大涵道比涡扇发动机风扇_压气机气动设计技术分析.pdf

第 2 9 卷 20 08正 第 3期 5月 航 空 学报 ACTA AERONAUTI CA ET ASTRONAUTI CA SI NI CA Vo 1 29 No 3 M a y 20 0 8 文章 编 号 1 0 0 0 6 8 9 3 2 0 0 8 0 3 0 5 1 3 1 4 K 大 涵 道比 涡 扇 发 动 机 风 扇 压 气 机 毫 薏 气 动设计技术分析 陈懋章 刘宝杰 北京航空航天大学 能源与动力工程学院 北京 1 0 0 0 8 3 F a n C o mp r e s s o r Ae r o De s i g n T e c h n o l o g y f o r Hi g h B y p a s s Ra t i o T u r b o f a n C h e n Ma o z h a n g Li u Ba o j i e S c h o o l o f J e t Pr o p u l s i o n Be ij i n g Un i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 Ch i n a 摘要 对用于大型客机 的大涵道 比涡 扇发动机 的风扇 压气 机气动设 计技 术现状 及其发 展趋势 进行 了概 述 分析了其技术 难点 旨在说 明中国发展 高性 能大 涵道 比涡扇发动机 在风扇和压气 机方面将面临 的一些 挑 战 并分析亟待突破的一些关键技术 关键 词 大型客机 大涵道 比 风扇 压 气机 气动设计 噪声 中图分类号 V 2 3 1 3 文献标识码 A Ab s t r a c t Fa n c o mp r e s s o r a e r o d e s i g n t e c h n o l o g i e s f o r t h e d e v e l o p me n t o f h i g h b y p a s s r a t i o t u r b o f a n s a r e s u m ma r i z e d a n d t he i r c ha l l e n ge s on our de ve l op me nt of hi gh p e r f or ma nc e t ur b of a n a r e a na l y z e d So me ke y t e c h no l o g i e s t h a t ne e d t O be br e a kt hr o ug h a r e p r op os e d Ke y wo r d s l ar g e c o mme r c i a l a i r p l a n e h i g h by pa s s r a t i o f a n c ompr e s s or a e r o de s i gn no i s e 2 O世 纪 3 O年 代 末 F r a n k W h i t t l e和 Ha n s v o n Oh a i n相 继 发 明 了划 时 代 的 喷 气 发 动 机 从 此人类 进入 了一个 崭新 的时代 喷 气 时代 经 过 6 O多年持 续不 断的发 展和创 新 航 空 发动机 和 飞机的性能 日益提高 已对人类社 会的各个方面 产生 了重大 而深远 的影 响 航 空 涡轮发 动机 以其 先进性 和复 杂性 成 为一 个 国家科 技 水 平 军 事 实 力和综合国力的重要标志之一 在各种 航空 涡轮 发 动 机 中 军 机 主 要 追求 高 的推 重 比 而 民机 则 有 更 多 方 面 的要 求 如 经 济 性 安 全可靠 性 和 环保 等 2 O世 纪 5 O年 代 出 现 了装 机使用 的涡轮 风扇发 动机 由于其特 有 的技 术优 势 在现 代 的军 用 和 民用 航 空 发 动机 中 已逐 渐 占据 主流 地位 目前 中国 已将 大 型民用 客机 正 式 列为 中长期 发 展规 划 中的重 大 专 项 而世 界 干 线 客机 的动 力 1 0 0 均 采 用 涡 轮 风 扇 发 动 机 这 种 状态 在未来 相 当长 的 时期 内不 会有 根本性 的变 化 作 为大 型客 机 的动 力 装置 涡 轮风 扇 发 动机 的主要 优势在 于 不 仅能 提供较 快 的飞行速 度 而 且具有 良好的经济性 安全性 可靠性和维修性 也能满 足 国 际 民 航组 织 提 出的 环 保 等 方 面 的 要 求 收稿 日期 2 0 0 8 0 3 2 1 修订 日期 2 0 0 8 0 4 0 7 通讯作者 刘宝杰 E ma i l l i u b j b u a a e d u O il 目前 现役大 型客 机的典 型技术 指标 是 飞行 速 度 8 0 0 8 5 0 k m h Ma 一0 7 5 0 8 0 1 1 k m 高空 巡航 耗油率 0 5 5 O 6 0 k g d a N h 空 中 停 车 率 0 0 0 2 0 0 0 5次 1 0 0 0 EFH 寿命 约为 5 1 0 h 进入 2 1 世 纪后 对这些 方 面提 出了更高 的要 求 为此美 国和欧盟 制定 了相应 的技术 发展 目标 如 表 1 所示 以满足 