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现代航空叶轮机技术 陈懋章北京航空航天大学 能源与动力工程学院2011 1 目录 一 引言二 风扇气动设计技术与发展趋势2 1风扇气动设计技术现状2 2风扇气动设计发展趋势三 高压压气机先进设计技术与发展趋势四 提高风扇 压气机加功增压能力的主要途径五 先进涡轮设计技术六 结论 2 一 引言 航空燃气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 军用发动机更主要追求高的推重比 功重比 而民用发动机则有更多方面的技术要求 如经济性 安全可靠性 低噪音和低污染排放等 目前我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100 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 3 一 引言 目前现役大型客机的典型技术指标如下 l飞行速度 800 850km h M 0 75 0 8 11km高空 l巡航耗油率 0 55 0 6kg kgf h l空中停车率 不大于0 002 0 005次 1000飞行小时 l寿命约5万小时 4 一 引言 进入二十一世纪后 对这些方面提出了更高的要求 同时还要大幅度降低污染物排放和噪声 为此美国和欧盟制定了相应的技术发展目标 如表1所示 5 一 引言 航空涡轮发动机经济性 发动机的总效率降低发动机的研制生产和使用成本发动机的单位耗油率与总效率成反比 总效率 6 一 引言 7 一 引言表2典型大涵道比涡扇发动机的发展历程和循环参数 8 一 引言航空涡轮发动机耗油率不断降低 9 一 引言舒适性和环保性 噪声和污染排放 美国和欧盟噪声研究规划 美国在1994年 2001年实施的先进亚音速技术计划 AST 部署了降噪技术计划从2001年又开始实施的安静飞机技术研究计划 QAT 初期投资1亿美元 该计划自2004年起加大了投资力度欧盟从2001年开始实施为期5年的相应计划 SILENCER 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 10 一 引言航空涡轮发动机噪音不断降低 11 一 引言 起飞阶段着陆阶段 飞行噪声的主要来源 12 一 引言 CMI剑桥 麻省联合开展的静音飞机研究计划 比欧盟和美国2020年指标还低5dB 在机场外听不见飞机声音 由学校 公司 用户组成联合体 可用公司的资源 如Boeing RR等的程序和关联数据设计思想 由降噪的要求确定发动机的循环参数 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 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发动机在飞机的后部 可以抽吸机身背部边界层 虽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 13 一 引言 14 一 引言 15 一 引言 16 一 引言 17 一 引言 18 一 引言 19 一 引言 20 一 引言 静音飞机研究项目成功的启示 1 发展了一种全新的设计概念 它以噪音作为飞机 发动机系统设计的基本指标 而所使用的背景知识和工具则基本都市现有的 公开发表的 2 一种革命性的设计概念并不一定需要基本技术元素的根本性变化而仍能取得跨越式的发展 但若用传统的方法则不可能取得这样的成果 3 科学界和工业界的紧密结合和体现这种结合的组织形式 知识综合集成共同体KIC的组成对此作出了重要贡献 4 工业界提供了他们的程序和经验使科学界能用以发展和检验这些新思想 21 一 引言 基本结论 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 成功的基本经验是采用了全新的研究模式 1 产学研紧密结合 2 知识综合系统集成 组织形式是知识综合集成共同体 KIC 而所用的每一项技术几乎都不是新的 有的甚至可以追朔到喷气时代的黎明期 22 二 风扇气动设计技术与发展趋势 2 1风扇气动设计技术现状 GE公司风扇 压气机气动设计技术的演变 23 二 风扇气动设计技术与发展趋势RR公司风扇效率的演化 24 二 风扇气动设计技术与发展趋势 GE公司掠型风扇的演化掠型风扇与常规风扇性能对比 25 二 风扇气动设计技术与发展趋势 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 促使涡扇发动机的涵道比不断增加 从而有效提高了发动机的推进效率 叶片 轮毂 支撑减轻突肩的取消 也使得风扇的效率明显提高 二十世纪九十年代以来 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 使得风扇的效率进一步提高 26 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与传统造型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 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 先进掠型风扇另外一个明显的优势是其堵塞流量也有所增加 从而使得发动机的起飞推力相应增大 27 二 风扇气动设计技术与发展趋势 采用的降噪技术 不包括声衬技术 u风扇转子设计 选取低的叶尖切线速度 