大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)30年代末，馮韋泰勒和馮赫恩先后發(fā)明了高速噴槍?zhuān)⒋龠M(jìn)了人們進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代。經(jīng)過(guò)60多年的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新，航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的性能日益提高，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)方面產(chǎn)生了重大影響。航空動(dòng)力渦旋發(fā)動(dòng)機(jī)的創(chuàng)新和復(fù)雜性已成為國(guó)家科技水平、軍事實(shí)力和國(guó)力的重要標(biāo)志之一。在各種航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中,軍用發(fā)動(dòng)機(jī)更主要追求高的推重比/功重比;而民用發(fā)動(dòng)機(jī)則有更多方面的技術(shù)要求,如經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性和環(huán)保等.與渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比,渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì),自上世紀(jì)50年代以來(lái),在軍用和民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)中一直占據(jù)主流地位.目前我國(guó)已將大型民用客機(jī)正式列為中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中的重大專(zhuān)項(xiàng),而世界干線客機(jī)的動(dòng)力100%均采用渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī),這種狀態(tài)在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不會(huì)有根本性的變化.作為大型客機(jī)的動(dòng)力裝置,渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于:不僅能提供較快的飛行速度,而且具有良好的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和維修性,也能滿足國(guó)際民航組織等提出的環(huán)保等方面的要求.目前現(xiàn)役大型客機(jī)的典型技術(shù)指標(biāo)如下:●飛行速度:800～850km/h(Ma=0.75～0.8,11km高空);●巡航耗油率:0.55～0.6kg/daN·h;●空中停車(chē)率:不大于0.002～0.005次/1000飛行小時(shí);●壽命約5萬(wàn)小時(shí).目前大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)壓比已經(jīng)提高到40左右,渦輪前溫度已提高到1400～1500℃的水平,下一代高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)壓比將提高到50左右,溫度將再提高100℃左右.半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)總效率的提高依賴于推進(jìn)效率和循環(huán)效率不斷提高的情況,這也將是21世紀(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高的規(guī)律,到2020年左右,高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率將比目前水平進(jìn)一步降低15%～20%.表1列出了典型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程和循環(huán)參數(shù).進(jìn)入21世紀(jì)后,大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能在進(jìn)一步提高的同時(shí),更加重視大幅度降低污染物排放和噪聲,表2給出了美國(guó)和歐盟制定中長(zhǎng)期技術(shù)發(fā)展目標(biāo),以滿足未來(lái)社會(huì)發(fā)展的需求.如圖1所示,隨著新的適航條例的實(shí)施,對(duì)于飛行噪聲的控制越來(lái)越嚴(yán)格.如圖2所示,飛行噪聲由發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和飛機(jī)噪聲兩部分構(gòu)成,而發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲則遠(yuǎn)大于飛機(jī).發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要來(lái)源于風(fēng)扇、噴流、燃燒和渦輪,其中風(fēng)扇噪聲和噴流噪聲較大,因此美國(guó)和歐盟在過(guò)去20年投入大量人力、物力和財(cái)力加強(qiáng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各種降噪技術(shù)的研究,為了達(dá)到更低的噪聲水平,甚至不惜犧牲一些氣動(dòng)性能.為了滿足未來(lái)發(fā)展的需要,美國(guó)和歐盟近期都制定了專(zhuān)門(mén)的噪聲研究大型國(guó)家級(jí)規(guī)劃,例如美國(guó)在1994-2001年實(shí)施的先進(jìn)亞音速技術(shù)計(jì)劃(AST)部署了降噪技術(shù)計(jì)劃,從2001年又開(kāi)始實(shí)施的安靜飛機(jī)技術(shù)研究計(jì)劃(QAT),初期投資1億美元,該計(jì)劃自2004年起加大了投資力度;而歐盟從2001年開(kāi)始實(shí)施為期5年的相應(yīng)計(jì)劃——SILENCER,是歐洲有史以來(lái)關(guān)于噪聲研究的最大計(jì)劃,投資高達(dá)1.1億歐元.圖3給出了GE90發(fā)動(dòng)機(jī)目前采用的主要降噪技術(shù),從中可以看出,為了降低噪聲,當(dāng)代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不但大量采用聲襯,而且在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)上采取了大量措施.因此,過(guò)去20年大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)降噪技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分,特別是風(fēng)扇和排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì),噪聲水平已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo).圖4給出了GE公司風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的演變,從中可以看出,自20世紀(jì)80年代以來(lái),航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)先以準(zhǔn)三維為主;90年代以來(lái)則逐漸建立起了以三維CFD技術(shù)為核心的現(xiàn)代設(shè)計(jì)體系,使其逐漸擺脫了耗資多、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、主要依靠完備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法”.