人们 的未来需 求 航空 涡轮 发动机 经济性 的提 高主要 是依靠 提 高发 动 机 的 总效 率 降低 发 动机 的 研制 生 产 使 用 和维护成 本 发动 机 的单 位耗 油率 与总效率 成 反 比 C 一 V o Hr l o 1 式 中 V 为 飞 行 速 度 H 为 燃 料 热 值 r l 为 总效 率 ri o 其 中 为发动机的热效率 表示 发动 机作 为热机将 加 入 的热 能转 变为循 环功 的有 效程 度或 理 想 程 度 r i p为 推 进 效 率 表 示 发 动 机 作 为推进器 的有 效程 度 维普资讯 5 1 4 航空学报 第 2 9 卷 燃油消耗 C Oz 基准 减少 7 1 0 F B减少 5 O 包括机身 减少 2 5 减少 5 O 噪声 相对于国际民航组织第 3阶段标准 d B 减少 1 4 l 8 减少 3 0 3 3 减少 4 O 减少 4 5 减少 7 5 燃 油消耗率 发动机 基准8 1 2 减少 1 5 2 O 一 一 发动机推重 比 3 6 4 5 4 4 一 一 氮氧化物释放量 相对于国际民航组织 9 6标准 减少 3 o 减少 4 o 减少 8 o 减少 7 O 减少 8 o 燃 气 涡轮 发 动机 按 B r a y t o n循 环 工 作 在 压 缩 膨胀等过程均无损失的理想条件下 热效率随 压缩 比单调 增加 而与涡轮 前温度 无关 对于 有损 失 的实际循 环 效 率 最 高 的压 缩 比随 涡轮 前 温 度 升高而增加 所 以从提高发动机热效率的目的出 发 希望尽可能提高涡轮前温度和压缩 比 目前 大涵道比涡扇发动机 的循环压 比已经提高到 4 o 左右 涡 轮前温度 已提 高到 1 4 O O 1 5 0 0 的水 平 下一代高涵道 比涡扇发动机 的循环压 比将提 高到 5 O左 右 温度 将再 提高 1 0 0 左右 推进效 率所 反映 的损失 是 离 速损 失 即尾 喷 口喷 出的 高 速气流所带走的动能 由涡轮喷气发动机向涡轮 风扇 发动 机 的发 展 即着 眼 于降低喷 气速度 以提 高 瓣 较 g O 推进 效率 而涵 道 比越 大 则 离速 损失越 低 推进 效率越高 图 1 展示了半个多世纪以来航空涡轮 发动机总效率的提高依赖于推进效率和循环效率 不断 提高 的情 况 这也将 是 2 1世纪 航空发 动机效 率提高的规律 表 2列出了典型大涵道比涡扇发 动机 的发展 历程 和循环 参数 可 见 目前大 发 动 机 的 涵 道 比为 6 8 下 一 代发动机的涵道比将达到 1 o左右 未来发动机的 涵道 比将 达 到 1 2以上 正 是 由于航空 发 动机 函 道比的不断提高 如图 2 所示 使得航空发动机巡 航耗油率不断降低 与早期 民航发动机相比 耗油 率下降了 5 o 到 2 0 2 0年左右 高涵道 比涡扇发 动机 的耗油率 将进 一步 降低 1 5 2 O 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 推进效率 图 1 航空涡轮发动机效率不断提高 Fi g 1 Eng i ne e f f i c i e nc y a dv a nc e me nt z 7 6 5 4 3 2 l O O O O O O O 维普资讯 第 3期 陈懋章等 大涵道 比涡扇发动机风扇 压气机气动设计技术分析 5 1 5 典型发动机 涵 道 比 风 扇 压 比 总增压 比 涡轮前温度 K 巡航耗油率 k g d a N h RB21 1 PW 4 0 0 0 CFM 5 6 V2 5 0 0 PW2 0 3 7 J T9 D CF6 80 C2 E1 4 6 1 7 2 5 3 0 1 5 0 0 1 5 7 0 0 5 8 0 7 0 Tr e nt 8 0 0 PW 4 0 8 4 GE9 0 GENx Tr e n t l O O O Pw 8 O O O Tr e n t g 0 0 Gp7 2 0 0 L 耀 驾 是 篓 定犁年份 图 2 航空涡轮发动机耗油 率不断降低 Fi g 2 S p e c i f i c f u e l c o n s u mp t i o n a d v a n c e me n t 随着人们生 活水平 的不断提 高 对 于航空 飞行 的舒适性 和环保 性 提 出了越来 越 高 的要 求 如 图 3所示 随着 新 的适 航 条例 的实施 对 于 飞行 噪 声 的控制越来越 严格 如 图 4 所示 飞行噪 声 由发 动 机 噪声 和飞机噪声两部分构成 而发动机 产生 的噪 声则远大于飞机 发动机噪声主要来源于风扇 喷 流 燃烧 和涡轮 其 中风扇噪声 和喷流 噪声较 大 因 此美 国和欧盟在 过 去 2 O年 投 入大 量人 力 物力 和 财 力加强对发动机各种 降噪技 术的研究 为 了达 到 更低 的噪声水平 甚至不惜牺牲 一些气 动性 能 为 了满足未来发展的需要 美国和欧盟近期都制定 了 专门 的 噪 声 研 究 大 型 国 家 级 规 划 例 如 美 国 在 1 9 9 4 2 0 0 1 年实施 的先 进亚 声速 技术 计划 AS T 部署 了降噪 技术 计 划 从 2 0 0 1年又 开 始实施 的安 静飞机技 术研究 计 划 QA T 