重视降低尾迹的宽度和强度u拉大转子与静子间距 明显增加转子与风扇外涵出口导叶的间距 适当增大转子与增压级进口导叶的间距出口导叶叶片数的选择 通过外涵出口导叶叶片数的选择 使之能够截断转子叶片通过频率成份的噪声模态向下游的传播 28 二 风扇气动设计技术与发展趋势2 2风扇气动设计发展趋势 为B787飞机研制的即将投入使用的GEnx和TRENT1000发动机 涵道比已经达到10一级发动机的噪声水平比FAR36第3阶段的规定低近30分贝 而三大发动机公司预研的2020年前后投入使用的高涵道比发动机的涵道比将增加到12以上 全面实现表1中的目标值 29 二 风扇气动设计技术与发展趋势 在未来更高涵道比风扇设计中 其最大的挑战来自于降噪 以及由此引发的推力 重量等问题 新一代发动机主要采用的降噪技术 风扇 声衬 短舱和锯齿形喷口 ChevronNozzle 30 二 风扇气动设计技术与发展趋势 GE公司发动机先进降噪技术 31 二 风扇气动设计技术与发展趋势 先进降噪技术主要包括以下几方面 u进一步降低风扇转子的叶尖切线速度 转子噪声近似与叶尖速度的4次方成比例 u对叶片造型 特别是出口导叶造型采用子午后倾 弯掠等三维优化气动造型u以降噪为目标对风扇加功量分布等一些重要设计参数进行优化加强风扇部件全流场中尾迹和分离等各种旋涡流动的控制 32 二 风扇气动设计技术与发展趋势 33 二 风扇气动设计技术与发展趋势 上述几项技术中最有效的 是进一步降低转子的叶尖切线速度 对于涵道比在10左右的发动机 其叶尖切线速度已经降到音速左右 现有风扇结构形式和驱动方式还不需要改变 但是未来涵道比12以上风扇的叶尖切线速度下降到音速以下时 现有风扇驱动方式和结构形式必须进行创新 由此将引发一些新的气动设计问题 风扇叶尖切线速度的不断降低 会带来两方面的问题 一是风扇增压级的切线速度非常低 其加功增压能力严重不足 二是风扇压比持续降低 导致发动机的起飞推力明显损失 RR公司采用三转子发动机 所以不存在增压级的问题 但是GE和PW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 34 二 风扇气动设计技术与发展趋势 到2020年高涵道比风扇的叶尖切线速度在260m s左右 相应的设计压比会在1 3左右 问题 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 其起飞状态风扇来流马赫数会增加到0 6以上 因此 除了低噪声之外 高通流 高负荷 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 35 二 风扇气动设计技术与发展趋势齿轮驱动风扇 36 37 二 风扇气动设计技术与发展趋势 随着低压转速不断降低 除了风扇和增压级问题之外 还会使低压涡轮级数多 尺寸大 成为决定发动机的成本和重量的关键因素解决这些问题的一个有效途径就是采用齿轮驱动风扇 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 PW PWC FiatAvio和MTU对该技术已进行了15年的攻关 38 二 风扇气动设计技术与发展趋势 齿轮驱动风扇有以下几方面的优点 u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u能够获得更低的叶尖切线速度 从而进一步降低风扇噪音u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 39 二 风扇气动设计技术与发展趋势 其难点主要在于小尺寸 大功率 长寿命 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 40 二 风扇气动设计技术与发展趋势对转风扇 GE 三轴 41 二 风扇气动设计技术与发展趋势 低压系统对转 两级对转风扇 辅助增压级与转速更高的第二级风扇连在一起低压涡轮对转 实现风扇对转发动机必须采用三转子技术与常规三转子发动机相比 结构和支撑形式更为复杂 42 二 风扇气动设计技术与发展趋势 对转优点 降低风扇叶尖速度 从而降低噪声对转转速不同 增压级与转速高的风扇同转速 作功能力强 级数少通过对转 它可以加大涡轮的作功能力 从而减少低压涡轮的级数 达到减轻重量 降低成本的目的 两级风扇的总压比可接近较高切线速度风扇的增压比 从而能够获得更大的推力 43 二 风扇气动设计技术与发展趋势 困难 两级对转风扇获得高效率有困难由于对转风扇转子之间 以及第二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 需要其它降噪措施加以弥补 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 44 二 风扇气动设计技术与发展趋势 45 二 风扇气动设计技术与发展趋势 46 二 风扇气动设计技术与发展趋势 47 二 风扇气动设计技术与发展趋势 48 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势 现代大涵道比涡扇发动机中 风扇 压气机部件占发动机 总长度的50 60 重量的40 50 制造成本的35 40 维修成本的30 在压气机气动力学 计算流体力学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 49 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势 