和静子进口绝对气流角也各不相同，如表2所示（Case 1.1，Case 1.2，Case 1.3）。表中：m为流量；α为绝对气流角；β为相对气流角；π为压比；N为转速；Ma为马赫数；下标“1”代表转子进口截面，“2”代表静子进口截面，rel代表相对值，abs代表绝对值。

图3　CDFS在双涵道模式下的匹配分析（给定双涵道模式下的流量与压比）Fig.3　Matching of CDFS in double bypass mode（given double bypass mode massflow and pressure ratio）

表2 Case 1.1，Case 1.2，Case 1.3的主要气动参数Table 2 Aerodynamic parameters of Case 1.1，Case 1.2and Case 1.3

由表2可以看到，给定双涵道模式下的流量和压比时，可能存在多个满足指标要求的匹配状态，对应着不同的转/静子工作状态。当双涵道模式的匹配转速较低时（Case 1.1），双涵道模式下的转子进口相对气流角增加了1°，静子进口的绝对气流角却减少了7°，转子进口的相对马赫数较高（0.813），静子进口的绝对马赫数Ma2，abs，dbm较低（0.444）。随着匹配转速的增加，转子进口相对气流角减小（更加接近轴向），相对马赫数略有下降，静子进口的绝对气流角增加，绝对马赫数增加。表明转子的气动负荷减小（气流折转角减小），静子的气动负荷增加（气流折转角增加）。理论上存在一个理想的转速或者转速范围，使转/静子的气动负荷分配均衡，攻角状态合理，CDFS能够获得理想的双涵道模式性能。

根据理论分析结果，利用Denton程序对某CDFS在1.00，0.95，0.90，0.85和0.80相对转速下的双涵道模式工作特性进行了三维数值模拟（给定双涵道模式下的相对压比为0.84，相对流量为0.795，分别对应于Case 2.1～Case 2.5），分析了主要气动参数的变化规律，寻找CDFS的最佳双涵道模式。

图4　不同匹配转速时，CDFS双涵道模式下转子进口相对气流角和静子进口绝对气流角径向分布Fig.4　Radial distribution of rotor inlet relative flow angle and stator inlet absolute flowangle at different matching speeds of CDFS in double bypass mode

图5　不同匹配转速时，CDFS双涵道模式下转子进口相对马赫数和静子进口绝对马赫数径向分布Fig.5 Radial distribution of rotor inlet relativeMach number and stator inlet absolute Mach number at different matching speeds of CDFS in double bypass mode

不同匹配转速时，转子进口的相对气流角、相对马赫数和静子进口绝对气流角、绝对马赫数的径向分布如图4和图5所示。可以看到，三维数值模拟表现出了与理论分析相同的变化趋势，随着双涵道模式的匹配转速增加，转子进口相对气流角增加（注意，三维算例中的转子进口相对气流角均为负值，因此它的增加就意味着更加接近轴向，与一维分析的结论一致，后文的分析与此处类似，不再赘述），气流折转角减小，相对马赫数沿径向的变化并不一致，难以与理论分析比较；静子的进口绝对气流角增加，气流折转角增加，绝对马赫数增加。带来的整体效应是转子的气动负荷降低，静子的气动负荷增加。

图6从另外一个角度更加直观地反映了这种变化趋势，可以看到随着匹配转速增加，CDFS的反力度DR下降，负荷系数Ψ下降，同样意味着转子的气动负荷下降，静子的气动负荷增加。

图6　不同匹配转速时，CDFS双涵道模式下的反力度和负荷系数的径向分布Fig.6　Radial distribution of degree of reaction and load coefficient for different matching speed of CDFS in double bypass mode

图7和图8分别显示了不同匹配转速时CDFS在双涵道模式下的工作特性和整体性能。匹配转速较高时（Case 2.1，匹配转速为1.00），CDFS的转子气动负荷较低而静子的气动负荷较高（负荷系数约为0.2，反力度约为0.6），因此CDFS具有较好的压比特性和效率ηisen特性，但整体工作裕度SM并不高。随着匹配转速的下降（Case 2.2和Case 2.3，匹配转速分别为0.95和0.90），转/静子之间的负荷分配趋于合理，CDFS在双涵道模式下的效率和工作裕度均显著增加。当匹配转速下降至0.80时（Case 2.5），静子中甚至出现了顺压梯度，意味着转/静子之间的负荷分布极不均匀，因此工作性能迅速衰减（工作点效率为0.855，工作裕度约为6％）。CDFS在双涵道模式下存在一个理想的匹配转速范围，对于本文的算例，CDFS的最佳匹配转速位于0.90～0.95之间，匹配转速为0.95时，CDFS具有最好的效率特性。

图7　不同匹配转速时，CDFS双涵道模式下的工作特性Fig.7　Operating characteristics of CDFS in double bypassmode at different matching speeds

图8　不同匹配转速时，CDFS双涵道模式下的设计点效率和工作裕度Fig.8　Operating point efficiency and stall margin of CDFS in double bypass mode at different matching speeds