初期 投资 1亿美 元 该计划 自 2 0 0 4年起加大 了投资力度 而欧 盟从 2 0 0 1年 开 始 实 施 为 期 5年 的 相 应 计 划 S I L E N C E R 是欧洲有史 以来关 于噪声 研究 的最 大 计划 投资高达 1 1亿欧元 从 G E 9 0发动机 目前 采用 的主要 降噪技 术 可 以看 出 为 了降低 噪声 当 代大涵道 比涡扇发动机不但大量采 用声衬 而且 在 发动机 的气动设 计上采取 了大量措施 4 因此 过 去 2 O年大涵道 比涡扇发动机降 噪技术 已经成 为发 动机气动设计技术的一个重要组成部分 特别是风 扇 和排气 系统 的设计 噪声水平 已经成为 发动机气 动设计 的一个重要指标 5 0 吣 堋 一 l 1 维普资讯 航 空 学报 第 2 9 卷 定型年份 图 3 航空涡轮发动机噪声不断降低嘲 Fi g 3 Engi n e no i s e r e d uc t i o n 风扇进口 枧厘 I l 0E P Nd B a 起飞阶段 b 着 陆阶段 图 4 飞行噪声的主要来源 6 Fi g 4 No i s e s ou r c e s o n c onv e nt i o n al a i r c r a f t 为了满足降 噪要求 剑桥大学 Wh i t t l e实验 室和麻 省理工 学 院 GTL实 验 室也 联 合 开展 了静 音飞机 研究计 划 其 噪声 水平 比欧盟 和美 国 2 0 2 0 年指标还低 5 d B 在机场外听不见飞机声音 他 们 的研究 具有 一系列重 要创新 包 括组织 和学术 如 图 5 所 示 的静 音飞机 的主要 特点 如下 1 由学校 公 司 用户 组成 知识综 合集 成共 同体 可用公司的资源 如 B o e i n g RR的程序和 关联 数据 2 由降噪的要求确定发动机 的循环参数 因喷 流噪声 与 喷流 速 度 的 8次 方 成 比例 所 以由 噪声 要求 确定 尾 喷管 喷 射速 度 进 而 确定 风 扇 外 涵压 比 涵道比和其他循环参数 3 为满足起飞的噪声要求而将风扇压比降 得很 低 后 在 高 空 巡 航 时 推 力 不 够 于 是 用 变循 环 即缩小喷口 降低涵道 比 提高风扇压比 以提 高推力 这时噪声会加大 但在高空 对地面没有 直接 影 响 4 发 动机 藏 在 机 身 内 而不 是 在 短 舱里 从 而可以截断前传噪声 5 发 动 机 从 飞机 的 背 部 进 气 而 不 是 从 腹 部 也可 降低 向地 面传 的噪声 6 发 动机 在 飞 机 的 后部 可 以抽 吸 机 身背 部边 界层 图 5 虽很不 利 于发 动机 的 工作 会 增 大发动机的耗油率 但可加大飞机升阻比 从而降 低阻力 使飞机总的耗油量下降 7 优化起飞 着陆 方 案 在爬升率 下 降 率 推力之间优化 以降低地面噪声 图 5静音飞机设计方案嘲 F i g 5 S i l e n t a i r c r a f t E lN I H 设 gn 鄙叁 靛 一 一 一 维普资讯 第 3期 陈懋 章等 大涵道 比涡扇发动机风扇 压气机气动设计技 术分析 静音 飞机研究 的启 示 1 静 音 飞 机 研 究 取得 了超 出预 想 的成 功 超低 的噪音 和耗油 率是 革命性 的 2 成 功 的基本 经验 是采 用 了全新 的研究 模 式 产学研 紧密 结合 知识 综合 系统 集成 3 组 织 形 式 是 知 识 综 合 集 成 共 同 体 KI C 4 所 用 的每 一项 技术 几 乎 都 不 是 新 的 有 的甚 至可 以追溯 到喷气 时代 的黎 明期 图 6给 出 了 GE公 司风 扇 压 气 机 气 动 设 计 技 术 的演 变 从 图 中 可 以 看 出 自 2 0世 纪 8 O年 代 以来 航 空发 动 机 风 扇 压 气 机 的气 动设 计 技 术 先 以 准三 维 为主 2 0世 纪 9 O年 代 以来 则 逐 渐 建 立起 了 以三维 C F D技 术 为核 心 的 现代 设 计 体 系 使 其 逐渐 摆 脱 了耗 资 多 周 期 长 风 险大 主 要 依 靠完 备 实 验 数 据 库 的 传 统 设 计 方 法 下 面将以大涵道 比涡扇发 动机 为背景 重点分 析 过去 2 o年其风扇 压气机气 动设计技术 的发展 现 状 及 其 进 一 步 的 发 展 趋 势 总 结 其 技 术 难 点 旨在 说 明 中 国 将 来 发 展 高 性 能 大 涵 道 比涡 扇 发 动 机在 风扇 和压 气 机 方 面 将 面 临 的一 些 挑 战 以及 亟 待突 破 的一 些 关 键 技 术 从 而 为 中 国 明确 大 涵道 比涡 扇发 动机 的技 术 发 展 途 径 提 供 参 考 1 9 4 0 1 9 45 1 9 5 0 1 9 5 5 1 9 6 0 1 9 6 5 1 9 7 0 1 9 7 5 1 9 8 0 1 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 0 2 0 0 5 反问 图 6 GE公司风扇 压气机气动设计技术的演变 F i g 6 GE f a n c o mp r e s s o r a e r o d e s i g n s y s t