本文下面將以大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為背景,重點(diǎn)分析過(guò)去20年其風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,及其進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì),總結(jié)其技術(shù)難點(diǎn),旨在說(shuō)明我國(guó)將來(lái)發(fā)展高性能大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在風(fēng)扇和壓氣機(jī)方面將面臨的一些挑戰(zhàn),以及亟待突破的一些關(guān)鍵技術(shù),從而為我國(guó)明確大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展途徑提供參考.1風(fēng)扇安裝技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)1.1大涵道比風(fēng)機(jī)葉片的制造技術(shù)過(guò)去20年,風(fēng)扇寬弦空心鈦合金葉片以及復(fù)合材料葉片制造技術(shù)的突破,使得風(fēng)扇的機(jī)械性能大幅度提高,促使渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比不斷增加,從而有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率,而且突肩的取消,也使得風(fēng)扇的效率明顯提高.圖5給出了RR公司風(fēng)扇效率的演變過(guò)程,從中可以看出,20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著風(fēng)扇/壓氣機(jī)的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的提高,通過(guò)采用三維氣動(dòng)造型,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)的定制設(shè)計(jì),使得風(fēng)扇的效率進(jìn)一步提高.大涵道比風(fēng)扇葉片之所以能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)掠型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于突破了寬弦空心葉片或復(fù)合材料葉片的制造技術(shù).與傳統(tǒng)造型相比,如圖6所示,當(dāng)前大涵道比風(fēng)扇基本都采用復(fù)合掠型的設(shè)計(jì),葉片中上部后掠,實(shí)現(xiàn)通道激波的后掠,從而降低激波損失;葉片尖部前掠,從而有效提高風(fēng)扇的失速裕度;此外,寬弦設(shè)計(jì)本身還會(huì)進(jìn)一步促使激波在空間的傾斜;再加上葉型的定制設(shè)計(jì),從而使得激波損失,以及相應(yīng)的附面層損失和二次流損失明顯降低,風(fēng)扇設(shè)計(jì)點(diǎn)的效率比常規(guī)造型的風(fēng)扇有明顯改善.圖7給出了GE公司GE90-115B掠型風(fēng)扇與常規(guī)造型風(fēng)扇性能的對(duì)比.除上述設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)扇效率明顯提高之外,先進(jìn)掠型風(fēng)扇另外一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)是其堵塞流量也有所增加,從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛推力相應(yīng)增大.為了滿足未來(lái)適航條例關(guān)于噪聲水平的要求,當(dāng)前先進(jìn)的大涵道比風(fēng)扇設(shè)計(jì)中已開(kāi)始將風(fēng)扇的噪聲水平作為重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一,同時(shí)將噪聲的分析和評(píng)估直接納入風(fēng)扇的氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系與流程.下面以GE90發(fā)動(dòng)機(jī)為例(圖3),簡(jiǎn)單分析現(xiàn)階段大涵道比風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)上采用的降噪技術(shù)(不包括聲襯技術(shù)).◆風(fēng)扇轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì):選取低的葉尖切線速度,重視降低尾跡的寬度和強(qiáng)度.◆拉大轉(zhuǎn)子與靜子間距:明顯增加轉(zhuǎn)子與風(fēng)扇外涵出口導(dǎo)葉的間距,適當(dāng)增大轉(zhuǎn)子與增壓級(jí)進(jìn)口導(dǎo)葉的間距.◆出口導(dǎo)葉葉片數(shù)的選擇:通過(guò)外涵出口導(dǎo)葉葉片數(shù)的選擇,使之能夠截?cái)噢D(zhuǎn)子葉片通過(guò)頻率成份的噪聲模態(tài)向下游的傳播.1.2新一代發(fā)動(dòng)機(jī)液壓噪聲為B787飛機(jī)研制的即將投入使用的GEnx和TRENT1000發(fā)動(dòng)機(jī)代表了當(dāng)今大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的先進(jìn)水平,其涵道比已經(jīng)達(dá)到10一級(jí),發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲水平比FAR36第3階段的規(guī)定低近30dB;而三大發(fā)動(dòng)機(jī)公司預(yù)研的2020年前后投入使用的高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比將增加到12以上,全面實(shí)現(xiàn)表2中的目標(biāo)值.在未來(lái)更高涵道比風(fēng)扇設(shè)計(jì)中,其最大的挑戰(zhàn)來(lái)自于降噪,以及由此引發(fā)的推力、重量等問(wèn)題.圖8給出了新一代發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用的降噪技術(shù),主要是要從風(fēng)扇、聲襯、短艙和鋸齒形噴口(Chevronnozzle)幾方面入手,其中風(fēng)扇設(shè)計(jì)采取的先進(jìn)降噪技術(shù)主要包括以下幾方面:◆進(jìn)一步降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的葉尖切線速度(轉(zhuǎn)子噪聲近似與葉尖速度的4次方成比例);◆對(duì)葉片造型,特別是出口導(dǎo)葉造型采用子午后傾、彎掠等三維優(yōu)化氣動(dòng)造型;◆以降噪為目標(biāo)對(duì)風(fēng)扇加功量分布等一些重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;◆加強(qiáng)風(fēng)扇部件全流場(chǎng)中尾跡和分離等各種旋渦流動(dòng)的控制.上述幾項(xiàng)技術(shù)中最有效的,也是難度最大的就是進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)子的葉尖切線速度,如圖9所示,對(duì)于涵道比在10左右的發(fā)動(dòng)機(jī),其葉尖切線速度已經(jīng)降到聲速左右,現(xiàn)有風(fēng)扇結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)方式還不需要改變;但是未來(lái)涵道比12以上風(fēng)扇的葉尖切線速度下降到聲速以下時(shí),現(xiàn)有雙轉(zhuǎn)子的發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)形式必須進(jìn)行創(chuàng)新,由此將引發(fā)一些新的氣動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題.隨著風(fēng)扇涵道比的不斷增加,風(fēng)扇葉尖切線速度的不斷降低,會(huì)帶來(lái)兩方面的問(wèn)題:一是風(fēng)扇增壓級(jí)的切線速度非常低,其加功增壓能力嚴(yán)重不足;二是風(fēng)扇壓比持續(xù)降低,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛推力明顯損失.