大涵道比渦扇發動機氣動設計技術的發展

20世紀30年代末，馮韋泰勒和馮赫恩先后發明了高速噴槍，并促進了人們進入了一個新時代。經過60多年的持續發展和創新，航空發動機和飛機的性能日益提高，對人類社會的各個方面產生了重大影響。航空動力渦旋發動機的創新和復雜性已成為國家科技水平、軍事實力和國力的重要標志之一。在各種航空燃氣渦輪發動機中,軍用發動機更主要追求高的推重比/功重比;而民用發動機則有更多方面的技術要求,如經濟性、安全可靠性和環保等.與渦輪噴氣發動機相比,渦輪風扇發動機由于其特有的技術優勢,自上世紀50年代以來,在軍用和民用航空發動機中一直占據主流地位.目前我國已將大型民用客機正式列為中長期發展規劃中的重大專項,而世界干線客機的動力100%均采用渦輪風扇發動機,這種狀態在未來相當長的時期內不會有根本性的變化.作為大型客機的動力裝置,渦輪風扇發動機的主要優勢在于:不僅能提供較快的飛行速度,而且具有良好的經濟性、安全性、可靠性和維修性,也能滿足國際民航組織等提出的環保等方面的要求.目前現役大型客機的典型技術指標如下:●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;●空中停車率:不大于0.002～0.005次/1000飛行小時;●壽命約5萬小時.目前大涵道比渦扇發動機的循環壓比已經提高到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動機的循環壓比將提高到50左右,溫度將再提高100℃左右.半個多世紀以來航空渦輪發動機總效率的提高依賴于推進效率和循環效率不斷提高的情況,這也將是21世紀航空發動機效率提高的規律,到2020年左右,高涵道比渦扇發動機的耗油率將比目前水平進一步降低15%～20%.表1列出了典型大涵道比渦扇發動機的發展歷程和循環參數.進入21世紀后,大涵道比渦扇發動機的性能在進一步提高的同時,更加重視大幅度降低污染物排放和噪聲,表2給出了美國和歐盟制定中長期技術發展目標,以滿足未來社會發展的需求.如圖1所示,隨著新的適航條例的實施,對于飛行噪聲的控制越來越嚴格.如圖2所示,飛行噪聲由發動機噪聲和飛機噪聲兩部分構成,而發動機產生的噪聲則遠大于飛機.發動機噪聲主要來源于風扇、噴流、燃燒和渦輪,其中風扇噪聲和噴流噪聲較大,因此美國和歐盟在過去20年投入大量人力、物力和財力加強對發動機各種降噪技術的研究,為了達到更低的噪聲水平,甚至不惜犧牲一些氣動性能.為了滿足未來發展的需要,美國和歐盟近期都制定了專門的噪聲研究大型國家級規劃,例如美國在1994-2001年實施的先進亞音速技術計劃(AST)部署了降噪技術計劃,從2001年又開始實施的安靜飛機技術研究計劃(QAT),初期投資1億美元,該計劃自2004年起加大了投資力度;而歐盟從2001年開始實施為期5年的相應計劃——SILENCER,是歐洲有史以來關于噪聲研究的最大計劃,投資高達1.1億歐元.圖3給出了GE90發動機目前采用的主要降噪技術,從中可以看出,為了降低噪聲,當代大涵道比渦扇發動機不但大量采用聲襯,而且在發動機的氣動設計上采取了大量措施.因此,過去20年大涵道比渦扇發動機降噪技術已經成為發動機氣動設計技術的一個重要組成部分,特別是風扇和排氣系統的設計,噪聲水平已經成為發動機氣動設計的一個重要指標.圖4給出了GE公司風扇/壓氣機氣動設計技術的演變,從中可以看出,自20世紀80年代以來,航空發動機風扇/壓氣機的氣動設計技術先以準三維為主;90年代以來則逐漸建立起了以三維CFD技術為核心的現代設計體系,使其逐漸擺脫了耗資多、周期長、風險大、主要依靠完備實驗數據庫的“傳統設計方法”.本文下面將以大涵道比渦扇發動機為背景,重點分析過去20年其風扇/壓氣機氣動設計技術的發展現狀,及其進一步的發展趨勢,總結其技術難點,旨在說明我國將來發展高性能大涵道比渦扇發動機在風扇和壓氣機方面將面臨的一些挑戰,以及亟待突破的一些關鍵技術,從而為我國明確大涵道比渦扇發動機的技術發展途徑提供參考.1風扇安裝技術和發展趨勢1.1大涵道比風機葉片的制造技術過去20年,風扇寬弦空心鈦合金葉片以及復合材料葉片制造技術的突破,使得風扇的機械性能大幅度提高,促使渦扇發動機的涵道比不斷增加,從而有效提高了發動機的推進效率,而且突肩的取消,也使得風扇的效率明顯提高.