e m e v o l u t i o n 的效 率进一 步提 高 1 风扇气动设计技术 与发展趋势 1 1 风扇 气动 设计技 术现 状 过去 2 O年 风扇 宽弦 空心钛 合金 叶片 以及复 合材料叶片制造技术的突破 使得风扇 的机械性 能大幅度提高 为涡扇发动机的涵道 比不断增加 提供 了可能 从而有效提高了发动机的推进效率 而 且 突 肩 的取 消 也 使 得 风 扇 的效 率 明显 提 高 图 7 给 出 了 R R 风扇 效 率 的演 变 过程 从 图 中 可 以看 出 2 O世 纪 9 O年 代 以来 随着 风 扇 压气 机 的三维气 动设 计技 术 的 提 高 通 过 采 用 三维 气动 造 型 实 现 了风扇 内部 流场 的定 制设 计 使得 风扇 大 涵道 比风扇 叶 片之 所 以 能 够 实 现 先 进 掠 型设 计 的关 键 在 于 突破 了 宽 弦 空 心 叶片 或 复 合 材 料 叶 片 的制 造 技 术 如 图 8所 示 与 传 统 造 型相 比 当前 大 涵 道 比风 扇 基 本 都 采 用 复 合 掠 型 的设 计 叶 片 中上 部 后 掠 实 现 通 道 激 波 的后 掠 从而降低激波 损失 叶片尖部前 掠 从 而有 效提 高 风扇 的失 速 裕 度 此 外 宽 弦 设 计 本 身 还 会进一步促使激 波在 空 间的倾 斜 再加 上叶 型 的定 制 设计 从 而使 得 激 波 损 失 以及 相 应 的 附 面层 损 失 和 二 次 流 损 失 明显 降 低 风 扇 设 计 点 的效率 比常规造型 的风扇有 明显改善 图 9给 出 了 GE公 司 GE 9 0 一 l l 5 B掠 型 风 扇 与 常 规 造 型 风扇 性 能 的对 比 除 上 述 设 计 点 风 扇 效 率 明显 维普资讯 维普资讯 第 3期 陈懋章等 大涵道 比涡扇发动机风扇 压气机气动设计技术分析 在增 压级 的问题 但 是 G E 和 P W 公 司则 面 临 严 峻 的挑 战 为此提 出 了创 新 的发动 机结 构形式 先进的风扇 先 进的 声衬 先进的进气 道 短舱 先进的波纹 边 缘 尾喷 口 环保性能改善情况 图 1 0 GE公司发动机先进降噪技 术 Fi g 1 0 GE a dv a nc e d no i s e r e du c t i o n t e c hno l ogi e s 州 5 0 0 簧4 o 0 3 0 0 风扇 速度 1 齿 轮驱 动风扇 除 了上述 提到 的增 压级 问 题 之外 随着 涵 道 比的增加涡扇发动机 的低压转速不断降低 导致 当代涡扇 发 动机低 压涡轮 级数 多 尺 寸大 成 为决 定 发动机 的成 本 和重 量 的关键 因素 这 些 问题 在 涵 道 比 1 2以上 的 涡扇 发动 机 研 制 上 更 加 突 出 解 决这 些问题 的一 个有效 途径 就是采 用齿 轮驱 动 风 扇 如 图 1 2所 示 风 扇不 再 由低 压 涡轮 轴 直接 驱 动 而是通 过一个 3 1的体 内减速 器将低 压转 速 降 低 后 再 驱 动 风扇 P w P W C F i a t Av i o和 MTU对 该技 术 已进 行 了 1 5年 的攻关 目前 正 在 进 行全 尺寸 的试验 验证 其难 点主要 在于 小尺 寸 大功率 长寿命和高可靠性体内减速器的研制 以 及 风扇 支承 形式等 结构设 计 上 如图 1 2所示 齿轮驱 动 风扇有 以下几 方面 的 优 点 摆脱 了涡轮转速的制约 能够获得更高的 涵道比 从而提高发动机的推进效率 能够获得 更低 的叶 尖切 线速 度 从而 进 一 步降低 风扇 噪声 低 压涡轮 能够 采用 较适 合 的转速 使 级数 减 少一 半左 右 从 而 大 幅 度 降低 发 动 机 的成 本 和 重量 风扇和低速系统的优化速度 齿轮驱动风扇 涵 道 比 1 2 1 4 总增压比 4 6 涡轮前温度 2 0 0 0 K 图 1 2 齿轮驱动风扇发动机及其优势 Fi g 1 2 Ge a r e d t ur bo f a n a n d i t s a d va nt a ge 增压级的加功增压能力大幅度增加 能够 以更 少 的级数 获得更 高 的压 比 低叶尖切线速度 自然决定了风扇的增压比有 所降低 到 2 0 2 0年高涵道 比风扇的叶尖切线速度 在 2 6 0 m s 左右 相应 的设计 压 比会 在 1 3左右 这样的风扇虽然能够获得更高一点的效率 但是 维普资讯 航 空 学 报 第2 9 卷 由于风扇压 比的 明 显降 低 会 损失 较 大 的 起 飞推 力 这 一方 面需要 在 发 动机 的 循环 参 数 选 择上 进 行平衡 另一 方面需要 加 大风扇 的通流 能力 通过 提高其 来流 马赫数 以增 大起 飞推 力 其设 计 点 来 流马赫 数会增加 到 0 6 O以上 因此 除 了低 噪声 之外 高 通流 高负荷 和高效 率是 高涵道 比低 叶尖 切 线速 度风扇气 动设计 的 目标 和挑 战 2 对转 风扇 与 P W 公司致力于发展 的齿轮驱 动风扇不 同 GE公 司为应对 未来 高涵 道 比涡扇 发动机 的 挑战 提 出了低压 系统对转 的发动机概 念 如 图 1 3所示 低压 系统对转 发动机采用了两级对转 风扇 