高压压气机的要求分别体现在以下三个方面 1 性能l在宽的转速范围内有高的效率l级压比高l轴向长度短 更少的级数 l重量轻l长期使用的性能衰减慢 50 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势 2安全性l抗外物打伤能力强l良好的机匣包容性l叶片 盘 轴和整个部件可靠性高l转子动力学稳定性好l有足够的失速裕度和抗进气气流畸变的能力3成本l制造成本低l维修成本低鲁棒性好 51 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势 特点 1 以E3为基础发展GE902 得到了10级压比23的最高记录3 进一步以全三维为基础发展 GE90发动机高压压气机发展里程碑 52 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势 高压压气机的通流能力 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 GE高压压气机特性对比 53 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势 54 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势 在二十世纪九十年代 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 过去十年 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 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 55 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势高压压气机压比与级数的关系 56 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势 高压压气机的前沿水平 MTU研制成功的6级压比11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PW6000 由单级高压涡轮驱动 GE90高压压气机 10级压比23 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PW公司自己研制的PW6000高压压气机 以及GE公司研制的TECH56高压压气机 57 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势高压压气机先进设计技术 主动控制技术 先进叶尖涂层 小的容腔间隙 刷式密封 先进3D造型 先进盘腔及轴冷却方式 全整体叶盘 叶环毂筒式结构 轻型先进材料 58 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势高压压气机研制技术 全尺寸多级高压压气机加工和试验成本高 周期长 测量难度大 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 多级低速大尺寸压气机模拟实验台 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 必须进行高速实验研究 59 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势高压压气机研制技术 GE率先将多级低速大尺寸压气机实验装置成功用于高压压气机基础研究和关键技术验证 之后 PW和RR公司也开始广泛采用该技术 MTU公司为了发展高性能高压压气机 九十年代中期在Dresden理工大学建设了与GE公司类似的多级低速大尺寸压气机实验台 Cambridge Cranfield其详细测量结果又为多级压气机CFD技术的校验与改进提供了丰富的实验数据 60 三 高压压气机先进设计技术与发展趋势高压压气机研制技术 两种改进方案与E3原型压气机性能曲线对比 61 四 提高加功增压能力的途径 提高叶片切线速度提高稠度低展弦比大小叶片抽吸附面层 62 大小叶片试验件试验特性和原型压气机特性对比 四 提高加功增压能力的途径 轴流大小叶片压气机的研制 63 四 提高加功增压能力的途径抽吸附面层 MIT设计了3台单级压气机 64 四 提高加功增压能力的途径抽吸附面层 65 四 提高加功增压能力的途径抽吸附面层 66 五 轴流涡轮气动设计技术 飞行器对动力的需求涡轮内部流动特点涡轮气动设计技术涡轮内部的多学科耦合问题展望 67 一 飞行器对动力的需求 68 雷诺数对涡轮气动性能的影响 PW545发动机低压涡轮性能变化 69 运输机用大涵道比涡扇发动机 高压涡轮 低压涡轮 特点 高压涡轮前来流温度高 低压涡轮部件重量大 70 问题 对于低雷诺数涡轮而言 如何提高其工作效率是一个急需解决的问题 对于大涵道比涡扇发动机涡轮而言 进一步提高气动效率的潜力不大 其关键是如何增大级负荷 减轻部件重量 对于可重复使用的航空发动机 如何进一步提高涡轮部件的使用寿命也是涡轮设计需要解决的问题 71 解决途径 发展高效高负荷的涡轮设计技术 以及涡轮多学科耦合优化技术对于提高航空发动机的性能和可靠性具有非常重要的意义 提高涡轮冷却性能 提高部件的材料性能以及涡轮冷却叶片的加工工艺是高性能长寿命涡轮设计的保障 72 美国综合高性能涡轮发动机IHPTET计划 引自 方昌德 推比15 20德航空发动机技术德发展途径和对策 73 