圖5給出了RR公司風扇效率的演變過程,從中可以看出,20世紀90年代以來,隨著風扇/壓氣機的三維氣動設計技術的提高,通過采用三維氣動造型,實現了風扇內部流場的定制設計,使得風扇的效率進一步提高.大涵道比風扇葉片之所以能夠實現先進掠型設計的關鍵在于突破了寬弦空心葉片或復合材料葉片的制造技術.與傳統造型相比,如圖6所示,當前大涵道比風扇基本都采用復合掠型的設計,葉片中上部后掠,實現通道激波的后掠,從而降低激波損失;葉片尖部前掠,從而有效提高風扇的失速裕度;此外,寬弦設計本身還會進一步促使激波在空間的傾斜;再加上葉型的定制設計,從而使得激波損失,以及相應的附面層損失和二次流損失明顯降低,風扇設計點的效率比常規造型的風扇有明顯改善.圖7給出了GE公司GE90-115B掠型風扇與常規造型風扇性能的對比.除上述設計點風扇效率明顯提高之外,先進掠型風扇另外一個明顯的優勢是其堵塞流量也有所增加,從而使得發動機的起飛推力相應增大.為了滿足未來適航條例關于噪聲水平的要求,當前先進的大涵道比風扇設計中已開始將風扇的噪聲水平作為重要的設計指標之一,同時將噪聲的分析和評估直接納入風扇的氣動設計體系與流程.下面以GE90發動機為例(圖3),簡單分析現階段大涵道比風扇氣動設計上采用的降噪技術(不包括聲襯技術).◆風扇轉子設計:選取低的葉尖切線速度,重視降低尾跡的寬度和強度.◆拉大轉子與靜子間距:明顯增加轉子與風扇外涵出口導葉的間距,適當增大轉子與增壓級進口導葉的間距.◆出口導葉葉片數的選擇:通過外涵出口導葉葉片數的選擇,使之能夠截斷轉子葉片通過頻率成份的噪聲模態向下游的傳播.1.2新一代發動機液壓噪聲為B787飛機研制的即將投入使用的GEnx和TRENT1000發動機代表了當今大涵道比渦扇發動機的先進水平,其涵道比已經達到10一級,發動機的噪聲水平比FAR36第3階段的規定低近30dB;而三大發動機公司預研的2020年前后投入使用的高涵道比發動機的涵道比將增加到12以上,全面實現表2中的目標值.在未來更高涵道比風扇設計中,其最大的挑戰來自于降噪,以及由此引發的推力、重量等問題.圖8給出了新一代發動機主要采用的降噪技術,主要是要從風扇、聲襯、短艙和鋸齒形噴口(Chevronnozzle)幾方面入手,其中風扇設計采取的先進降噪技術主要包括以下幾方面:◆進一步降低風扇轉子的葉尖切線速度(轉子噪聲近似與葉尖速度的4次方成比例);◆對葉片造型,特別是出口導葉造型采用子午后傾、彎掠等三維優化氣動造型;◆以降噪為目標對風扇加功量分布等一些重要設計參數進行優化;◆加強風扇部件全流場中尾跡和分離等各種旋渦流動的控制.上述幾項技術中最有效的,也是難度最大的就是進一步降低轉子的葉尖切線速度,如圖9所示,對于涵道比在10左右的發動機,其葉尖切線速度已經降到聲速左右,現有風扇結構形式和驅動方式還不需要改變;但是未來涵道比12以上風扇的葉尖切線速度下降到聲速以下時,現有雙轉子的發動機風扇驅動方式和結構形式必須進行創新,由此將引發一些新的氣動設計問題.隨著風扇涵道比的不斷增加,風扇葉尖切線速度的不斷降低,會帶來兩方面的問題:一是風扇增壓級的切線速度非常低,其加功增壓能力嚴重不足;二是風扇壓比持續降低,導致發動機的起飛推力明顯損失.由于RR公司采用三轉子發動機,所以不存在增壓級的問題,但是GE和PW公司則面臨嚴峻的挑戰,為此提出了創新的發動機結構形式.1.2.1齒輪驅動風電除了上述提到的增壓級問題之外,隨著涵道比的增加渦扇發動機的低壓轉速不斷降低,導致當代渦扇發動機低壓渦輪級數多、尺寸大,成為決定發動機的成本和重量的關鍵因素,這些問題在涵道比12以上的渦扇發動機研制上更加突出.解決這些問題的一個有效途徑就是采用齒輪驅動風扇,如圖10所示,風扇不再由低壓渦輪軸直接驅動,而是通過一個3∶1的體內減速器將低壓轉速降低后再驅動風扇.PW,PWC,FiatAvio和MTU對該技術已進行了15年的攻關,目前正在進行全尺寸的試驗驗證,其難點主要在于小尺寸、大功率、長壽命、高可靠性體內減速器的研制,以及風扇支承形式等結構設計上.