辅 助增 压级与转 速更 高一些 的第 2级风扇连 在一起 为了 实现这样 的工 作方 式 发动 机 必 须采 用 三 转 子技 术 通过使低压涡轮对转 实现风扇的对转 这与常 规三转子发动机相 比 结构 和支撑 形式更 为复杂一 些 因此其技术挑 战也是相 当大的 何为低压系统对转发动机 由于同样 采用 低 叶 尖切 线 速 度 对转 风 扇 各 自的转 速并不 高 但 是通 过对转 它可 以加大涡 轮 的做功 能力 从 而减少 低压 涡轮 的级数 达到减轻 重量 降低 成本 的 目的 与齿 轮驱 动风扇 相 比 对 转风 扇有 一个 优势 其 每一级 转子 的压 比并 不高 但是 两级 的总压 比则接 近 当前 较高切 线 速度风扇 的增 压 比 从 而 能够获 得更大 的推力 从 气动设 计 上两级 对转风 扇若要 获得 比现有 风扇 更高 的效率 其关 键在 于第 2 级 转子 的设计 因为 它 的速度三 角形可 能不 利于实 现高效率 此 外 由于对转 风扇 转子 之间 以及第 2级转 子与出 口导 叶之 间的轴 向间距 不能拉 大到单级 风扇 时 的 距 离 因此其 转子 相互作 用形成 的噪声 以及转 子 与出 口导 叶相 互 作用 形 成 的 噪声 将 有 所增 加 需 要 其他 降噪措 施加 以弥补 与齿 轮驱 动风 扇 相 比 低压 系 统 对转 方 案 技 术 难度 更大 若干关 键 问题 尚待 解决 提高性能并显 地减小噪声 减少级数 减轻重嚣和降低成本 图 l 3 对转风扇发动机及其优势 Fi g 1 3 Co un t er r ot a t i ng e ng i n e a n d i t s a dv a nt a ge s 2 压气机先进设计技术 与发展趋势 在 当代大 涵道 比涡扇 发动机 中 风扇 压气 机 部件仍 占到发动机总长度的 5 0 6 0 重量的 4 O 5 O 制 造 成 本 的 3 5 4 0 维 修 成 本 的 3 o 1 在压气 机气动力学 计算流体力学 C F D 和计算 结 构 力 学 都 取 得 了 很 大 进 展 的今 天 高压压气机的研制依然是高风险 高难度的工 作 高压压气机的设计至今依然是发动机研制 中 的技 术瓶 颈之一 现 阶段 乃 至未来 相 当长 的一段 时 间内 对 高 压压气机的要求分别体现在以下 3个方面 1 性能 在宽的转速范围内有高的效率 级压比高 轴 向长度短 更少的级数 重量轻 长期使用的性能 衰减慢 维普资讯 第 3期 陈懋章等 大涵道 比涡扇发动机风扇 压气机气动设计技术分析 2 安 全性 抗外 物打伤能力强 良好 的机 匣包容性 叶片 盘 轴 和整个部件可靠性高 转子动力 学稳定 性好 有足够 的失速裕度 和抗 上游来流气 流畸变 的能力 3 成 本 制造成本低 维修成本低 鲁棒性好 如 图 6所示 过去 2 O年 高压 压气机 的设计 已 经发展 到多 级全 三维造 型 阶段 结 合图 1 4给 出的 G E g 0发动机高压压气机 的发展历程 分析高压 压气 机气 动 性 能 不 断 提 高 所 采 取 的 主 要 关 键 技 术 在美 国高效 节能 发 动 机 E 计 划 的支 持 下 在 2 O世 纪 8 O年代 初 G E公 司依 靠 丰 富 的高 压 压气 机设计 经验 基 于二维 准三 维 的传 统设计 体 系 成 功研 制 出了 1 O级压 比 2 3的高压 压气机 为 G E公 司 之 后 的 2 O年 保 持 世 界领 先 水 平 奠 定 了 坚实 的基 础 到 目前 为止 它所达 到 的压 比仍 然是 世界 之最 过 去 2 O年 G E公 司 利用 三 维 设计 技 术对 其不 断进 行改进 和提 高 图 1 4给 出 了其 中重 要 的发展 里程 碑 改 进 的最主要 手段 就是采 用全 三维 造 型技 术 如 图 1 5所示 高 压 压气 机 的通 流 l 9 7 5 l 9 8 0 l 9 8 5 l 9 9 0 l 9 9 5 2 0 0 0 年份 图 1 4 GE9 o发 动 机 高 压 压 气 机 发 展 里 程 碑 Fi g 1 4 GEg 0 hi g h pr e s s u r e c o mpr e s s o r d e ve l o pme n t 2 0 0 0 1 一 建立了第1 个G E 9 0 9 级压 气机 3 级可 调 2 0 01 圈 GE 9 0 1 1 5 B高压压气机 3 级 可调 提 高效 率 匝 9 级高压膻气机 3 级 口 j 调 改善 火速 边界 提高效率 G E n x目标 核心机8 I j I I Il 6 r GE O l 1 5 B L 核 心机 5 台 架 试车f一 1 核 心 机 4 G E 9 0 9 4 B l l 进L 1 折合流量 1 b S 1 l b 二O 4 5 4 k g 2 0 0 5 验 晏 羔 G E n x GE 9 0 压气机特性的下一阶段 图 1 5 GE高压压气机特性对比 Fi g 1 5 Pe r f or ma nc e a dv a nc e me nt o f GE90 hi gh p r e s s ur e c o mpr e s s or 维普资讯 航 空 学报 第2 9 卷 能力 常用转 