由于RR公司采用三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī),所以不存在增壓級(jí)的問(wèn)題,但是GE和PW公司則面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),為此提出了創(chuàng)新的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式.1.2.1齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)電除了上述提到的增壓級(jí)問(wèn)題之外,隨著涵道比的增加渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓轉(zhuǎn)速不斷降低,導(dǎo)致當(dāng)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪級(jí)數(shù)多、尺寸大,成為決定發(fā)動(dòng)機(jī)的成本和重量的關(guān)鍵因素,這些問(wèn)題在涵道比12以上的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制上更加突出.解決這些問(wèn)題的一個(gè)有效途徑就是采用齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,如圖10所示,風(fēng)扇不再由低壓渦輪軸直接驅(qū)動(dòng),而是通過(guò)一個(gè)3∶1的體內(nèi)減速器將低壓轉(zhuǎn)速降低后再驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇.PW,PWC,FiatAvio和MTU對(duì)該技術(shù)已進(jìn)行了15年的攻關(guān),目前正在進(jìn)行全尺寸的試驗(yàn)驗(yàn)證,其難點(diǎn)主要在于小尺寸、大功率、長(zhǎng)壽命、高可靠性體內(nèi)減速器的研制,以及風(fēng)扇支承形式等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上.如圖10所示,齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn):◆擺脫了渦輪轉(zhuǎn)速的制約,能夠獲得更高的涵道比,從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率;◆能夠獲得更低的葉尖切線速度,從而進(jìn)一步降低風(fēng)扇噪聲;◆低壓渦輪能夠采用較適合的轉(zhuǎn)速,使級(jí)數(shù)減少一半左右,從而大幅度降低發(fā)動(dòng)機(jī)的成本和重量;◆增壓級(jí)的加功增壓能力大幅度增加,能夠以更少的級(jí)數(shù)獲得更高的壓比.低葉尖切線速度自然決定了風(fēng)扇的增壓比有所降低,到2020年高涵道比風(fēng)扇的葉尖切線速度在260m/s左右,相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓比會(huì)在1.3左右.這樣的風(fēng)扇雖然能夠獲得更高一點(diǎn)的效率,但是由于風(fēng)扇壓比的明顯降低,會(huì)損失較大的起飛推力,這一方面需要在發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)參數(shù)選擇上進(jìn)行平衡;另一方面需要加大風(fēng)扇的通流能力,通過(guò)提高其來(lái)流馬赫數(shù)以增大起飛推力,其起飛狀態(tài)風(fēng)扇來(lái)流馬赫數(shù)會(huì)增加到0.6以上.因此,除了低噪聲之外,高通流、高負(fù)荷、高效率是高涵道比低葉尖切線速度風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和挑戰(zhàn).1.2.2低壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)風(fēng)方案技術(shù)面臨的問(wèn)題與PW等公司致力于發(fā)展的齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇不同,GE公司為應(yīng)對(duì)未來(lái)高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn),提出了低壓系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)概念.低壓系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了兩級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇,輔助增壓級(jí)與轉(zhuǎn)速更高一些的第二級(jí)風(fēng)扇連在一起,為了實(shí)現(xiàn)這樣的工作方式,發(fā)動(dòng)機(jī)必須采用三轉(zhuǎn)子技術(shù),通過(guò)使低壓渦輪對(duì)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的對(duì)轉(zhuǎn),這與常規(guī)三轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)相比,結(jié)構(gòu)和支撐形式更為復(fù)雜一些,因此其技術(shù)挑戰(zhàn)也是相當(dāng)大的.由于同樣采用低葉尖切線速度,對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇各自的轉(zhuǎn)速并不高,但是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn),它可以加大渦輪的作功能力,從而減少低壓渦輪的級(jí)數(shù),達(dá)到減輕重量,降低成本的目的.與齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇相比,對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇有一個(gè)優(yōu)勢(shì),其每一級(jí)轉(zhuǎn)子的壓比并不高,但是兩級(jí)的總壓比則接近當(dāng)前較高切線速度風(fēng)扇的增壓比,從而能夠獲得更大的推力.從氣動(dòng)設(shè)計(jì)上兩級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇若要獲得比現(xiàn)有風(fēng)扇更高的效率,其關(guān)鍵在于第二級(jí)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì),因?yàn)樗乃俣热切慰赡懿焕趯?shí)現(xiàn)高效率.此外,由于對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子之間,以及第二級(jí)轉(zhuǎn)子與出口導(dǎo)葉之間的軸向間距不能拉大到單級(jí)風(fēng)扇時(shí)的距離,因此其轉(zhuǎn)子相互作用形成的噪聲,以及轉(zhuǎn)子與出口導(dǎo)葉相互作用形成的噪聲將有所增加,需要其它降噪措施加以彌補(bǔ).與齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇相比,低壓系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)方案技術(shù)難度更大,若干關(guān)鍵問(wèn)題尚待解決.2ge293年三維氣動(dòng)造型技術(shù)的發(fā)展歷程在當(dāng)代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中,風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件仍占到發(fā)動(dòng)機(jī)總長(zhǎng)度的50%～60%,重量的40%～50%,制造成本的35%～40%,維修成本的30%(K.Steffens,2001).在壓氣機(jī)氣動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)都取得了很大進(jìn)展的今天,高壓壓氣機(jī)的研制依然是高風(fēng)險(xiǎn)、高難度的工作,高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)至今依然是發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的技術(shù)瓶頸之一.