中介机匣可调放气活门结构变化影响

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(1.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240; 2.上海交通大学 航空航天学院，上海 200240;3.燃气轮机与民用航空发动机教育部工程研究中心，上海 200240)

中介机匣是民用航空发动机中呈”S”形的连接增压级和高压级的过度通道，是发动机中的主要承力部件。随着现代民用航空发动机朝着大涵道比的方向发展，给中介机匣带来了更大的径向落差，使得中介机匣内的流场品质更为恶劣，对高压压气机部件和发动机整机的不利影响增大，因此各学者对中介机匣展开了大量实验[1-4]和数值的研究[5-7]，对中介机匣进行了全面而深入地探讨。由于中介机匣连接的高低压部件在飞机起飞和降落阶段所需要的流量不同，需要可调放气活门(VBV, Variable Bleed Valve)向外涵道排出部分气体，以解决流量匹配问题。同时，VBV还有着向外涵道排出沙石等异物的责任，以确保核心机不受到冲击损坏。

但是VBV通常是在中介机匣的非设计工况下开启，因此关于VBV的研究国内外几乎没有涉猎，仅有的研究也集中在故障分析和控制原理上，而且对于VBV控制原理的研究上大多采用“黑箱子”的思路，通过对QAR(Quick Access Recorder)数据的分析，利用机器学习等算法直接把握VBV的调节规律[8-12]，或者只是在机械结构方面申请了设计专利[13-14]，涉及VBV结构变化带来的影响尚无学者开展研究。在中介机匣的研究已经较为完备的情况下，这成为了制约中介机匣进一步研究的要素，具有很大的研究价值。为此，本文通过数值方法，考虑中介机匣可调放气活门的结构变化带来的内外涵道流量分配变化和对中介机匣内部流场的影响，并探讨中介机匣内涵出口总压畸变的变化，解决了VBV在中介机匣的位置选择和周向打开角度的问题，扩充了VBV的相关研究，为寻求VBV的优化设计提供了技术支撑。

1 研究对象与计算方法

1.1 研究对象

VBV的结构包括多个方面，诸如周向打开角度、所处轴向位置、流道高度、流道长度以及可调放气活门上下壁面型线等，这些结构因素都有可能会对中介机匣的流量分配和内部流动产生影响。本文选取周向打开角度和所处轴向位置两个结构因素作为代表进行考量。将某款发动机的中介机匣作为基础模型，通过改变VBV在中介机匣的轴向位置和其打开的周向角度，研究VBV结构变化对流量分配的影响和对中介机匣内部流场的影响，以期在保证足够的放气流量的情况下，尽可能的降低VBV对中介机匣内部流场的破坏。

图1给出了带可调放气活门的中介机匣的无量纲草图，以及VBV在轴向上变化的示意图。如图所示，VBV轴向上的变化以转轴点作为基准，原型位于中介机匣轴向长度的35%处。图2是VBV在周向上变化的示意草图，其中原型占据支板周向角度的60%，以实线表示。虚线反映了VBV周向打开角度变大，从而探入中介机匣内部角度变小的变化情况。

图1 可调放气活门示意图In-进口截面;F-支板前截面;VBV-可调放气活门;Strut-支板;MD-可调放气活门中截面;BN-内涵出口截面;Out1-内涵出口边界;Out2-外涵出口截面;QT-外涵腔体

图2 周向角度变化示意图

1.2 数值方法

数值计算以CFX 19.1定常RANS求解，湍流模型采用适应复杂外形、保证精度的同时又具有较强鲁棒性的k-ε双方程模型，对流项采用自适应的High Resolution格式，收敛精度设置为10-4。所有固面均设置为绝热无滑移条件，进口给定总温、总压和均匀来流方向，设定湍流强度为中等，内外涵道经过足够长的管道发展后在出口处给定环境压力。

计算域采用单通道计算，设置支板间隔为30°，采用ICEM进行非结构网格的划分，设置唇套、活门和流体域三个部分。为了得到可靠的网格方案，分别从边界层和不同部分的网格尺度进行加密，以原型确定好网格方案后，改型的计算模型均采用已确定的网格尺度。