速 流量 范 围内 的效 率 特别是设 计 点效率均有明显提高 同期 RR公司也发展 自己 的三维设 计技术 通 过 采 用 叶 片三 维气 动造 型 使 其 Tr e n t 5 0 0和 T r e n t 9 0 0发 动机 高压压 气机 的效 率 明显提 高 图 1 6 瓣 较 蚺 Tr e n t l 0 0 0 t 职 哪 nn r一 一n I V P O 0 A 8 o n 肼 州 1 f 一一 2 3 5 一 RB2l 1 2 2 B l 9 7 0 l 9 7 5 l 9 8 0 l 9 8 5 l 9 9 0 l 9 9 5 2 0 0 0 2 0 0 5 2 0l O 年份 图 1 6 R R公司发动机高压压气机 效率 1 6 High pr e s s ur e c o mpr e s s o r d e v e l o p me n t of RR t u r b o f a n s 在 2 0世 纪 9 0年代 三 维 气 动造 型技 术 提 高 压气机效 率 的主要措施 是 消除或 改善各 排叶 片 内 部 的分离 特别 是角 区的分 离流动 而过 去 1 O年 随着对三 维气 动造 型 技术 认 识 的 不断 深 化 三 维 气 动造型 技 术 同样 用 于 改 善 通 道 主流 的 流 动 情 况 进一步降低了通道主流的流动损失 同时通过 加 大转子 叶片前 掠 在 稳 步提 高 压气 机 的级 负荷 的同时 有效 地提 高 了压 气机 的失 速 裕度 在先进 材料 和整 体 叶盘 结 构 的 支持 下 高压 压气 机的 叶尖切 线 速度 能 够 进一 步 提高 再 利用 三维气 动造 型技 术 各 大发 动 机公 司不 断 向更 高 级压 比的高 压压 气 机 发起 挑战 图 1 7给 出 了各 种发 动机压气 机级数 及其 能够获 得 的压 比的关系 图 其 中决定 性 的衡 量 指标 就 是 平 均级 压 比 到 目前为 止 民用 大发 动机用 的高压 压气机 的前沿 水 3 锺豳 2 级 高 压 涡 一 传统低压压气机 图 1 7 高压压气机压 比与级数的关系 1 2 3 Fi g 1 7 Hi g h p r e s s ur e c o mpr e s s or de s i gn t r e nd s 平 分别是 MT U 研 制 成 功 的 6级 压 比 l l的 高 压 压 气机 其 平均 级压 比接近 1 5 应用 对象 是 中小 推力 级别 的发动 机 例 如 P W6 0 0 0 由单级 高 压 涡 轮驱 动 另一 个 就 是 前 面 提 到 的 G E 9 0高 压 压气 机 1 O级 压 比 2 3 其平均 级 压 比接 近 1 4 应用 对 象是 大推力级 别 的发动机 由两 级高压 涡轮驱 动 其他更 高级 负荷 的尝 试 到 目前 为 止都 失 败 了 包 括 P w 公 司 自己研 制 的 P W6 0 0 0高压 压气 机 根据 前面提 到 的对 于 高压压气 机 的 3方 面要 求 随着 材 料 结构 和 工艺 以及 压气 机设 计 技术 的进 一步 发展 未 来 高 涵 道 比发 动 机 的高 压 压气 机性 能将进 一步 提高 现 阶段研 发 的一些先 进技 术 如 图 1 8所 示 将 用 于研 制 未来 更 高性 能 的高 压压气 机 图 1 8高压压气机先进设计技术 Fi g 1 8 Adv a nc e d d es i gn t e c hno l ogi e s of hi gh p r e s s ur e c om pr e s s or 3 中国大涵道 比风扇 高压压气机面临的 技术问题和建议 过去 中 国航空 发 动机 发 展 一直 以军 机 为主 虽然 军用和 民用 发 动 机有 大 量共 用 技 术 但 由于 军用 涡扇发 动机 主 要追 求 高 推重 比 与 民用 大涵 道 比涡扇发 动机 的性能 指 标 要求 有 重 大差 别 所 以结构和研制技术也存在重要差别 相对于军机 而言 中 国更 是缺 乏 大 涵道 比涡扇 发 动 机 的研 制 经 验 因此 中国在 民用 大涵 道 比涡扇 发 动机 的研 制 上 面临非常 严峻 的挑战 作者 认为 应 当理 清关键 问题 统一规 划 有 针 对性地加强基础研究和技术验证 一方 面为大涵 道比的工程研制提供技术支撑 补课 另一方 面 就是要发展和储备未来更高涵道比涡扇发动机研 制的先进理论 方法和设计技术 储备 从而使 中 国未来 第 2代高涵 道 比涡扇发 动机能 够达到 当时 维普资讯 第 3期 陈懋章等 大涵道比涡扇发动机风扇 压气机气动设计技术分析 的 国际先进水 平 下 面就 作者 的认 识 谈 谈 中国在 大 涵 道 比风 扇 压 气 机部 件气 动 设 计上 面 临 的一些 主要 技术 问题 3 1 尽 快 建设一些 关键 研究设 备 1 风 扇 噪声实验 研究 台 发 动机作 为 有 史 以来 最 为复 杂 的 旋 转 热 力一 推进 机械 其 内部存 在 各种 复 杂 的流 动 传热 燃 烧等气动热力现象 以及强烈的流体间 流体与固 体 间的相互 作用 这 些 复杂 的 流 动及 相 互 作 用 产 生 了频 率成 分复 杂 的各 种 离 散 噪声 和 宽 