串联式TBCC后涵道引射器设计

2020-06-05李中龙黄维娜

燃气涡轮试验与研究 2020年1期

谢健，李中龙，李丹，黄维娜，曾军

(中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500)

1 引言

涡轮基组合循环发动机(TBCC)具有高推重比、宽工作范围、能水平起降和可重复使用等潜在优势，可广泛用于军事作战、远程客货运输等各类军民用飞机，受到各国高度重视[1-3]。根据涡轮发动机和冲压发动机的结构布局，TBCC可分为上下并联和共轴串联两种类型[4-5]。并联式TBCC共用部件少、易于实现，但迎风面积大、质量大。串联式TBCC共用部件多、技术难度大，但结构紧凑、迎风面积小、推重比高。串联式TBCC为实现涡轮工作模态与冲压工作模态的转换，在外涵进、出口需设计可变面积涵道引射器(VABI)以调节外涵道进、出口面积，改变发动机的涵道比来实现发动机的模态转换[6-7]。国内对可变面积涵道引射器的研究主要集中于变循环发动机整机匹配研究，分析了引射器性能对整机多调节变量组合控制规律设计的支撑和指导[8]，同时研究了后可变面积涵道引射器(简称后涵道引射器或后VABI)初步结构实现方案的可行性[9]，但对于后VABI详细设计及试验研究较少。

本文以串联式TBCC后涵道引射器为研究对象，开展了气动流道设计及模型试验研究，通过数值计算与模型试验结果对比，确定了后涵道引射器的性能特性，可为后续结构设计及其调节机构设计提供依据。

2 设计研究思路

后涵道引射器设计需要实现以下主要目标：获得一种容易由运动调节机构实现的外涵出口面积可调的气动流道方案；掌握此气动方案在各种工况下的性能特性，用以支持整机匹配及模态转换控制规律设计；获得一种与气动方案相适应的调节机构方案，可以满足涵道比0.2以上、总压恢复系数不低于0.95的性能要求。针对以上主要设计目标，后涵道引射器设计研究的主要思路是：在考虑调节方式可实现性基础上开展气动流道设计，并通过数值模拟方法进行流场计算；开展全尺寸模型试验，并与数值计算结果对比分析，确定后涵道引射器性能特性。

3 气动设计

3.1 流道设计

考虑到运动调节机构的可实现性，将活动构件设计为轴向移动零件，通过改变与固定构件之间通道轴向开度的方式改变外涵出口面积，如图1所示。这种方式可只以一个零件作为实现功能的活动构件，轴向移动易于实现。后涵道引射器仅调节外涵出口面积，对内涵基本无影响，有利于简化整机控制规律。

图1 通道轴向开度示意图Fig.1 The diagram of bypass duct axial open degree

外涵出口流道与发动机中心线的夹角应尽可能小，以增强引射效果，有利于外涵气流进入主流道。但该夹角过小，会导致在相同调节机构运动范围条件下外涵出口面积的最大值偏小，并将增大调节机构轴向尺寸。综合考虑该夹角最终取45°。后涵道引射器流道示意图见图2。

图2 后涵道引射器流道示意图Fig.2 The flow path diagram of the variable area rear bypass injector

3.2 数值计算

影响涵道比的因素主要有主次流总压比、主次流出口面积比和主流总压与背压之比。本文参考文献[10]中方法计算引射器的性能。由于本研究仅需描述给定设计方案的引射器在发动机不同工况下的涵道比，因此无需将内外涵流量换算到同一工况，而应分别给定发动机模态转换工况的内外涵总温和总压。同时，本研究是以特定的发动机总体方案为背景，后涵道引射器采用内涵面积不变、外涵可调的方式，不需要将引射器的流通面积无量纲化。因此，采用内外涵进口总压比pt6/ptl6、背压与外涵进口总压之比ps7/ptl6和开度D表示引射器性能。利用数值计算方法，改变上述3个参数计算后涵道引射器涵道比和总压恢复系数，以掌握后涵道引射器工作范围和工作性能，确定机构运动范围，为整机匹配设计和后涵道引射器机构设计提供依据。

利用GAMBIT软件对简化后的后涵道引射器结构进行网格划分，并在壁面加密，如图3所示。内、外涵进口均为给定压力进口，出口为给定压力出口，其他均为绝热无滑移壁面。针对不同的内外涵进口总压比(1.1～1.4)、引射器开度(3.2～24.0 mm)和背压与外涵进口总压之比(0.71～1.00)，采用SST模型对后涵道引射器进行数值分析。各计算工况中，外涵进口总压始终不变。选取其中2个参数保持不变、另外1个参数变化的模式，分3组进行计算。总压恢复系数σ7定义为：

图3 后涵道引射器计算网格Fig.3 The computational grid of the variable area rear bypass injector