最终，综合考虑精度和计算效率，确定了边界层初始网格尺寸为0.1 mm，线性增长11层，全局y+的最大值在60左右，流体域最大网格尺寸不超过10 mm，活门网格尺度不超过3 mm，总计400万左右的网格数量的网格方案以进行研究，网格拓扑结构如图3所示。

图3 网格拓扑示意图

1.3 计算方案

中介机匣两侧由于支板的存在，导致了VBV周向打开角度受限，因此围绕原型打开角度设置五个算例，其中ORI是原型算例。周向打开角度以单通道角度进行无量纲化，设计方案如表1所示。

表1周向变化方案

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

因为VBV本身具有一定的轴向长度，其前端在原型中已经较为靠近OGV，所以在轴向长度的计算方案中只考虑向后的情况，其中ORI算例是原型情况，具体设计方案如表2所示。

表2轴向变化方案

算例轴向位置/[%]ORI35B150B265B380

为了准确的探讨VBV周向角度变化和轴向位置变化带来的影响，本文通过改变VBV的打开角度，保证VBV的迎风面积一致。同时，使得外涵腔体(QT)的空间足够大并保持相同的排气方案，避免排气背压的影响，然后在此基础上进行进一步的讨论。

2 结构变化对放气能力的影响

如公式(1)定义活门相对放气量λ，以此来表征VBV的放气能力，通过对VBV轴向和周向的结构改变进行比对，来分析结构变化对放气能力的影响，如图4所示, 横坐标π表示进口无量纲总压。由图可以看出，相对放气量基本保持不变，不随进口工况变化的内开式的放气特性得到了保留。证明了对于内开式的VBV而言，在出口背压不至于产生堵塞的情况下，VBV开口的迎风面积是决定放气量的一个关键参数。可以发现，轴向位置是影响放气特性的另一个关键因素，而周向角度的改变对于放气量的变化影响较小。但还是可以观察到，随着周向角度增大，放气量也会有小幅度的增加，轴向位置的改变对放气能力的影响显然要明显得多。原型VBV在机匣第一弯折处之前，此时的放气能力较弱。当VBV处于中介机匣轴向50%处时，放气能力有了很大的提升，这时VBV大致位于第一弯折处稍后。当VBV处于第一弯折和第二弯折之间时，放气能力有所下降。当VBV来到位于第二弯折处前方时，即中介机匣轴向长度80%处时，放气能力又有提高。

周向上的变化较小说明了气流在刚进入中介机匣前流动较为均匀，因此原型处是通常选择的放气点，无论CFM56采用的外开式还是LEAP采用的内开式均选择在该处进行放气。此时VBV前的气流密度分布上可以解释周向变化带来的放气量小幅度增长。在进入中介机匣第一弯折处前，曲率带来的离心力影响使得气流的密度沿径向层间分布，因此周向角度大而径向打开角度小的时候放气能力会稍微强一些。

在气流进入中介机匣第一弯折后放气能力都有了较大的提升可以归结于支板作用的影响，支板的气动构型决定了气流在中介机匣周向上都整体收缩了，那么导致了轴向位置在支板后的VBV的放气能力普遍增加。文献[15]中提到中介机匣内的静压分布在第一弯折处由机匣指向轮毂而在第二弯折处由轮毂指向机匣。因此，在第一弯折处后虽然气流周向收缩加速但径向运动趋势由机匣指向轮毂，这解释了B1算例的放气能力处于B1～B3中间。在中介机匣第一弯折点过后，周向因为支板的气动结构变成扩压，同时径向上也逐步扩压变平缓，形成“肚子”结构。构型上的改变使得B2算例的放气能力低于B1算例。同时，B2算例的VBV处于第一弯折和第二弯折之间流动变化最剧烈的位置，气流流动不均匀，因此放气能力轻微地受到流动强度的近线性影响。B3算例因为径向静压的缘故，最终的放气能力高于B1算例

(1)

式中 下标IN——进口;

W——外涵;