频 噪声 因此 从气 动声学 的角度 看 发 动机也许 是 当今 最 为复 杂 最难 研究 的噪 声对 象 在 机理 分 析 手段 和方法 以及 控制 技 术 等各 方 面研究 上 都 存 在 非 常大 的难度 例 如 噪 声分 析 与 预 测方 法 所 需 要 达到的流场计算精度远远超过了准确预测气动性 能需要 的精 度 风 扇 喷流 噪声试 验 环境要 远 比性 能试验环境苛刻得多 对流场 的测量精度也远远 超过 了气动性 能试 验 的要 求 由于发 展 民航 的需要 美 国和 欧洲 自 2 O世 纪 6 o年代就开始了对发动机噪声进行系统的研究 过去 2 O年更 是成 为竞争 的核心 之一 投入 大量 的 财力 和物力 建立 起 了完善 的从 基础 研 究 到 应用 研究 的各 种关 键 设 备 相 比之 下 中 国发 动机行 业还没 有这些 关键 研究设 备 这是需 要纳 入规划 尽快 建立 的 2 低 速大尺 寸多 级压 气机试验 台 虽 然 中国 目前拥 有开 展多级 压气 机研究 的多 种高速 试验设 备 和 手段 但 是 面 向大 涵 道 比涡扇 发动机要求的高效率高负荷多级高压压气机的研 制 还缺 少一 种关 键 研 究 手段 多 级低 速大 尺 寸压气 机试 验 台及 相 应 的试 验 技 术 众 所 周 知 全 尺寸 高速 多 级 高 压 压 气机 加 工 和 试 验 成 本 较 高 周期 长 测量 难度 大 试 验危 险性高 特别 是后 面级通道 狭窄 在 高速 设 备 上 开展 多 级 压 气机 后 面级 内部 复杂流 动 机 理 先 进设 计 理论 与方 法 的 研究 以及要实现压气机气动设计的优化 其费用 和周期都 是无 法承受 的 国外在 发展 高压压 气机 过程 中 走 出了一 条 能够 解 决 多级 压 气 机 中后 面 级 研究 的 经济 高 效 可靠 的路 子 就 是 多 级低 速 大 尺寸 压气机模 拟 试 验 台 多 级压 气 机 前 面 级 由 于存在激波 不能用低速模拟的方法进行研究 必 须 进行 高速试验 研究 自 2 O世 纪 7 O年 代 GE公 司 率 先 将 多 级 低 速大 尺寸 压气机 试验 装置成 功用 于高 压压气 机基 础研究 关 键技术 验证 和 型号研 制 为 G E高 压压 气机 的 发 展 做 出 了 重 要 贡 献 l 引 之 后 P w 和 R R公 司也 开始广 泛采用 该 技术 MT U 公 司 为 了 发展高性能高压压气机 2 o世纪 9 o年代 中期在 D r e s d e n理工大学建设了与 G E公 司类似的多级 低速大尺寸压气机试验台 各大发动机公司之所 以重视 高 压压 气机 低 速模 拟 技 术 就 是 因 为其 加 工 和试 验成 本 只有全 尺寸 高速试 验件 的几 十分之 一 可 以详 细 测量 其 内部 流 场 加工 装 配 和试 验 都非 常灵 活 能 够 以较 少 的 投 入对 各 种 先进 设 计 理论 和方 法进 行 大量 的系 统 的试 验 研究 与验 证 此外 其详 细测 量结果 可 为多级 压气机 C F D技 术 的校验 与改进提 供丰 富的试 验数 据 仅 以 GE公 司发展 高压 压气 机三 维气 动造 型 方面的为例来说 明各大发动机公司是如何利用该 低成本 高精 度 的技术 发展其 先进设 计技 术 的 图 1 4和 图 1 5给 出了 GE公 司过 去 2 O年 基 于 高 压压 气机 发展各 种先 进三 维造 型高性 能压气 机 的 里程 碑 G E公 司高 压 压 气 机 后 面级 的三 维 气 动 造型技 术 就是在 低速 大尺 寸压气 机试验 台上 进行 系统 研究 与验证 的 图 中给 出 了两 种 改 进方 案 与 E 原型压气机性能 曲线对 比 GE公 司正是利用 这种试 验研 究手 段 发 展 了各种定 制 叶型技术 得 到了如裁缝量体裁衣似的针对当地具体流动情况 的各 种解 决 措施 如前 加 载 后加 载 转 捩控 制 和 叶尖 间 隙泄漏补偿 等 叶型技 术 消 除 了气 流分 离 提高 了效率 和失速 裕度 为 G E公 司成功 研 制 E 发动机做出了基础性贡献 而这些针对当地具体 流场 的 定 制 措 施 在 高 速 试验 台上 是很 难 做 出 的 因为在高速台上很难测 出当地具体 流场结构 细节 如果 GE公 司全部 采用 高 速 全 尺 寸试 验 完成上述高压压气机三维气动造型的优化 其花 费不但 是 目前 的 上 百倍 而且 其 研 制周 期 根本 无 法保 证 应 该强调 指 出 即使 在 C F D 已得 到长 足发展 的今 天 这种低 速 大 尺 寸多 级 压 气机 试 验 台仍 然 是不可替代的 后面将要指出 主要是 由于对湍流 流动预 估能力 的 限制 C F D技 术还 难 以完全 解决 高性 能 多级压 气机 研制 问题 总 之 无论 是 高 速多 级 高 压 压气 机 试 验研 究 还是 C F D技术 都难 以精确 掌握 其 中的流动 细节 而低速大尺寸多级压气机试验却具备这种能力 细节不 仅决 定 成 败 也 决 定 可 能 达到 的 高度 中 国压气机的效率难 以达到很高的水平 应在细节 维普资讯 航 空 学 报 第 2 9卷 上 下功夫 