二 涡轮内部流动特点 74 涡轮内部复杂流动图画 旋转系统 流动分离 冷却与泄漏流动 低雷诺数流动 非定常干涉 激波 边界层相互作用 二次流 包括端壁流动 叶尖泄漏流动等 复杂的几何形状 包括阶差 轴向间隙 封严腔 叶冠等 跨音流动 进口气流分布复杂 如热斑等 叶片的流固热耦合 75 来流边界层 横向流动 端壁 通道涡 马蹄涡 Langston模型 二次流流动 水槽流动显示结果 展弦比对气动损失的影响 76 叶尖间隙流动及其对效率的影响 叶尖流动图画间隙对效率的影响 77 跨音涡轮激波结构 78 雷诺数对边界层流动的影响 79 涡轮内部非定常流动 80 涡轮有着独特的工作环境 是发动机中一个典型涉及多学科的部件 包括 气动 传热 结构 强度 振动 材料 工艺等 其设计中需要综合考虑 解决途径 减少部件的重量和费用低展弦比叶型 高级负荷 高进口温度提高涡轮的耐久性 冷却气路的优化设计 高级压比和负荷跨音叶型的设计 粘性影响的精确模拟 宽广高效工作范围可调导叶 流动控制 良好的叶型设计 81 三 涡轮设计技术发展 82 涡轮设计需要工作的地方 Rotormountconceptandrotordynamicintegrity Non self supportingringsandseals Complex minleakageshrouddesignforhighesttemp gradients Vibrationdampingsystemsfortheunshroudedblades Complexaxialbladefixingandsealing Complexvaneintegration Coolingairtransitiontorotor Bladecooling Compressordischargeair Activeclearancecontrol 83 叶型的负荷分布选择 跨音高压涡轮 轴向位置 1 0 低压涡轮转角90 100 高速低压涡轮转角80 90 高负荷低压涡轮转角100 120 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 等熵马赫数 84 lam turb trans 0 1 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 吸力面弦长 1 1 5 收益 层流叶型 转捩位置 turbulent 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 1 0 p p mG t1 Mmax 0 89 0 94 层流叶型 普通叶型 M1 0 36 M2 0 74 pressureside Suctionside 弦向 边界层动量厚度 85 前掠 后掠 2Dblade LE TE LE TE LE TE 二次流的控制措施 倾 端弯 SS PS PS SS LE前缘TE尾缘SS吸力面PS压力面 86 直叶片 倾斜 弯叶片 二次流的控制措施 三维造型对负荷分布的影响 本质上都是控制负荷的三维分布 最终达到控制二次流 叶片表面边界层等流动的目的 端壁的控制 87 叶尖间隙流动的控制 叶尖带冠 叶尖冷气射流 叶尖负荷的影响 机匣形状的影响 叶尖形状的影响 88 跨音涡轮 Ma 1 0 损失系数随设计马赫数的变化 出口马赫数 Ma 1 1 1 2 Ma 1 2 损失系数 89 对转涡轮 F119发动机 90 对转涡轮 优点 负荷高 使得零件数目 部件重量减轻 增强了部件的可靠性 为取消高低压涡轮之间的导叶提供了可能 可缩短发动机的轴向长度 减少高温涡轮所需要的冷气用量 或利用同样的冷气用量 使涡轮能够承受更高的涡轮前温度 由于高低压涡轮的反转 使得转矩和陀螺力矩的平衡性更容易实现 这对于提高飞行器的机动性和可操纵性具有重要意义 91 涡轮内部的非定常流动 非定常流动是叶轮机内部固有的流动特征 涡轮内部非定常流动既能导致损失的产生 也能较大幅度提高涡轮的性能 深入理解非定常流动机理 对于理解涡轮的疲劳特性具有重要意义 美国IHPTET计划的第三阶段明确提出计及非定常效应的涡轮设计是一个研究重点 92 非定常效应的影响 93 Clocking效应在设计中的应用 Clocking效应即由于多级叶轮机中静子和静子 转子和转子 叶片周向位置不同导致尾迹对下游叶片边界层发展的影响不同引起叶轮机性能的变化 94 Clocking效应在设计中的应用 研究表明 通过调整多级涡轮叶片的周向位置 涡轮效率变化幅度可高达0 3 1 1 95 Calming效应在设计中的应用 理论研究表明 合理控制前排叶片的尾迹通过频率 可有效地控制叶片表面附面层分离剑桥大学与罗罗公司合作 在保持效率不变的情况下 将BR 71 系列发动机低压涡轮的负荷提高了38 并将应用于罗罗公司下一代的TRENT系列发动机上美国通用电气公司亦成功应用非定常尾迹干扰控制技术 将其低压涡轮的负荷提高20 96 Calming效应在设计中的应用 Calming效应由尾迹与边界层相互作用引起 97 Calming效应在设计中的应用 尾迹与边界层相互作用流动图画 98 Calming效应在设计中的应用 尾迹对附着边界层发展的影响 99 Calming效应在设计中的应用 高负荷情况下尾迹对损失的影响 100 Calming效应在设计中的应用 计及calming效应的高负荷叶型及表面负荷分布 101 BR715发动机 Calming效应在设计中的应用 低压涡轮2导叶型 102 Calming效应在设计中的应用 常规 高负荷和超高负荷设计对比 103 考虑高低压涡轮的匹配