現(xiàn)階段,乃至未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),對(duì)高壓壓氣機(jī)的要求分別體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:1)性能●在寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有高的效率●級(jí)壓比高●軸向長(zhǎng)度短(更少的級(jí)數(shù))●重量輕●長(zhǎng)期使用的性能衰減慢2)安全性●抗外物打傷能力強(qiáng)●良好的機(jī)匣包容性●葉片、盤(pán)、軸和整個(gè)部件可靠性高●轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性好●有足夠的失速裕度和抗進(jìn)氣氣流畸變能力3)成本●制造成本低●維修成本低●魯棒性好如前面圖4所示,過(guò)去20年高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展到多級(jí)全三維造型階段,下面結(jié)合圖11給出的GE90發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的發(fā)展歷程,分析高壓壓氣機(jī)氣動(dòng)性能不斷提高所采取的主要關(guān)鍵技術(shù).在美國(guó)高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)(E3)計(jì)劃的支持下,在20世紀(jì)80年代初,GE公司依靠豐富的高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),基于二維/準(zhǔn)三維的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)體系,成功研制出了10級(jí)壓比23的高壓壓氣機(jī),為GE公司之后的20年保持世界領(lǐng)先水平奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),到目前為止,它所達(dá)到的壓比仍然是世界之最.過(guò)去20年,GE公司利用三維設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)其不斷進(jìn)行改進(jìn)和提高,圖11給出了其中重要的發(fā)展里程碑.改進(jìn)的最主要手段就是采用全三維造型技術(shù),如圖12所示,高壓壓氣機(jī)的通流能力,常用轉(zhuǎn)速(流量)范圍內(nèi)的效率,特別是設(shè)計(jì)點(diǎn)效率均有明顯提高.同期RR公司也發(fā)展自己的三維設(shè)計(jì)技術(shù),通過(guò)采用葉片三維氣動(dòng)造型使其Trent500和Trent900發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的效率明顯提高(圖13).在20世紀(jì)90年代,三維氣動(dòng)造型技術(shù)提高壓氣機(jī)效率的主要措施是消除或改善各排葉片內(nèi)部的分離,特別是角區(qū)的分離流動(dòng);而過(guò)去10年,隨著對(duì)三維氣動(dòng)造型技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷深化,三維氣動(dòng)造型技術(shù)同樣用于改善通道主流的流動(dòng)情況,進(jìn)一步降低了通道主流的流動(dòng)損失;同時(shí)通過(guò)加大轉(zhuǎn)子葉片前掠,在穩(wěn)步提高壓氣機(jī)的級(jí)負(fù)荷的同時(shí),有效地提高了壓氣機(jī)的失速裕度.在先進(jìn)材料和整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)的支持下,高壓壓氣機(jī)的葉尖切線速度能夠進(jìn)一步提高,再利用三維氣動(dòng)造型技術(shù),各大發(fā)動(dòng)機(jī)公司不斷向更高級(jí)壓比的高壓壓氣機(jī)發(fā)起挑戰(zhàn).圖14給出了各種發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)級(jí)數(shù)及其能夠獲得的壓比的關(guān)系圖,其中決定性的衡量指標(biāo)就是平均級(jí)壓比.到目前為止民用大發(fā)動(dòng)機(jī)用的高壓壓氣機(jī)的前沿水平分別是MTU研制成功的6級(jí)壓比11的高壓壓氣機(jī),其平均級(jí)壓比接近1.5,應(yīng)用對(duì)象是中小推力級(jí)別的發(fā)動(dòng)機(jī),例如PW6000,由單級(jí)高壓渦輪驅(qū)動(dòng);另一個(gè)就是前面提到的GE90高壓壓氣機(jī),10級(jí)壓比23,其平均級(jí)壓比接近1.4,應(yīng)用對(duì)象是大推力級(jí)別的發(fā)動(dòng)機(jī),由兩級(jí)高壓渦輪驅(qū)動(dòng).其他更高級(jí)負(fù)荷的嘗試到目前為止都失敗了,包括PW公司自己研制的PW6000高壓壓氣機(jī),以及GE公司研制的TECH56高壓壓氣機(jī).根據(jù)前面提到的對(duì)于高壓壓氣機(jī)的三方面要求,隨著材料、結(jié)構(gòu)和工藝,以及壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,未來(lái)高涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)性能將進(jìn)一步提高.現(xiàn)階段研發(fā)的一些先進(jìn)技術(shù),如圖15所示,將用于研制未來(lái)更高性能的高壓壓氣機(jī).3大涵道比施策略的啟示過(guò)去我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展一直以軍機(jī)為主,雖然軍用和民用發(fā)動(dòng)機(jī)有大量共用技術(shù),但由于軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)主要追求高推重比,與民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)要求有重大差別,所以結(jié)構(gòu)和研制技術(shù)也存在重要差別;相對(duì)于軍機(jī)而言,我國(guó)更是缺乏大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn).十五期間在APTD計(jì)劃的支持下,才開(kāi)始了發(fā)展軍用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)研,所以缺乏研制大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和積累.國(guó)外經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展,經(jīng)過(guò)幾次更新?lián)Q代,目前已經(jīng)達(dá)到了非常高的水平.考慮到我國(guó)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)將在2015-2020年投入使用,而那時(shí)國(guó)外又進(jìn)一步發(fā)展到了更高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的階段,因此我國(guó)在民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制上面臨非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).現(xiàn)狀與要求之間的巨大反差,決定了研制任務(wù)的艱巨性,但也帶來(lái)了從未有過(guò)的良好發(fā)展機(jī)遇.我們應(yīng)當(dāng)理清關(guān)鍵問(wèn)題,統(tǒng)一規(guī)劃,有針對(duì)性地加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和技術(shù)驗(yàn)證,一方面為大涵道比的工程研制提供技術(shù)支撐(補(bǔ)課),另一方面就是要發(fā)展和儲(chǔ)備未來(lái)更高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制的先進(jìn)理論、方法和設(shè)計(jì)技術(shù)(儲(chǔ)備),從而使我國(guó)未來(lái)第二代高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)能夠達(dá)到當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平.