核心机驱动风扇级的气动设计及其与下游部件的匹配

admin · 发表于 2022-8-25 11:18:07

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核心机驱动风扇级（Core driven fan stage, CDFS）是双涵道变循环发动机（Double bypass engine, DBE）的关键部件，在军事和民用超音/高超音推进方面有广泛的应用前景，其气动设计是研制高推重比发动机的一项关键技术。与常规的风扇/压气机相比，CDFS在气动设计上主要存在以下两方面难点：第一，受到上、下游部件的约束，设计参数的选择困难，特别是存在高切线速度与低压比的矛盾，难以获得高效率；第二，CDFS存在两个工作模式，气动设计需要兼顾不同的工作状态。本文对CDFS的工作特点和设计方法展开了深入研究，旨在建立CDFS在不同模式下的匹配分析方法，掌握CDFS的气动设计技术，总结CDFS与下游部件的匹配特点，最终完成了一个CDFS的气动方案，旨在为我国未来的工程研制提供关键的技术支持。本文的主要工作包括以下几个方面：（1）建立了CDFS在非设计工作模式的匹配分析方法，得到了CDFS在双涵道模式（非设计工作模式）下的匹配特性图。该方法可以用于定性的分析双涵道模式下CDFS的主要气动参数随着双涵道模式性能指标（流量、压比和转速）的变化规律，结合三维数值技术，可以合理匹配CDFS的双涵道工作模式。（2）将CDFS在两种工作模式下的性能指标都引入到了气动设计中。重点分析了双涵道模式下的性能指标（流量、压比和转速）对CDFS一维设计参数选择空间的影响；利用CDFS在双涵道模式下的匹配特性图，结合三维数值模拟技术深入研究了流量系数、负荷系数和反力度对CDFS在不同模式下的气动性能及流场的影响。（3）完成了一个典型的CDFS气动方案设计。分析了不同模式下CDFS内部的流动特点，以及不同气动布局对CDFS性能的影响；并进一步研究了预旋分布和径向负荷分布对CDFS主要气动参数和性能的影响。三维数值验算的结果表明，该方案的气动性能完全满足设计要求，兼顾了CDFS在单/双涵道模式下的性能，而且具有良好的常用转速特性。（4）研究了不同工作模式下，CDFS与下游高压压气机和二级涵道的匹配特点。揭示了核心压气机（由CDFS、高压压气机和二级涵道组成）的总流量、总压比和二级涵道比之间的关系，以及CDFS与高压压气机之间的流场在不同模式下的变化特点。

核心机驱动风扇级的气动设计及其与下游部件的匹配

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