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[摘 要]本文介绍了双涵CDFS的气动布局特点，以及与单涵道CDFS相比的优势和设计难点。并针对其设计难点，对某双涵道CDFS设计进行了探索性研究，计算了取消掠型设计对该CDFS内涵性能的衰减，完成了外涵全超音转子初步方案设计，为双涵道CDFS设计提出了建议。
[关键词]变循环；双涵道核心机驱动风扇级；全超音转子；气动设计；转子
中图分类号：TP513 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）38-0045-01
1引言
在超声速客机和宽飞行包线多任务战斗机对发动机需求的驱动下，国内外相继开展了变循环发动机的研究工作[1，2]。GE公司在该领域一直走在世界前列，其前期变循环发动机均采用了核心机驱动风扇级（Core Driven Fan Stage，简称CDFS）的设计来实现发动机流量的调节。虽然其各型发动机的CDFS与高压压气机气动布局均不相同，但CDFS均为单涵道独立部件，CDFS出口气流一部分进入第二涵道，一部分进入高压压气机[3]。国外VAATE计划中提出了双涵道CDFS的气动布局，CDFS内涵与高压压气机融为一体，称为“通用大范围流量调整核心机[4]”。
国内在变循环核心压缩部件的研究方面，大多是针对单涵道CDFS部件的研究，以及CDFS和高压压气机匹配设计研究[5，6]，气动布局与GE公司的相近，对双涵道CDFS的研究相对很少。本文主要对双涵道CDFS的设计特点和难点进行了分析，并开展了某双涵道CDFS的内、外涵气动方案设计，同时为了解决其设计难点，提出了可以采取的一些措施。
2 双涵道CDFS设计特点和难点
VAATE计划中的CDFS与高压压气机气动布局如图1所示[4]。该种气动布局在性能上的优势在于：CDFS内、外涵道独立工作，两个涵道的气体流动可分别设计。CDFS内涵与高压压气机组成一个整体，可作为一个内涵压气机进行设计，这样就削弱了CDFS与高压压气机、二级涵道之间的气动耦合；在结构上的优势在于可以取消前涵道引射装置。该种气动布局的主要缺点在于：CDFS转子叶片上带有分流环，对材料和结构强度的要求更高；CDFS外涵为全超音设计，很难实现较高的外涵效率和喘振裕度，这两点也是双涵道CDFS设计的主要难点。本文在双涵道CDFS设计过程中，针对这两方面难点开展了以下相关工作。
3 内涵转子子午叶型设计
CDFS转子叶片的强度问题，是双涵道CDFS设计应当首先解决的问题。在材料研制水平一定的情况下，为了解决该转子强度问题，还需要设计者在性能、结构设计等方面尽可能提出一些改善转子强度的相关解决措施。
压气机转子叶片经常采用前掠设计，尤其是转子尖部前掠，有利于控制内部激波，提高效率和喘振裕度。但叶片尖部前掠不利于转子叶片的强度，尤其是CDFS转子的内涵转子前掠，将会给CDFS转子分流环附近的应力造成明显提升。
本文开展了CDFS内涵转子采用掠型设计和取消掠型设计的情况下，CDFS内涵的三维计算特性对比。有、无掠型设计的CDFS转子子午叶型对比如图2所示。
本文的三维计算均是采用商用NUMECA软件的Fine模块进行的定常计算。进、出口计算域长度选取为叶片弦长的1.5倍。网格拓扑结构采用O4H型，近壁面第一层网格厚度为0.005mm。计算的介质为真实空气，控制方程采用湍流N-S方程，湍流模型使用S-A模型，方程离散采用二阶精度的中心差分格式。有、无掠型设计的CDFS内涵无量纲特性对比如图3所示：
4 外涵全超音轉子设计
目前，国内外对全超音压气机的研究并不多，因为全超音转子叶片通道内会形成贯穿S2流面的激波，因此普遍认为在全超音情况下很难实现较高的效率和喘振裕度。特别是对于双涵CDFS，因为其外径较大，其外涵不仅全超音，马赫数还会相对较高，因此更不利于设计者优化效率和控制激波。
本文在该CDFS外涵转子流场设计方面，尽可能采用正预旋设计，以减小转子进口马赫数，降低激波强度，减小激波损失。在转子叶片造型方面，采用适合超音叶型设计的任意弯度中线，配合修正圆弧的叶厚分布，尽量控制激波位置和激波结构，提高喘振裕度。
CDFS外涵10%、50%、90%叶高的S1流面相对马赫数分布，叶片根、中、尖三个截面的流场结构相似，叶根马赫数稍低一些，叶尖正预旋设计使尖部马赫数没有大幅增加，各激波结构也较为合理。
4 结论
本文介绍了双涵道CDFS的设计特点，开展了某双涵道CDFS的内、外涵气动方案设计，得到如下结论：
1）CDFS转子叶片强度问题和外涵为全超音设计是双涵道CDFS设计的主要难点；
2）为了兼顾双涵道CDFS转子的强度需求，其内涵转子设计应尽量不采用尖部前掠，或者尽量减小前掠量。
3）CDFS外涵设计时，可以通过采用正预旋设计，减小转子进口马赫数，降低激波强度，减小激波损失。
参考文献
[1]张鑫，刘宝杰.核心机驱动风扇级的气动设计特点分析[J].航空动力学报，2010，25（2）：434～442.
[2]Gronstedt U T J，Pilidis P.Control optimization of the transient performance of the selective bleed variable cycle engine during mode transition.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2002，124（1）：75～81.
[3]赖安卿.核心机驱动风扇级气动布局研究[D].南京；南京航空航天大学，2013.