下面就我們的認(rèn)識(shí),談?wù)勎覈?guó)在大涵道比風(fēng)扇/壓氣機(jī)部件氣動(dòng)設(shè)計(jì)上面臨的一些主要技術(shù)問(wèn)題,這也是我們當(dāng)前亟待解決的從基礎(chǔ)研究到工程研制的一些關(guān)鍵問(wèn)題.我們所面臨的主要問(wèn)題是基礎(chǔ)研究薄弱,預(yù)先研究?jī)?chǔ)備不足.發(fā)動(dòng)機(jī)的研制規(guī)律表明,發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高源于發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)的不斷突破與成功應(yīng)用,如圖16所示,RR公司即將投入使用的TRENT1000發(fā)動(dòng)機(jī)和下一代的TRENT發(fā)動(dòng)機(jī)的高性能是建立在他們過(guò)去20年來(lái)以及未來(lái)十幾年所發(fā)展的、并經(jīng)過(guò)了驗(yàn)證的各種先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)之上的,而且這些先進(jìn)技術(shù)都是在發(fā)動(dòng)機(jī)研制之前就已經(jīng)儲(chǔ)備好了,并在預(yù)先研究階段進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.相比之下,我國(guó)將要進(jìn)行的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制,一些關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)先研究?jī)?chǔ)備不足,難以很快達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平.為了解決這個(gè)問(wèn)題,我國(guó)需要在現(xiàn)階段就大力部署一系列關(guān)鍵先進(jìn)技術(shù)的預(yù)先研究,創(chuàng)造相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究條件,其中既要包括國(guó)際上目前已經(jīng)掌握并已應(yīng)用的、而我們還沒(méi)有的關(guān)鍵技術(shù),也要包括國(guó)際上正在為下一代發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研的關(guān)鍵技術(shù).3.1盡快開(kāi)發(fā)出重要的研究設(shè)備3.1.1氣動(dòng)噪聲對(duì)象研究發(fā)動(dòng)機(jī)作為有史以來(lái)最為復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)熱力-推進(jìn)機(jī)械,其內(nèi)部存在各種復(fù)雜的流動(dòng)、傳熱、燃燒等氣動(dòng)熱力現(xiàn)象,以及強(qiáng)烈的流體間、流體與固體間的相互作用,這些復(fù)雜的流動(dòng)及相互作用產(chǎn)生了頻率成份復(fù)雜的各種離散噪聲和寬頻噪聲.因此,從氣動(dòng)聲學(xué)的角度看,發(fā)動(dòng)機(jī)也許是當(dāng)今最為復(fù)雜、最難研究的噪聲對(duì)象,在機(jī)理、分析手段和方法,以及控制技術(shù)等各方面研究上都存在非常大的難度.例如,噪聲分析與預(yù)測(cè)方法所需要達(dá)到的流場(chǎng)計(jì)算精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣動(dòng)性能需要的精度;風(fēng)扇、噴流噪聲試驗(yàn)環(huán)境要遠(yuǎn)比性能試驗(yàn)環(huán)境苛刻得多,對(duì)流場(chǎng)的測(cè)量精度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了氣動(dòng)性能試驗(yàn)的要求.由于發(fā)展民航的需要,美國(guó)和歐洲自20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行系統(tǒng)的研究,過(guò)去20年更是成為競(jìng)爭(zhēng)的核心之一,投入大量的財(cái)力和物力,建立起了完善的從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究的各種關(guān)鍵設(shè)備,圖17到圖19給出了一些典型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái).相比之下,我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)還沒(méi)有這些關(guān)鍵研究設(shè)備.這是需要納入規(guī)劃,盡快建立的.3.1.2高速壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置雖然我國(guó)目前擁有開(kāi)展多級(jí)壓氣機(jī)研究的多種高速試驗(yàn)設(shè)備和手段,但是面向大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)要求的高效率高負(fù)荷多級(jí)高壓壓氣機(jī)的研制,我們還缺少一種關(guān)鍵研究手段——多級(jí)低速大尺寸壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù).眾所周知,全尺寸高速多級(jí)高壓壓氣機(jī)加工和試驗(yàn)成本較高、周期長(zhǎng),測(cè)量難度大,實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性高,特別是后面級(jí)通道狹窄,在高速設(shè)備上開(kāi)展多級(jí)壓氣機(jī)后面級(jí)內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理、先進(jìn)設(shè)計(jì)理論與方法的研究,以及要實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化,其費(fèi)用和周期都是無(wú)法承受的.國(guó)外在發(fā)展高壓壓氣機(jī)過(guò)程中,走出了一條能夠解決多級(jí)壓氣機(jī)中后面級(jí)研究的經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的路子,就是是多級(jí)低速大尺寸壓氣機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)(多級(jí)壓氣機(jī)前面級(jí)由于存在激波,不能用低速模擬的方法進(jìn)行研究,必須進(jìn)行高速實(shí)驗(yàn)研究).自20世紀(jì)70年代,GE率先將多級(jí)低速大尺寸壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置成功用于高壓壓氣機(jī)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和型號(hào)研制,為GE高壓壓氣機(jī)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn).之后,PW和RR公司也開(kāi)始廣泛采用該技術(shù);MTU公司為了發(fā)展高性能高壓壓氣機(jī),90年代中期在Dresden理工大學(xué)建設(shè)了與GE公司類(lèi)似的多級(jí)低速大尺寸壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái).各大發(fā)動(dòng)機(jī)公司之所以重視高壓壓氣機(jī)低速模擬技術(shù),就是因?yàn)槠浼庸ず蛯?shí)驗(yàn)成本只有全尺寸高速實(shí)驗(yàn)件的幾十分之一,可以詳細(xì)測(cè)量其內(nèi)部流場(chǎng),加工、裝配和實(shí)驗(yàn)都非常靈活,能夠以較少的投入對(duì)各種先進(jìn)設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行大量的系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證.