[转帖]新型微型涡扇方案及其复合压缩转子初步设计

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4.3 复合压缩系统转子的内涵通道流场结构分析

图 23给出了复合压缩系统转子内涵约50%叶高设计流量下的马赫数、静压分布云图及面流线图。风扇转子起到导风轮作用，气流经风扇叶片吸力面加速后局部超声并形成激波，波后亚声气流在风扇通道内不断减速扩压，并进入斜流压气机转子。在斜流转子大叶片的堵塞效应及前缘绕流的作用下，其前缘吸力面加速并形成微小超声区，其作用延伸至风扇与斜流转子大叶片的重叠区域，使该区域相对马赫数约从0. 6增至0.8，局部加速的整流作用以及斜流转子大叶片吸力面产生新附面层，使得其吸力面流动状态良好。风扇叶片压力面较薄和吸力面较厚的附面层在尾缘相遇，形成尾迹，并在斜流转子通道内掺混与发展，由于将原先位于扩压器通道内的掺混提前至转子通道中，从而使扩压器进口流场更为均匀，有望降低由尾迹造成扩压器进口攻角周期性改变引发的额外总压损失。

   

图 23 复合压缩系统转子内涵约50%叶高设计流量下的马赫数、静压分布云图及面流线图

Figure 23 Graphs of Mach number contour, static pressure contour and surface streamlines of about 50% blade height under design mass flow down the bypass of compound compression system rotor

图 24给出了复合压缩系统转子内涵约90%叶高设计流量下的马赫数云图。该叶高流场结构与50%叶高类似，但由于进口相对马赫数的提高，风扇叶片内形成波前马赫数约为1.3的通道激波。斜流压气机约2/3弦长处受轮盖高子午曲率产生分离的影响(见图 25)，形成了低速区域，大叶片吸力面由于重叠区域的加速吹除作用，低速区产生位置得以延后。

   

图 24 复合压缩系统转子内涵约90%叶高设计流量下的马赫数云图

Figure 24 Graphs of Mach number contour of about 90% blade height under design mass flow down the bypass of compound compression system rotor

     

图 25 复合压缩系统转子的周向平均相对马赫数云图

Figure 25 Azimuthal averaged relative Mach number contour in compound compression system rotor

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4.4 复合压缩系统转子的外涵通道流场结构分析

由于采用结构简单、紧凑的单转子方案，风扇外涵进口气流相对速度处于较高马赫数(1.26~1.6) 的超声状态，合理的激波结构是降低激波损失、改善风扇外涵气动性能的关键。图 26给出了复合压缩系统转子外涵约50%叶高设计流量下的马赫数、静压分布云图及面流线图。气流以约1.4的相对马赫数进入风扇通道，在风扇叶片前缘处形成两道斜激波组成的弓形激波，左支打向进口延伸段，右支打向相邻叶背。气流经过叶栅通道时，可近似认为经过4道激波，经过左支斜激波后，波后马赫数仍大于1，由于小攻角的存在产生局部超声加速，并在叶片吸力面平直段保持其相对马赫数近似不变，直至遇到右支斜激波，波后马赫数降至1.2左右，并在流出叶片重叠部分前，经过通道正激波(三维结构为斜激波)，波后马赫数降至1.0左右。由于流经风扇叶盆和叶背气流的马赫数和出口气流角存在差异，流经叶盆的气流在尾缘处产生一道近似平行于轴线方向的弱斜激波并减速，而流经叶背的气流则通过膨胀波加速，使两股气流方向与压力保持一致。叶片通道内多道强度较弱激波的存在，降低了激波损失，并由于激波增压降低了气流转折引起的损失，使风扇转子外涵部分能以较高效率完成增压作用。

图 26 复合压缩系统转子外涵约50%叶高设计流量下的马赫数、静压分布云图及面流线图

Figure 26 Graphs of Mach number contour, static pressure contour and surface streamlines of about 50% blade height under design mass flow in the bypass of compound compression system rotor

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5 结论

本文主要得出以下结论：

(1) 在分析典型微型涡扇发动机可行性及利弊的基础上，提出一种紧凑型复合压缩系统微型涡扇方案，在保证结构简化与紧凑的前提下同时提高热效率与推进效率，以降低耗油率。

(2) 该微型涡扇方案内涵风扇转子和斜流压气机转子构成串列叶片。串列叶片提高压缩性能的机理可分为独立作用机制和耦合作用机制：独立作用机制使得串列叶片在原型单列叶片有分离时损失较低，而无分离时损失则略高；耦合作用机制则使得串列叶片产生额外于独立作用机制的性能增益。从串列的形式而言，由于斜流压气机叶尖易发生分离，所以半串列叶片比串列叶片有更大的性能提升潜力。

本文的算例表明，串列叶片能较好抑制斜流压气机转子主叶片叶尖流动分离，串列叶片相比单列叶片效率提高0.6%，半串列叶片相比单列叶片效率提高3.5%。

(3) 建立了该方案的总体性能模型，并给出80 kg(784 N)推力微型涡扇发动机总体设计参数及性能参数。性能模拟表明，其设计点理论耗油率为1.02 kg/(10N·h)，相比同性能水平微型涡喷发动机约降低24.4%。

(4) 压缩系统转子内涵部分的风扇与斜流转子构成串列叶片，前后排叶片重叠区域的局部加速形成的吹除作用使后排叶片叶背流动状态良好，并推迟了由轮盖高子午曲率产生的分离。

(5) 复合压缩系统流场数值模拟结果表明，内涵在设计流量下压比5.2，效率91%，外涵在设计流量下压比1.6，效率84%，在一定程度上初步验证了复合压缩系统的可行性。

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