[4]张鑫.核心机驱动风扇级的气动设计及其下游部件的匹配[D].北京；北京航空航天大学，2011.
[关键词]变循环；双涵道核心机驱动风扇级；全超音转子；气动设计；转子
中图分类号：TP513 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）38-0045-01
1引言
在超声速客机和宽飞行包线多任务战斗机对发动机需求的驱动下，国内外相继开展了变循环发动机的研究工作[1，2]。GE公司在该领域一直走在世界前列，其前期变循环发动机均采用了核心机驱动风扇级（Core Driven Fan Stage，简称CDFS）的设计来实现发动机流量的调节。虽然其各型发动机的CDFS与高压压气机气动布局均不相同，但CDFS均为单涵道独立部件，CDFS出口气流一部分进入第二涵道，一部分进入高压压气机[3]。国外VAATE计划中提出了双涵道CDFS的气动布局，CDFS内涵与高压压气机融为一体，称为“通用大范围流量调整核心机[4]”。
国内在变循环核心压缩部件的研究方面，大多是针对单涵道CDFS部件的研究，以及CDFS和高压压气机匹配设计研究[5，6]，气动布局与GE公司的相近，对双涵道CDFS的研究相对很少。本文主要对双涵道CDFS的设计特点和难点进行了分析，并开展了某双涵道CDFS的内、外涵气动方案设计，同时为了解决其设计难点，提出了可以采取的一些措施。
2 双涵道CDFS设计特点和难点
VAATE计划中的CDFS与高压压气机气动布局如图1所示[4]。该种气动布局在性能上的优势在于：CDFS内、外涵道独立工作，两个涵道的气体流动可分别设计。CDFS内涵与高压压气机组成一个整体，可作为一个内涵压气机进行设计，这样就削弱了CDFS与高压压气机、二级涵道之间的气动耦合；在结构上的优势在于可以取消前涵道引射装置。该种气动布局的主要缺点在于：CDFS转子叶片上带有分流环，对材料和结构强度的要求更高；CDFS外涵为全超音设计，很难实现较高的外涵效率和喘振裕度，这两点也是双涵道CDFS设计的主要难点。本文在双涵道CDFS设计过程中，针对这两方面难点开展了以下相关工作。
3 内涵转子子午叶型设计
CDFS转子叶片的强度问题，是双涵道CDFS设计应当首先解决的问题。在材料研制水平一定的情况下，为了解决该转子强度问题，还需要设计者在性能、结构设计等方面尽可能提出一些改善转子强度的相关解决措施。
压气机转子叶片经常采用前掠设计，尤其是转子尖部前掠，有利于控制内部激波，提高效率和喘振裕度。但叶片尖部前掠不利于转子叶片的强度，尤其是CDFS转子的内涵转子前掠，将会给CDFS转子分流环附近的应力造成明显提升。
本文开展了CDFS内涵转子采用掠型设计和取消掠型设计的情况下，CDFS内涵的三维计算特性对比。有、无掠型设计的CDFS转子子午叶型对比如图2所示。
本文的三维计算均是采用商用NUMECA软件的Fine模块进行的定常计算。进、出口计算域长度选取为叶片弦长的1.5倍。网格拓扑结构采用O4H型，近壁面第一层网格厚度为0.005mm。计算的介质为真实空气，控制方程采用湍流N-S方程，湍流模型使用S-A模型，方程离散采用二阶精度的中心差分格式。有、无掠型设计的CDFS内涵无量纲特性对比如图3所示：
4 外涵全超音轉子设计
目前，国内外对全超音压气机的研究并不多，因为全超音转子叶片通道内会形成贯穿S2流面的激波，因此普遍认为在全超音情况下很难实现较高的效率和喘振裕度。特别是对于双涵CDFS，因为其外径较大，其外涵不仅全超音，马赫数还会相对较高，因此更不利于设计者优化效率和控制激波。
本文在该CDFS外涵转子流场设计方面，尽可能采用正预旋设计，以减小转子进口马赫数，降低激波强度，减小激波损失。在转子叶片造型方面，采用适合超音叶型设计的任意弯度中线，配合修正圆弧的叶厚分布，尽量控制激波位置和激波结构，提高喘振裕度。
CDFS外涵10%、50%、90%叶高的S1流面相对马赫数分布，叶片根、中、尖三个截面的流场结构相似，叶根马赫数稍低一些，叶尖正预旋设计使尖部马赫数没有大幅增加，各激波结构也较为合理。
4 结论
本文介绍了双涵道CDFS的设计特点，开展了某双涵道CDFS的内、外涵气动方案设计，得到如下结论：
1）CDFS转子叶片强度问题和外涵为全超音设计是双涵道CDFS设计的主要难点；
2）为了兼顾双涵道CDFS转子的强度需求，其内涵转子设计应尽量不采用尖部前掠，或者尽量减小前掠量。
3）CDFS外涵设计时，可以通过采用正预旋设计，减小转子进口马赫数，降低激波强度，减小激波损失。
参考文献
[1]张鑫，刘宝杰.核心机驱动风扇级的气动设计特点分析[J].航空动力学报，2010，25（2）：434～442.
[2]Gronstedt U T J，Pilidis P.Control optimization of the transient performance of the selective bleed variable cycle engine during mode transition.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2002，124（1）：75～81.
[3]赖安卿.核心机驱动风扇级气动布局研究[D].南京；南京航空航天大学，2013.
[4]张鑫.核心机驱动风扇级的气动设计及其下游部件的匹配[D].北京；北京航空航天大学，2011.