此外,其詳細(xì)測(cè)量結(jié)果可為多級(jí)壓氣機(jī)CFD技術(shù)的校驗(yàn)與改進(jìn)提供豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).下面僅以GE公司發(fā)展高壓壓氣機(jī)三維氣動(dòng)造型方面的例子來(lái)說(shuō)明如何利用該技術(shù)發(fā)展其先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù).圖20給出了GE公司高壓壓氣機(jī)低速大尺寸模擬試驗(yàn)臺(tái)的照片,及其發(fā)展三維氣動(dòng)造型的壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)截面圖,以及轉(zhuǎn)子的三維氣動(dòng)造型葉片.前面圖11和圖12給出了GE公司過(guò)去20年基于E3高壓壓氣機(jī)發(fā)展各種先進(jìn)三維造型高性能壓氣機(jī)的里程碑,GE公司高壓壓氣機(jī)后面級(jí)的三維氣動(dòng)造型技術(shù)就是在圖20的低速大尺寸壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)研究與驗(yàn)證的,圖中給出了兩種改進(jìn)方案與E3原型壓氣機(jī)性能曲線對(duì)比.GE公司正是利用這種實(shí)驗(yàn)研究手段,發(fā)展了各種定制葉型技術(shù),得到了各種量體裁衣似的針對(duì)當(dāng)?shù)鼐唧w流動(dòng)情況的各種解決措施,如前加載、后加載、轉(zhuǎn)捩控制、葉尖間隙泄漏補(bǔ)償?shù)热~型技術(shù)和端彎、三維氣動(dòng)造型等,消除了氣流分離,提高了效率和失速裕度,為GE公司成功研制E3發(fā)動(dòng)機(jī)做出了基礎(chǔ)性貢獻(xiàn).而這些針對(duì)當(dāng)?shù)鼐唧w流場(chǎng)的“定制”措施,在高速實(shí)驗(yàn)臺(tái)上是很難做出的,因?yàn)樵诟咚倥_(tái)上很難測(cè)出當(dāng)?shù)鼐唧w流場(chǎng)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié).如果GE公司全部采用高速全尺寸試驗(yàn),完成上述高壓壓氣機(jī)三維氣動(dòng)造型的優(yōu)化,其花費(fèi)不但是目前的上百倍,而且其研制周期根本無(wú)法保證.應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出,即使在計(jì)算流體力學(xué)已得到長(zhǎng)足發(fā)展的今天,這種低速大尺寸多級(jí)壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)仍然是不可替代的,后面將要指出,主要是由于對(duì)湍流流動(dòng)預(yù)估能力的限制,CFD技術(shù)還難以完全解決高性能多級(jí)壓氣機(jī)研制問(wèn)題.3.2通過(guò)設(shè)計(jì)理論、方法和系統(tǒng)，必須改善和完善3.2.1散噪和產(chǎn)權(quán)技術(shù)美國(guó)和歐洲自20世紀(jì)60年代就開(kāi)始展開(kāi)風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生與傳播機(jī)理及控制方法的研究,經(jīng)過(guò)幾十年的研究,目前對(duì)風(fēng)扇離散噪聲產(chǎn)生的機(jī)理已有了相當(dāng)深入的了解,特別是過(guò)去20年,在風(fēng)扇離散噪聲預(yù)測(cè)技術(shù)和控制技術(shù)上也取得了非常大的進(jìn)展,使得當(dāng)代高性能風(fēng)扇的離散噪聲及其前傳噪聲水平都大幅度降低.相比之下,在風(fēng)扇寬頻噪聲的預(yù)測(cè)技術(shù),以及風(fēng)扇后傳噪聲的控制上還有相當(dāng)大的潛力可挖,這自然成為美國(guó)和歐洲下一階段相關(guān)研究的重點(diǎn).隨著對(duì)風(fēng)扇噪聲設(shè)計(jì)水平要求的不斷提高,國(guó)際上關(guān)于噪聲應(yīng)用基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)放在了結(jié)合先進(jìn)的CFD技術(shù),發(fā)展能夠更為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)離散噪聲和寬頻噪聲產(chǎn)生與傳播的各種先進(jìn)數(shù)值模擬技術(shù)上,以及各種先進(jìn)降噪技術(shù)上,重點(diǎn)圍繞以下四個(gè)方面展開(kāi):◆評(píng)估當(dāng)前CFD技術(shù)對(duì)于各種離散噪聲源的預(yù)測(cè)能力,研究將寬頻噪聲源預(yù)測(cè)加入到CFD技術(shù)中的可行性;◆發(fā)展CFD技術(shù)與聲傳播和輻射計(jì)算技術(shù)的接口技術(shù),以及從聲源到遠(yuǎn)場(chǎng)的全聲場(chǎng)預(yù)測(cè)技術(shù);◆利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果校驗(yàn)上述模型和技術(shù);◆發(fā)展低噪聲風(fēng)扇設(shè)計(jì)新概念、方法和設(shè)計(jì)技術(shù).為了能夠給噪聲分析和預(yù)測(cè)的各種理論模型和計(jì)算方法提供可靠的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù),國(guó)外為此發(fā)展了各種先進(jìn)的測(cè)試技術(shù),圖21和圖22給出了國(guó)外一些典型實(shí)驗(yàn)測(cè)量情況的照片.這些先進(jìn)的測(cè)試技術(shù),以及風(fēng)扇噪聲的預(yù)測(cè)分析方法,是我國(guó)未來(lái)建立和發(fā)展風(fēng)扇噪聲分析系統(tǒng)的理論和技術(shù)基礎(chǔ).長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)對(duì)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開(kāi)展較少,對(duì)于風(fēng)扇噪聲的可靠預(yù)測(cè)分析方法和各種先進(jìn)的降噪技術(shù)技術(shù)貯備不足,在這方面與國(guó)際先進(jìn)水平存在相當(dāng)大的差距,這是我國(guó)民用大涵比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研究亟待彌補(bǔ)的重要一課.為此,我們需要建立風(fēng)扇噪聲分析系統(tǒng).風(fēng)扇噪聲分析系統(tǒng)目前在我國(guó)尚處于空白,因此在未來(lái)的5～10年的時(shí)間,需要下大力氣盡快建立起能夠支撐我國(guó)先進(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制的風(fēng)扇噪聲分析系統(tǒng).與國(guó)外幾十年的積累相比,我國(guó)在這方面需要跨越式發(fā)展,能否跨越的關(guān)鍵在于我國(guó)能否圍繞先進(jìn)風(fēng)扇噪聲分析系統(tǒng)所需要的設(shè)計(jì)技術(shù),系統(tǒng)地開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和預(yù)先研究,利用后進(jìn)優(yōu)勢(shì)又快又好地建立起先進(jìn)風(fēng)扇噪聲分析系統(tǒng).圖23是PW公司風(fēng)扇噪聲分析系統(tǒng),它由兩大模塊組成,分別是離散噪聲(Tonenoise)分析模塊和寬頻噪聲(Broadbandnoise)分析模塊,兩大模塊各個(gè)程序的詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參閱文獻(xiàn).