G——物理流量。

图4 结构变化对放气特性的影响

3 结构变化内涵出口总压畸变的影响

以公式(2)定义无量纲总压，计算结构变化时对内涵出口总压分布的影响，图5选定了相同进口工况下轴向变化的总压分布图，图6则是周向变化时的总压分布图。对比轴向位置变化，可以发现随着轴向位置逐渐靠后，机匣处的三块低压区占据核心主流区的空间越大，同时轮毂处两侧的低压区最终消失。还可以观察到，主流区中随着轴向位置后移，主流的中心区域出现了较低压力区域并不断扩大。周向上的变化就比较简明，随着周向角度的增加，机匣处的三块低压区的分离愈发明显。

图5 轴向变化时的内涵出口总压分布云图

图6 周向变化时的内涵出口总压分布云图

VBV轴向位置的后移导致了气体在绕过VBV后越来越来不及扩散掺混，在内涵出口形成了整片的低压区。向VBV扩散的气流在VBV底部形成相对旋转的涡系结构并向后传播，掺混越不充分那么涡系结构就越能维持，导致了VBV轴向位置越靠后，主流区中的低压部分就越明显。VBV周向变化出现低压区分区的主要原因是周向打开的角度越大，和支板形成的通道愈发狭窄，堆积更多的低能流体。流体受到周向切应力的影响使得支板的附面层发生了分离[16]，进一步加剧内涵出口的总压畸变，挤压主流形成分区

(2)

式中 下标t——总压;

ref——参考选取的参考截面;

norm——无量纲化。

为了量化总压畸变的变化，参考美标ARP1420环形进气道的总压畸变指数定义如公式(3)所示的综合总压畸变指数来衡量内涵出口的畸变程度。图7对比了所有算例的综合总压畸变指数，可以发现原型的综合畸变指数最低，B1和B2较高，其余算例的综合畸变指数位于两者之间。同时，所有算例的综合畸变指数与进口的流动强度均呈线性关系。

图7 综合畸变指数

流动强度越大，高压区和低压区之间的差异越大，导致了综合畸变指数线性变化。周向变化是对主流核心区和机匣两侧低压区的取舍问题，周向打开角度较小时，机匣两侧流动状况较好而主流核心区会受到影响，当周向打开角度较大时情况又正好反过来。在二者的权衡中，原型打开角度的设计更合理，在流动强度大时尤为明显。B2算例的VBV处于第一弯折和第二弯折之间，此时径向落差比上轴向长度最大，是下落最快的地方，因此流动变化更为剧烈，使得B2算例在所有算例中综合总压畸变程度最大。B3算例处于中介机匣弯折即将结束的前方，流动逐渐平缓。同时，抑制了轮毂处的分离流动，也很大程度挤压了主流区，形成了主流区和低压区差距较小的局面，因此综合总压畸变指数反而不高。B1算例是VBV位于流动开始剧烈变化的位置，因此对于内涵出口总压畸变综合指数的提升影响小于B2算例

(3)

式中σ0——低于内涵出口截面平均总压的区域的总压恢复系数;

σav——内涵出口截面平均的总压恢复系数。

4 结论

本文以中介机匣的可调放气活门为研究对象，探讨了其结构变化对流动特性和内涵出口总压畸变的影响，得到如下结论：

(1)VBV周向打开角度变化对放气能力的影响小于VBV轴向位置变化的影响。在原型位置，即中介机匣第一弯折处前，周向打开角度越大，放气能力越强，相比原型最多提升了约6%。轴向位置变化中，进入支板段后放气能力相比原型普遍提升25%左右，其中B2算例的放气能力较B1和B3弱。

(2)VBV处周向通道的变化使得机匣处的流动区域划分发生了变化，使机匣处低压区随着周向角度变大逐渐分区；轴向变化对内涵出口总压分布的构型改变影响较大，VBV越靠后对核心主流区域的挤压就越严重，但也抑制了轮毂处的流动分离。

(3)VBV位于第一弯折和第二弯折之间的综合畸变指数较大，原型较低，其余的算例基本一致。因此综合考虑总压畸变、放气能力和内涵出口的总压分布，VBV可以选择在中介机匣第二弯折处。