2.2给定双涵道模式下的流量和转速

给定流量和转速时，图9和表3显示了CDFS在双涵道模式下的匹配结果。可以看到，存在一系列不同的匹配压比可以满足要求，此时各匹配状态的转子进口相对气流角/相对马赫数、静子进口绝对气流角/绝对马赫数各不相同。

图9　CDFS在双涵道模式下的匹配分析（给定双涵道模式下的流量与转速）Fig.9　Matching of CDFS in double bypass mode（given double bypass mode massflow rate and speed）

表3 Case 3.1，Case 3.2，Case 3.3的主要气动参数Table 3 Aerodynamic parameters of Case 3.1，Case 3.2and Case 3.3

随着匹配压比的下降，理论分析的结果表明转子进口相对气流角减小（更加接近轴向），相对马赫数下降；静子进口绝对气流角减小，绝对马赫数略有增加。整体的效应是转子和静子的气动负荷同时下降。从压气机工作特性的角度出发，这意味着压气机的工作点远离失速边界，工作裕度增加，效率下降（给定转速）。

图10和图11显示了三维计算结果，给定CDFS在双涵道模式下的相对流量为0.793，相对转速为1.0。本文共计算了5个匹配压比下的CDFS性能，分别为1.238、1.278、1.340、1.396 和1.437（单涵道模式的设计压比为1.510），分别对应于图中的Case 4.1、Case 4.2、Case 4.3、Case 4.4和Case4.5。随着匹配压比的降低，转子的进口相对气流角增加（更加接近轴向），相对马赫数降低；静子进口绝对气流角降低，绝对马赫数的径向分布发生改变，与理论分析的结论一致。

图10　不同匹配压比时，CDFS双涵道模式下转子进口相对气流角和静子进口绝对气流角径向分布Fig.10　Radial distribution of rotor inlet relative flow angles and stator inlet absolute flow angle at different matching pressure ratios

图11　不同匹配压比时，CDFS双涵道模式下转子进口相对马赫数和静子进口绝对马赫数径向分布Fig.11　Radial distribution of rotor inlet relativeMach number and stator inlet absolute Mach number at different matching pressure ratios

图12显示了不同匹配压比时，CDFS在双涵道模式下的工作特性。从图中可以明显看到给定匹配流量和转速，改变了匹配压比对CDFS的双涵道模式工作特性的影响。当匹配压比较高时（Case 4.5），CDFS的工作点必须非常靠近失速边界才能满足要求，此时的转/静子负荷较高，具有较高的工作点效率，但工作裕度小。随着匹配压比的降低，CDFS的工作点可以逐渐远离失速边界（Case 4.2，Case 4.3），工作裕度显著增加。当匹配压比降至1.238时（Case 4.1），CDFS的双涵道模式工作点接近堵塞状态，因此效率较低（见图13）。

根据本节的分析，给定双涵道模式下的流量和转速，随着CDFS在双涵道模式下的匹配压比增加，转、静子的攻角增加，CDFS具有更好的压比特性和效率特性。同时CDFS的双涵道模式工作点向近失速点移动，设计点效率增加，工作裕度下降。没有绝对最佳的双涵道模式匹配压比，如果设计指标追求更高的双涵道模式工作点效率，则选择较高的匹配压比，牺牲一定的工作裕度；如果设计要求追求更宽广的双涵道模式工作裕度，则选择较低的匹配压比，牺牲一定的工作点效率。存在一个压比范围可以使CDFS获得均衡的双涵道模式性能，如图13所示。对于本文的算例，合理的匹配压比在1.278（Case 4.2）和1.340 （Case 4.3）之间。

图12　不同匹配压比时，CDFS双涵道模式下的工作特性Fig.12　Operating characteristics of CDFS in double bypass mode at different matching pressure ratios

图13　不同匹配压比时，CDFS双涵道模式下的设计点效率和工作裕度Fig.13　Operating point efficiency and stall margin of CDFS in double bypass mode at different matching pressure ratios

2.3给定双涵道模式下的流量

2.1和2.2节分别分析了给定双涵道模式下的匹配流量和压比、匹配流量和转速时，CDFS的工作特性。本节将仅给定一个约束条件：双涵道模式下的流量，以便在更加宽广的转速和压比范围内寻找CDFS在双涵道模式下合理的匹配状态。

由2.1和2.2节的结论可知，给定CDFS在双涵道模式下的匹配流量和压比，增加匹配转速会使转子的负荷增加，静子的负荷降低；给定匹配流量和转速，增加匹配压比会使转/静子的负荷同时增加。将二者综合在一起，可以得到仅给定匹配流量时，CDFS在双涵道模式下的匹配特点：调整匹配压比可以改变双涵道模式的工作点在特性线上的位置，整体改变CDFS的负荷水平，可以近似认为是特性线的“平移”；调整匹配转速更加侧重于转/静子之间的负荷分配，可以近似认为是特性线的“旋转”。实际上二者均存在“平移”和“旋转”，前者的“平移”更加明显，后者的“旋转”更加明显。