航空 技术 先进 国家都 走 了低 速大 尺寸 途 径 唯 独 中国未走 1 3 2设计 理论 方法 和设计体 系需要 改进 与 完善 1 风扇 噪声 美 国和欧洲 自 2 O 世 纪 6 O年代 就开始 展开 风 扇噪 声产生 与传 播 机理 及 控 制 方法 的 研 究 经过 几十年 的研 究 目前 对 风扇 离 散 噪声 产 生 的 机理 已有 了相 当深入 的 了解 特 别 是过 去 2 O年 在风 扇离散 噪声预 测技 术和控 制技术 上也取 得 了非常 大的进 展 使得 当代 高性 能 风 扇 的离 散 噪 声及 其 前传噪声水平都大幅度降低 相 比之下 在风扇 宽 频噪声 的预 测技 术 以及 风 扇后 传 噪 声 的控 制 上 还有相 当大 的 潜力 可挖 这 自然 成 为 美 国和 欧 洲 下一 阶段相关 研究 的重点 随着 对风扇 噪 声设 计 水 平 要求 的 不 断 提 高 国际上关 于噪声 应用基 础研 究的重 点放 在 了结 合 先进 的 C F D技术 发 展 能够更 为准确 预测 离散 噪 声和宽频噪声产生与传播的各种先进数值模拟技 术上 以及各 种 先进降 噪技 术上 重 点 围绕 以 下 4 个方 面展开 l 1 评 估 当前 C F D技 术对 于各 种 离散 噪 声 源 的预 测能力 研究将 宽 频 噪声 源预 测 加入 到 C F D 技术 中 的可行 性 发 展 C F D技术 与声 传 播 和辐 射计 算技 术 的接 口技术 以及从声源到远场的全声场预测技 术 利 用试验 测量 结果校 验上述 模 型和技术 发 展低 噪声风 扇设计 新概 念 方 法和设 计 技术 为了能 够给 噪声 分析 和预 测 的各 种理论 模型 和计算 方法提 供 可靠 的试 验测 量 数 据 国外 为此 发展 了各种先 进 的测 试技 术 这 些先进 的测试 技 术 以及 风扇 噪声 的预测 分析方 法 是 中 国未 来建 立 和发 展风扇 噪 声 分析 系 统 的理 论 和 技术 基 础 长期以来 中国对 民用大涵道 比涡扇发动机的研 究 开展 较少 对于 风 扇 噪声 的可靠 预 测 分析 方 法 和各种 先进 的降 噪技 术 技 术贮 备 不 足 在这 方 面 与 国际先进水 平存 在 相 当 大 的差 距 这 是 中 国 民 用 大涵 比涡扇 发 动机 研 究 亟待 弥 补 的重 要 一课 为此 中国需要 建立风 扇噪声 分析 系统 建立起风扇噪声分析系统以后 就可以将其 与风 扇 的气 动设 计 系 统耦 合 在 一起 发 展 建 立 风 扇气 动 一噪声耦 合 分 析 系统 从 而 具 备低 噪 声 高 性能 大涵道 比风扇 的设计 能力 2 C F D与 风扇 压 气 机设 计 体 系 的完 善 与 验证 作为 当代风 扇 压气 机 三维 气 动 设 计 体系 的 核心 C F D技 术 成 为 研 制 高性 能 风 扇 压 气 机 的 关键 手段之 一 目前在 风 扇 压气 机 基 础研 究 中 已经 开始采用 三维 非定 常 C F D技 术 以及更 为先 进 可靠 的大 涡模拟 L E S 和分 离 涡模拟 D E S 等 方 法 但 是 由于计算 资源 的限制 等问题 在未来 相 当长 的 一段 时 间 内风扇 压 气机 的工 程 设计 中三 维 定 常 C F D技 术 仍 将 起 重 要 作 用 2 O世 纪 9 O 年 代 以来 国内外 在 风扇 压气 机 的研 制 上开 始 广 泛且 深入地 应 用定 常 数 值模 拟 技术 但 在 实 践 中 三维 定常 C F D技术 既带 来过成 功 的经 验 也 有失 败 的教训 因此 国外 各 大 发 动机 研 究 机构 都 在不 断发 展 和 完 善 有 源 程 序 的风 扇 压 气 机 C F D 软 件 并 一直 利用各 种 详 细 测量 试 验 数据 对 其进 行 不断 的校 准 和 改 进 1 相 比之 下 中国 风 扇 压 气机 的研制 还是 以商用 C F D软件 为主 因此在 计 算 的精 度和 可靠 性 上 特 别是 对 于 多级 压气 机 的 计算 还存在 很大 的 不确 定 性 迫切 需 要 向以 自行 发 展 的 C F D软 件转 变 并重 视 以下 3个 方面 的研 究 湍 流模型 和 L E S 鉴 于风 扇 压气 机 内部 的 复杂流动 情况 特 别 是多级 压气 机 未 来 相 当 时间也 难 以发 展 出普 适 的湍流模 型 所 以必须 加 强 对 现有 湍 流模 型 的适 用 性分 析 校验 各种 情况下 的计算 精度 积 累计 算 经 验 提 高风 扇 压气 机模 拟 的可 靠 性 噪声 的可 靠分析 和预测强 烈依 赖 C F D计算 结果 的 可靠 性 此 外 必 须 加 强 湍 流 转 捩 模 型 的研 究 与 应 用 因为它是 准确模 拟许多 流动现 象 的关 键 由于难 以发 展 出普适 的湍 流模 型 且 计 算 机 能 力提高 很快 所 以一段 时期 以来 国际上 出现 一 种 看法 即用 L E S和 D E S处 理 叶轮 机 内部 复 杂 流 动 问题 其优 点是 a 避开了大尺度意义下的湍流模型问题 而 可 代之 以亚格 子尺 度 的模 型模 拟 这 种模 型 对边