建立起風(fēng)扇噪聲分析系統(tǒng)以后,就可以將其與風(fēng)扇的氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)耦合在一起,發(fā)展建立風(fēng)扇氣動(dòng)-噪聲耦合分析系統(tǒng),從而具備低噪聲高性能大涵道比風(fēng)扇的設(shè)計(jì)能力.3.2.2對(duì)現(xiàn)有湍流模型的模擬作為當(dāng)代風(fēng)扇/壓氣機(jī)三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系的核心,CFD技術(shù)成為研制高性能風(fēng)扇/壓氣機(jī)的關(guān)鍵手段之一.目前在風(fēng)扇/壓氣機(jī)基礎(chǔ)研究中已經(jīng)開(kāi)始采用三維非定常CFD技術(shù),以及更為先進(jìn)可靠的LES等方法,但是由于計(jì)算資源的限制等問(wèn)題,在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的工程設(shè)計(jì)中三維定常CFD技術(shù)仍將起重要作用.20世紀(jì)90年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外在風(fēng)扇/壓氣機(jī)的研制上開(kāi)始廣泛且深入地應(yīng)用定常數(shù)值模擬技術(shù),但在實(shí)踐中三維定常CFD技術(shù)既帶來(lái)過(guò)成功的經(jīng)驗(yàn),也有失敗的教訓(xùn),因此國(guó)外各大發(fā)動(dòng)機(jī)研究機(jī)構(gòu)都在不斷發(fā)展和完善有源程序的風(fēng)扇/壓氣機(jī)CFD軟件,并一直利用各種詳細(xì)測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行不斷的校準(zhǔn)和改進(jìn).相比之下,我們國(guó)家風(fēng)扇/壓氣機(jī)的研制還是以商用CFD軟件為主,因此在計(jì)算的精度和可靠性上,特別是對(duì)于多級(jí)壓氣機(jī)的計(jì)算還存在很大的不確定性,迫切需要向以自行發(fā)展的CFD軟件轉(zhuǎn)變,并重視以下幾個(gè)方面的研究.湍流模型和大渦模擬:鑒于風(fēng)扇/壓氣機(jī)內(nèi)部的復(fù)雜流動(dòng)情況,特別是多級(jí)壓氣機(jī),未來(lái)相當(dāng)時(shí)間也難以發(fā)展出普適的湍流模型,所以必須加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有湍流模型的適用性分析,校驗(yàn)各種情況下的計(jì)算精度,積累計(jì)算經(jīng)驗(yàn),提高風(fēng)扇/壓氣機(jī)模擬的可靠性(噪聲的可靠分析和預(yù)測(cè)強(qiáng)烈依賴CFD計(jì)算結(jié)果的可靠性).此外,必須加強(qiáng)湍流轉(zhuǎn)捩模型的研究與應(yīng)用,因?yàn)樗菧?zhǔn)確模擬許多流動(dòng)現(xiàn)象的關(guān)鍵.由于難以發(fā)展出普適的湍流模型,且計(jì)算機(jī)能力提高很快,所以一段時(shí)期以來(lái),國(guó)際上出現(xiàn)一種看法,即用大渦模擬LES處理葉輪機(jī)內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題,其優(yōu)點(diǎn)是:●避開(kāi)了大尺度意義下的湍流模型問(wèn)題,而可代之以亞格子尺度的模型模擬,這種模型對(duì)邊界幾何條件的相關(guān)性更低,具有更高的各向同性性,因而有更高的通用性;●本身是非定常的,因而對(duì)于處理葉輪機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)靜子之間固有的非定常問(wèn)題具有先天的優(yōu)勢(shì),對(duì)于研究動(dòng)靜葉相互作用,如上游尾跡對(duì)下游邊界層的非定常掃掠和轉(zhuǎn)捩等問(wèn)題也很自然.這種方法是有前途的,但仍需解決一些難題,特別是亞格子尺度的模擬問(wèn)題,當(dāng)然也需要具備相應(yīng)的計(jì)算資源.確定性應(yīng)力模型:除湍流模型之外,當(dāng)前多級(jí)風(fēng)扇/壓氣機(jī)模擬不夠準(zhǔn)確的另一個(gè)重要原因就是它不能很好處理轉(zhuǎn)靜子流場(chǎng)的周向非均勻性和非定常性的影響,而在定常框架內(nèi)計(jì)及這種效應(yīng)的一種有效方法就是確定性應(yīng)力模型.美國(guó)GE和PW公司都將其風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系中的CFD程序改進(jìn)為基于確定應(yīng)力模型的三維定常程序,成為高性能多級(jí)壓氣機(jī)研制的先進(jìn)手段.可控?cái)U(kuò)散葉型的轉(zhuǎn)捩機(jī)制與模型:可控?cái)U(kuò)散葉型是設(shè)計(jì)高效率高負(fù)荷高壓壓氣機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),目前我們國(guó)家雖然能夠設(shè)計(jì)可控?cái)U(kuò)散葉型,但是由于在其流動(dòng)機(jī)理,特別是考慮上下游相互作用的轉(zhuǎn)捩機(jī)制及其模型方面還缺乏開(kāi)展系統(tǒng)、深入的研究工作.缺乏多級(jí)環(huán)境下可靠的轉(zhuǎn)捩模型的支持,難以設(shè)計(jì)出高性能的可控?cái)U(kuò)散葉型,而且有可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗.高壓壓氣機(jī)三維氣動(dòng)造型的流動(dòng)機(jī)制:葉片三維氣動(dòng)造型是對(duì)彎葉片和掠葉片的進(jìn)一步發(fā)展,是設(shè)計(jì)體系從二維/準(zhǔn)三維發(fā)展到三維的必然結(jié)果,也是過(guò)去20年風(fēng)扇/壓氣機(jī)性能明顯提高的核心措施.從GE、RR、MTU公司的三維氣動(dòng)造型壓氣機(jī)性能的不斷提高可以看出,國(guó)外對(duì)于高壓壓氣機(jī)三維氣動(dòng)造型流動(dòng)機(jī)制的理解早已超出了利用其控制角區(qū)分離的認(rèn)識(shí),已經(jīng)發(fā)展到了能夠利用三維氣動(dòng)造型進(jìn)一步降低主流區(qū)損失,提高負(fù)荷的地步.相比之下,我國(guó)對(duì)于高壓壓氣機(jī)三維氣動(dòng)造型機(jī)理的研究和認(rèn)識(shí)還不夠深入,開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證工作非常匱乏.程序的校驗(yàn)與完善:鑒于三維定常CFD技術(shù)的上述缺陷,以及風(fēng)扇/壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的復(fù)雜性,以及越來(lái)越高的計(jì)算精度要求,對(duì)三維定常CFD需要不斷地進(jìn)行校驗(yàn)和完善.由于系統(tǒng)、可靠、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匱乏,我國(guó)在風(fēng)扇/壓氣機(jī)CFD模擬的精度和可靠性上與國(guó)際先進(jìn)水平存在巨大差距,這在相當(dāng)大程度上制約了我國(guó)研制的風(fēng)扇和壓氣機(jī)最終所能達(dá)到的水平,特別是大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)要求的高效率.3.3與型號(hào)密切相關(guān)的一些重要開(kāi)發(fā)準(zhǔn)備3.3.1低噪聲風(fēng)電的主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行這方面的研究就是要突破和掌握具有當(dāng)代現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)水平的風(fēng)扇設(shè)計(jì)技術(shù),并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.重點(diǎn)是要突破風(fēng)扇先進(jìn)掠型設(shè)計(jì)技術(shù),建立和發(fā)展風(fēng)扇噪聲分析與預(yù)測(cè)技術(shù),形成氣動(dòng)與噪聲耦合設(shè)計(jì)體系,掌握低噪聲風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù),以及先進(jìn)聲襯研制技術(shù).