式中：m表示流量，m7=m16+m6。

3.3 计算结果分析

(1) 保持pt6/ptl6、D不变，ps7/ptl6分别取1.00、0.93、0.87、0.80、0.71。图4给出了此条件下内外涵流道对称面马赫数云图，图5示出了涵道比和总压恢复系数的计算结果。图4反映出随着ps7/ptl6降低，内涵马赫数增大，在中心锥后产生分离，且分离趋势随着马赫数增大而增大。当ps7/pt16=0.71时，掺混区出现了局部超声速。这也体现出由于出口背压降低将导致外涵通道流速增大，从而增强了引射效果，涵道比增大；同时，因马赫数增大导致的损失也增大。由图5中的计算结果可知，当内外涵压比和引射器开度不变时，随着出口背压的降低，后涵道引射器的涵道比将增大，总压恢复系数降低。

(2) 保持D、ps7/ptl6不变，pt6/ptl6分别取1.1、1.2、1.3、1.4。图6给出了此条件下内外涵流道对称面马赫数云图，图7示出了涵道比和总压恢复系数的计算结果。由图6可看出，随着pt6/ptl6的增大，掺混区马赫数逐渐增大，中心锥后的分流区显著增大；在pt6/ptl6达到1.2左右时外壁面出现较大的回流区，当pt6/ptl6达到1.4后掺混位置下游出现了局部超声速。图7的计算结果表明，增大内涵总压会导致涵道比迅速减小。这主要是由于pt6/ptl6增大导致掺混区内涵静压升高，外涵气流难以进入内涵流道；当pt6/ptl6增大至1.2左右时，外壁面出现较大回流区导致总压损失增加，内涵总压继续增大时，内涵流速的增加提高了掺混能量，减小了壁面分离，而pt6/ptl6的增大导致内涵和掺混区出口马赫数增大，总压恢复系数先升高后降低。因此模态转换点匹配参数的选择应尽量避免pt6/ptl6过高，避免出现分离区，这也符合涡扇发动机混合器的设计经验。

图4 不同ps7/ptl6 下的对称面马赫数云图Fig.4 The cloud chart of Mach number in the symmetrical plane at different ps7/ptl6

图5 不同ps7/ptl6 下的涵道比和总压恢复系数Fig.5 Bypass ratio and total pressure recovery coefficient at different ps7/ptl6

图6 不同pt6/ptl6 下的对称面马赫数云图Fig.6 Mach number chart in the symmetrical plane at different pt6/ptl6

图7 不同pt6/ptl6 下的涵道比和总压恢复系数Fig.7 Bypass ratio and total pressure recovery coefficient at different pt6/ptl6

(3) 保持pt6/ptl6、ps7/ptl6不变，D分别取3.2、9.3、24.0 mm。图8给出了此条件下内外涵流道对称面马赫数云图，图9示出了涵道比和总压恢复系数计算结果。由图8可知，随着引射器开度的增加，掺混截面及下游附近区域的马赫数变化不大，但掺混截面内涵上游马赫数呈下降趋势，说明内涵进口流量减少。这主要是由于引射器开度增加导致外涵流通面积增大，在其他条件不变时使得外涵流量增大进而导致涵道比增加。由图9的计算结果可知，保持pt6/ptl6和ps7/ptl6不变时，随着引射器开度的增加，涵道比不断增大，而总压恢复系数变化不明显。

图8 不同开度下的对称面马赫数云图Fig.8 Mach number chart in the symmetrical plane at different open degrees

4 模型试验研究

4.1 试验方案

采用1:1模型试验件模拟气动流道，不带调节机构，通过更换垫片的方式调节外涵出口开度。试验件(图10)由进气帽罩、导流环、前机匣、对开段、引射调节装置、中心锥、燃烧室筒体、测量段等组成。

增压气源接入内涵进口，外涵进口连接环境大气，利用抽吸气源接入混合出口调节背压。通过气源设备和试验件可更换垫片结构，实现对内外涵进口总压比、开度、背压与外涵进口总压之比的调节。通过测量内涵进口流量和混合出口流量并求差得到外涵流量。总体方案中，模态转换过程采用外涵总静压差为常数的控制规律，引入参数压差比dp/p。

图9 不同开度下的涵道比和总压恢复系数Fig.9 Bypass ratio and total pressure recovery coefficient at different open degrees

图10 后涵道引射器模型试验件结构Fig.10 Test piece structure of rear bypass injector

由气体动力学可知，pt/ps=f(Ma)，因此引入压差比可综合反映pt6/ptl6和ps7/ptl6影响下的外涵气流速度，有利于简化试验数据处理。通过分析试验数据，得到压差比和开度对涵道比与总压恢复系数的影响。

