带箍喷气自驱动风扇数值模拟研究

商超群

（南京航空航天大学，江苏 南京 210016）

1 引言

与小涵道比涡扇发动机相比，大涵道比涡扇发动机的推进效率高、经济性好，因此被广泛应用于民航客机和大型军用运输机上。涵道比是涡扇发动机的重要设计参数，对发动机的耗油率和推进效率起着至关重要的作用。近半个世纪以来，大涵道比涡扇的涵道比由最初的4～6增大至如今的10～15，耗油率也随之从0.58～0.7 kg/(dN·h)减小至0.5～0.55 kg/(dN·h)。可以预见继续增加涵道比仍是大涵道比涡扇发动机的发展方向。

在传统双轴涡扇发动机中，风扇与低压压气机固连，因此风扇与低压压气机转速相同。随着涵道比的不断增大，风扇与低压压气机的直径差距也随之增大，风扇与低压压气机的转速不匹配问题日益凸显。为了解决上述问题，目前工程中提出了三轴涡扇发动机和齿轮传动涡扇发动机，但仍有结构复杂、重量较大等问题。带箍喷气自驱动风扇是近年来提出的新型风扇结构，它与低压压气机断开连接，依靠喷气驱动风扇旋转，同时结构简单，因此有望解决风扇与低压压气机的转速不匹配问题。

2 带箍喷气自驱动风扇的结构与原理

如图1所示为带箍喷气自驱动风扇的结构示意图，风扇叶片内为空腔结构，风扇叶尖处带有一空心箍环，与叶片内的空腔相连。同时箍环内有一系列喷管，可将箍环内气体高速喷出。带箍喷气自驱动风扇工作时，通过引入涡扇发动机的高压压气机或涡轮处的高压气源，经过风扇叶片内的空腔汇集至箍环处，并通过喷管高速喷出，驱动风扇旋转。如图2所示为箍环内喷管射流示意图。喷管射流的周向速度分量与风扇旋转方向相反，利用喷管射流的反作用力矩推动风扇旋转。通过控制引气流量的大小，可调节喷管的驱动功率，进而调节风扇转速，以适应涡扇发动机不同工况下对风扇转速的不同需求。

图1 带箍喷气自驱动风扇的结构示意图

图2 喷管射流示意图

3 带箍喷气自驱动风扇数值模拟分析

3.1 计算方法

以某常规风扇为基础，通过添加箍环和射流喷管，将其改型为带箍喷气自驱动风扇。该原型风扇的部分设计参数如表1所示。由于风扇流场具有周期性，因此数值模拟计算时可简化为计算一个叶栅通道。图3展示了原型压气机单通道计算域、带箍喷气自驱动风扇的外部流场单通道计算域和内部空腔计算域。通过ANSYS ICEM对上述计算域进行计算网格划分，并通过ANSYS CFX求解器进行求解。计算时，风扇转速为设计转速；风扇进口边界条件为标准大气的总温和总压（288.15 K，101 325 Pa）；射流进口通过给定不同静温、静压和流速来调节射流功率；风扇出口边界条件为静压，可通过不断提高出口静压获得风扇的性能曲线；其余壁面为绝热壁面。

图3 计算域示意图

表1 风扇部分设计参数

3.2 带箍喷气自驱动风扇性能分析

通过数值模拟计算得到的流量-总压比性能曲线如图4所示。从图中可知原型风扇和带箍喷气自驱动风扇的流量-总压比性能曲线变化趋势相近，且流量之差在0.5%以内，表明叶尖处的喷气结构对风扇性能的影响较小，不会对风扇的性能造成恶劣影响。

图4 流量-总压比性能曲线

如表2所示为总压比达到1.37时带箍喷气自驱动风扇的周向扭矩匹配计算结果。由于风扇在旋转时除了受到气动阻力外，还会受到机械阻力，因此喷管射流提供的动力扭矩预留了约5%的裕度。从表中可知，通过调节喷管射流的引气压力和引气流量，可达到风扇动力扭矩和阻力扭矩平衡的效果，同时引气总压为2.62 Mpa，在涡扇发动机的压气机加压能力以下，表明从高压压气机引气并通过喷管射流驱动风扇工作是可行的，验证了带箍喷气自驱动风扇的可行性。

表2 带箍喷气自驱动风扇的周向扭矩匹配

3.3 带箍喷气自驱动风扇流场分析

如图5、图6所示分别为原型风扇和带箍喷气自驱动风扇在5%、50%和95%三个叶高截面的马赫数云图（仅展示两个叶栅通道）。从图中可观察到在5%和50%叶高截面，原型风扇和带箍喷气自驱动风扇的马赫数分布几乎相同，表明喷管射流对风扇叶根和叶尖区域的流场影响较小。而在95%叶高截面，可明显观察到风扇下游处出现的射流流动，但在风扇附近的流场内，原型风扇和带箍喷气自驱动风扇的流场仍保持高度一致，表明射流流动对风扇流场影响较小，有利于风扇的稳定工作。

图5 原型风扇马赫数云图

图6 带箍喷气自驱动风扇马赫数云图

4 结论

文章对带箍喷气自驱动风扇开展了数值模拟研究，并得出了以下结论：

（1）当引起总压为2.62MP时，风扇工作时的动力扭矩和阻力扭矩达到平衡，表明带箍喷气自驱动风扇具有可行性。

（2）带箍喷气自驱动风扇的喷管射流对风扇的气动性能影响较小，不会对风扇的性能造成恶劣影响。

（3）带箍喷气自驱动风扇的流场结构与原型风扇相近，有利于风扇的稳定工作。