根據(jù)國(guó)際當(dāng)前大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的水平,預(yù)研的高性能低噪聲風(fēng)扇應(yīng)當(dāng)達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo):●涵道比:6～8;●葉尖切線速度:350～370m/s;●壓比:1.5左右;●外涵效率:0.9以上;●噪聲:比常規(guī)設(shè)計(jì)降低4～5EPNdB.3.3.2高壓壓氣機(jī)鍵技術(shù)研發(fā)高效率高負(fù)荷高壓氣機(jī)先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究,就是要儲(chǔ)備具有國(guó)際先進(jìn)水平的高壓壓氣機(jī)的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù),為我國(guó)下一代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備關(guān)鍵技術(shù),重點(diǎn)要突破先進(jìn)可控?cái)U(kuò)散葉型設(shè)計(jì)技術(shù)、高壓壓氣機(jī)三維氣動(dòng)造型技術(shù)、容腔間隙設(shè)計(jì)技術(shù)和壓氣機(jī)主動(dòng)控制技術(shù),以及先進(jìn)封嚴(yán)、先進(jìn)盤(pán)軸冷卻、先進(jìn)葉尖涂層和整體葉盤(pán)轂筒式結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)技術(shù).根據(jù)國(guó)際先進(jìn)高壓壓氣機(jī)及其發(fā)展趨勢(shì),預(yù)研的高壓壓氣機(jī)應(yīng)該達(dá)到以下性能指標(biāo):1級(jí)高壓渦輪驅(qū)動(dòng)2級(jí)高壓渦輪驅(qū)動(dòng)●壓比:11～13●壓比:18～20●級(jí)數(shù):6～7●級(jí)數(shù):8～10●效率:0.88●效率:0.883.3.3低噪聲風(fēng)電的研制目標(biāo)與涵道比8以下的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不同,前面已經(jīng)提到未來(lái)高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)必須進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新才有可能研制出涵道比12以上的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),目前看只有兩種方案:一是PW公司主導(dǎo)的齒輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇技術(shù);二是GE公司提出的低壓系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)技術(shù)(必然是三轉(zhuǎn)子技術(shù)),取消了低壓渦輪級(jí)間導(dǎo)葉.無(wú)論哪種技術(shù)方案,難度都是非常大的.因此我國(guó)未來(lái)研制涵道比12以上的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),必須盡早儲(chǔ)備這類(lèi)關(guān)鍵技術(shù),否則在10年以后,我們將面臨一個(gè)難以跨越的技術(shù)障礙.根據(jù)國(guó)際當(dāng)前正在預(yù)研的高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的水平,我國(guó)將來(lái)開(kāi)展的這類(lèi)高性能低噪聲風(fēng)扇的技術(shù)指標(biāo)也應(yīng)當(dāng)達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際預(yù)研的先進(jìn)水平:●涵道比:12以上;●葉尖切線速度:250～280m/s;●壓比:1.3左右;●外涵效率:0.91以上;●噪聲:比當(dāng)前先進(jìn)水平降低～4EPNdB.3.4試驗(yàn)結(jié)果和討論認(rèn)真研究航空技術(shù)先進(jìn)國(guó)家風(fēng)扇/高壓壓氣機(jī)發(fā)展歷程和研制經(jīng)驗(yàn),對(duì)于解決我們今天所面臨的問(wèn)題仍是十分有益的.J79發(fā)動(dòng)機(jī)是在20世紀(jì)50年代開(kāi)始研制的,美國(guó)那時(shí)計(jì)算預(yù)估真實(shí)流動(dòng)的能力仍很低(低于中國(guó)現(xiàn)有的能力),然而J79發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功了,而且研制出了一臺(tái)很好的高壓壓氣機(jī),級(jí)數(shù)多達(dá)17級(jí);在當(dāng)時(shí)計(jì)算能力不高的條件下,高壓壓氣機(jī)的研制主要只能靠試驗(yàn).20年之后,美國(guó)開(kāi)始了新一代發(fā)動(dòng)機(jī)——E3發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)研,美國(guó)當(dāng)時(shí)的準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)體系已相對(duì)成熟.那時(shí)GE公司雖然沒(méi)有全三維分析軟件,但其經(jīng)過(guò)大量改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證的準(zhǔn)三維體系預(yù)估流場(chǎng)的能力已高于中國(guó)現(xiàn)在的水平.即使這樣,當(dāng)時(shí)E3發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的研制仍然進(jìn)行2輪反復(fù),才達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo).1980年1月開(kāi)始進(jìn)行的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)葉根性能不好,于是決定對(duì)前面級(jí)葉片加以修改;1981年4月,對(duì)組裝了改進(jìn)后葉片的10級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果表明,前段根部性能得到了改善,但壓氣機(jī)性能和失速裕度仍不足,于是,又對(duì)葉片做了修改設(shè)計(jì),最終達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.而這兩次修改設(shè)計(jì)的依據(jù)都是來(lái)源于對(duì)大量試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的深入分析,因此高壓壓氣機(jī)氣動(dòng)試驗(yàn)的作用不僅在于測(cè)試性能,更重要的是探測(cè)出問(wèn)題所在,從而為修改設(shè)計(jì)提供依據(jù),而我國(guó)在這方面還有待進(jìn)一步提高.除上述全尺寸高速壓氣機(jī)試驗(yàn)之外,前面已經(jīng)提到GE公司為研制高壓壓氣機(jī)還創(chuàng)造了一套專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)研究技術(shù)-低速大尺寸壓氣機(jī)試驗(yàn)技術(shù),它在E3發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的研制中也發(fā)揮了重要作用.雖然目前國(guó)際上高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了多級(jí)全三維階段,但是總結(jié)各大研究機(jī)構(gòu)的研究經(jīng)驗(yàn),可以看出當(dāng)前的三維設(shè)計(jì)體系只能適當(dāng)減少壓氣機(jī)設(shè)計(jì)反復(fù)的次數(shù),但是本質(zhì)上,多級(jí)高壓壓氣機(jī)的最終調(diào)試還是要靠試驗(yàn)技術(shù)加以解決.從上述實(shí)例可以得到以下重要