本文分别计算了不同匹配转速/压比条件下的CDFS工作特性，取双涵道模式下的相对匹配流量为0.79，可以得到如图14所示的性能分布，图中的dbm1.00，dbm0.95，dbm0.90，dbm0.85和dbm0.80分别代表不同的相对匹配转速，沿每一根等转速线由左至右匹配压比依次降低，不同等转速线上各点的匹配压比如下（由左至右）：

1）dbm1.00：1.437，1.396，1.340，1.314，1.278，1.238，1.196。

2）dbm0.95：1.328，1.307，1.278，1.238，1.217。

3）dbm0.90：1.310，1.277，1.237。4）dbm0.85：1.305，1.275，1.235。5）dbm0.80：1.290，1.272，1.240。

根据图中各等转速线上的匹配压比，可以得到一系列近似等压比线。图中用阴影区域标出了匹配压比分别为1.237、1.275和1.310的双涵道模式匹配点。从图中可以看出给定匹配流量时，CDFS双涵道模式性能的变化趋势。

图14　不同匹配压比和转速时，CDFS双涵道模式下的设计点效率和工作裕度Fig.14　Operating point efficiency and stall margin of CDFS in double bypass mode at different matching pressure ratios and speeds

匹配压比较高时，CDFS更容易获得较高的工作点效率，但工作裕度较低（匹配压比为1.310）；当匹配压比较低时（匹配压比为1.237），CDFS的双涵道模式工作点效率较低，而工作裕度更加宽广。

匹配转速较高时（相对转速为1.0），CDFS的反力度较低，转子的攻角小，气动负荷较低；静子进口绝对气流角较高，气动负荷较重，限制了CDFS在双涵道模式下的工作裕度。适当降低匹配转速（例如相对匹配转速分别为0.95和0.90），可以增加反力度，使转、静子的负荷分配和攻角状态更加合理，因此工作裕度和效率相对较高。匹配转速较低时（相对匹配转速为0.80），转子的气动负荷较高，成为制约CDFS工作裕度的主要因素，此时CDFS在双涵道模式下的工作裕度较低；同时由于转、静子的攻角更加远离设计状态，CDFS的双涵道模式工作点效率较低。

根据以上分析，如果仅给定CDFS在双涵道模式下的匹配流量，没有绝对的最佳匹配状态，而是存在一系列各具特点的工作状态，可以根据设计要求选择。如果给定CDFS的双涵道模式效率指标为0.86，可以找到一个最佳双涵道模式，使其工作裕度最大，对于本文的算例，这个工作状态的匹配压比为1.237，匹配转速为0.90相对转速，工作裕度超过30％；如果要求CDFS双涵道模式的工作点效率达到0.88，此时最佳状态的匹配压比约为1.310，相对匹配转速为0.95，工作裕度约为22％。

3结论

1）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气动负荷降低，静子气动负荷增加，特性线发生“旋转”，存在一个合理的转速或转速范围，使CDFS获得良好的双涵道模式性能。

2）给定双涵道模式的匹配流量和转速时，增加匹配压比使转/静子的气动负荷、工作点靠近失速边界，特性线发生“平移”，匹配压比较高时，工作点效率较高，但工作裕度较低。

3）仅给定双涵道模式的匹配流量时，没有绝对最佳的匹配状态，可以调整匹配转速和压比来改变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。

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张鑫男，博士，工程师。主要研究方向：压气机空气动力学，冲压发动机设计。

Tel：0379-63385424
E-mail：zhangxin19833713@163.com

刘宝杰男，博士，教授，博士生导师。主要研究方向：压气机空气动力学。
E-mail：liubj@buaa.edu.cn

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20150330.1500.001.html

Matching characteristics of core driven fan stage

ZHANG Xin1，*，LlU Baojie2
1.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China
2.School of Energy and Power Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China

The matching characteristics of the core driven fan stage（CDFS）in a double bypass engine（DBE）have been investigated with CDFS matching map and numerical simulation（taking the single bypass mode operating point as the design point and the double bypass mode operating mode as the matching point）.The results show that given the matching massflow rate and pressure ratio in the double bypass mode，the aerodynamic load decreases for the rotor and increases for the stator.The best CDFS performance can be reached at a proper matching speed.For a given matching massflow rate and speed in the double bypass mode，both the aerodynamic loads of the rotor and stator can be increased by increasing matching pressure ratio，which in turn increase the efficiency and decrease the stall margin.lf only the matching massflow rate is given，excellent performance can be reached by adjusting the matching speed and pressure ratio under a certain constraint.

double bypass engine；core driven fan stage；matching；operating characteristics；numerical simulation

2015-01-16；Revised：2015-02-01；Ac cepted：2015-03-03；Published online：2015-03-30 14：59

.Tel.：0379-63385424 E-mail：zhangxin19833713@163.com

V235.13

A

1000-6893（2015）09-2850-09

10.7527/S1000-6893.2015.0060

2015-01-16；退修日期：2015-02-01；录用日期：2015-03-03；网络出版时间：2015-03-3014：59

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引用格式：Zhang X，Liu B J.Matching characteristics of core driven fan stage［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2015，36（9）：2850-2858.张鑫，刘宝杰.核心机驱动风扇级匹配特性分析［J］.航空学报，2015，36（9）：2850-2858.