试验供气条件：外涵进口总温为大气环境温度；外涵进口总压为大气环境压力；内涵进口总温由增压气源决定，不对气流加温，由进口温度传感器测量；内涵进口总压分别为1.063、1.200、1.300、1.400倍外涵压力。

在模型试验中开展以下研究：

(1) 进口条件和引射器开度不变、只改变出口背压，研究不同背压对引射状态的影响，得到该工况最高和最低背压。其中最高背压为超过该极限值后外涵流道会出现倒流现象，最低背压为低于该极限值后在外涵出口或内涵面积最小处会出现超声速，上述两种情况在发动机正常工作时均不允许出现。

(2) 进口条件和出口背压不变、只改变引射器开度，研究不同引射器开度对引射状态的影响，得到不同开度下引射外涵的气流流量，为总体性能的流量匹配提供数据支撑。

(3) 引射器开度和出口背压不变、只改变内外涵总压比，研究不同内外涵总压比对引射状态的影响，为后续设计不同的内外涵设计工况压比提供数据支持。

4.2 试验工况数值模拟与试验结果对比

为验证测试结果的准确性，减小测试误差对试验结果分析的影响，选取部分试验点，以试验环境条件进行了数值计算，计算与试验结果对比如图11所示。可见，总压损失计算值与试验值较为接近。总流量和内涵流量的计算值与试验值也较为接近。但在开度较小时外涵流量计算值与试验值相差较大。其原因主要有：①试验中的总流量和内涵流量均采用经过标定的流量管测量，流量管的测量误差不超过±1%，因此相对准确；②试验中外涵流量是总流量和内涵进口流量求差获得，当开度较小时外涵流量较小，测量误差相对于内涵流量和总流量较小，但相对于外涵流量较大，因此外涵流量的计算值与试验值相差较大。

4.3 试验结果分析

图12、图13分别给出了涵道比和总压恢复系数随压差比变化的等开度曲线。从图中可知，涵道比随着开度的增大而增大；同时，压差比越大，涵道比越大，符合理论分析规律。总压恢复系数随着压差比的变大而减小，其原因是速度增加导致损失增大。不同开度在小的压差比范围内总压恢复系数相差不大，但过临界点后损失立刻增加。这是因为流道内出现了局部超声速产生的损失，而开度越大临界点的压差比越小。压差比不超过0.1，开度达到9.3 mm，即可满足总压恢复系数不小于0.95、涵道比不小于0.2的要求。

图14、图15分别给出了涵道比和总压恢复系数随开度变化的等压差比曲线。从图中可知，等压差比条件下，涵道比总趋势是随着开度的增加而增加；但压差比较低时，开度15.0 mm的涵道比偏小导致曲线略有下降。在压差比小于0.14条件下，总压恢复系数随开度的变化不明显。但压差比超过0.14时，随着开度的增大存在一个总压损失突然增大的开度。其原因是随着外涵流量的增大，流道中出现超声速，导致损失突然增大。

图11 计算值与试验值对比图Fig.11 Comparison of calculated value and test results

图12 涵道比与压差比的等开度曲线Fig.12 The curve of bypass ratio and pressure difference ratio at the same open degree

图13 总压恢复系数与压差比的等开度曲线Fig.13 The curve of total pressure recovery coefficient and pressure difference ratio at the same open degree

图14 涵道比与开度的等压差比曲线Fig.14 The curve of bypass ratio and open degree at the same pressure difference ratio

图16给出了总压恢复系数随内涵进口马赫数变化的等开度曲线。由图可知，在一定开度范围内，总压恢复系数随着进口马赫数的增加而降低，马赫数相同时不同开度下的总压恢复系数相差较小。但开度较大时会更早出现大的总压损失，其原因是等压差比下，开度较大时外涵流量较大，容易造成流道内出现局部超声速使损失增大。

图15 总压恢复系数与开度的等压差比曲线Fig.15 The curve of total pressure recovery coefficient and open degree at the same pressure difference ratio

图16 总压恢复系数与内涵进口马赫数的等开度曲线Fig.16 The curve of total pressure recovery coefficient and internal entrance Mach number at the same open degree

图17给出了总压恢复系数随涵道比变化的等开度曲线。由图可知，相同开度下总压恢复系数随着涵道比的增大而减小，但涵道比相同时开度越大总压恢复系数越高。这是由于涵道比相同时，开度越大，掺混区外涵气流流速越小，带来的掺混损失更小导致总压恢复系数越高。同时也反映出某一开度下涵道比不能超过一定范围，否则会导致损失骤增，这与图4反映的结果一致。因此在满足后涵道引射器实现涵道比0.2以上、总压恢复系数不低于0.95的要求下，后涵道引射器调节机构应实现最大开度不小于10.0 mm。