如圖10所示,齒輪驅動風扇有以下幾方面的優點:◆擺脫了渦輪轉速的制約,能夠獲得更高的涵道比,從而提高發動機的推進效率;◆能夠獲得更低的葉尖切線速度,從而進一步降低風扇噪聲;◆低壓渦輪能夠采用較適合的轉速,使級數減少一半左右,從而大幅度降低發動機的成本和重量;◆增壓級的加功增壓能力大幅度增加,能夠以更少的級數獲得更高的壓比.低葉尖切線速度自然決定了風扇的增壓比有所降低,到2020年高涵道比風扇的葉尖切線速度在260m/s左右,相應的設計壓比會在1.3左右.這樣的風扇雖然能夠獲得更高一點的效率,但是由于風扇壓比的明顯降低,會損失較大的起飛推力,這一方面需要在發動機的循環參數選擇上進行平衡;另一方面需要加大風扇的通流能力,通過提高其來流馬赫數以增大起飛推力,其起飛狀態風扇來流馬赫數會增加到0.6以上.因此,除了低噪聲之外,高通流、高負荷、高效率是高涵道比低葉尖切線速度風扇氣動設計的目標和挑戰.1.2.2低壓系統轉風方案技術面臨的問題與PW等公司致力于發展的齒輪驅動風扇不同,GE公司為應對未來高涵道比渦扇發動機的挑戰,提出了低壓系統對轉的發動機概念.低壓系統對轉發動機采用了兩級對轉風扇,輔助增壓級與轉速更高一些的第二級風扇連在一起,為了實現這樣的工作方式,發動機必須采用三轉子技術,通過使低壓渦輪對轉,實現風扇的對轉,這與常規三轉子發動機相比,結構和支撐形式更為復雜一些,因此其技術挑戰也是相當大的.由于同樣采用低葉尖切線速度,對轉風扇各自的轉速并不高,但是通過對轉,它可以加大渦輪的作功能力,從而減少低壓渦輪的級數,達到減輕重量,降低成本的目的.與齒輪驅動風扇相比,對轉風扇有一個優勢,其每一級轉子的壓比并不高,但是兩級的總壓比則接近當前較高切線速度風扇的增壓比,從而能夠獲得更大的推力.從氣動設計上兩級對轉風扇若要獲得比現有風扇更高的效率,其關鍵在于第二級轉子的設計,因為它的速度三角形可能不利于實現高效率.此外,由于對轉風扇轉子之間,以及第二級轉子與出口導葉之間的軸向間距不能拉大到單級風扇時的距離,因此其轉子相互作用形成的噪聲,以及轉子與出口導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.與齒輪驅動風扇相比,低壓系統對轉方案技術難度更大,若干關鍵問題尚待解決.2ge293年三維氣動造型技術的發展歷程在當代大涵道比渦扇發動機中,風扇/壓氣機部件仍占到發動機總長度的50%～60%,重量的40%～50%,制造成本的35%～40%,維修成本的30%(K.Steffens,2001).在壓氣機氣動力學、計算流體力學和計算結構力學都取得了很大進展的今天,高壓壓氣機的研制依然是高風險、高難度的工作,高壓壓氣機的設計至今依然是發動機研制中的技術瓶頸之一.現階段,乃至未來相當長的一段時間內,對高壓壓氣機的要求分別體現在以下三個方面:1)性能●在寬的轉速范圍內有高的效率●級壓比高●軸向長度短(更少的級數)●重量輕●長期使用的性能衰減慢2)安全性●抗外物打傷能力強●良好的機匣包容性●葉片、盤、軸和整個部件可靠性高●轉子動力學穩定性好●有足夠的失速裕度和抗進氣氣流畸變能力3)成本●制造成本低●維修成本低●魯棒性好如前面圖4所示,過去20年高壓壓氣機的設計已經發展到多級全三維造型階段,下面結合圖11給出的GE90發動機高壓壓氣機的發展歷程,分析高壓壓氣機氣動性能不斷提高所采取的主要關鍵技術.在美國高效節能發動機(E3)計劃的支持下,在20世紀80年代初,GE公司依靠豐富的高壓壓氣機設計經驗,基于二維/準三維的傳統設計體系,成功研制出了10級壓比23的高壓壓氣機,為GE公司之后的20年保持世界領先水平奠定了堅實的基礎,到目前為止,它所達到的壓比仍然是世界之最.過去20年,GE公司利用三維設計技術對其不斷進行改進和提高,圖11給出了其中重要的發展里程碑.改進的最主要手段就是采用全三維造型技術,如圖12所示,高壓壓氣機的通流能力,常用轉速(流量)范圍內的效率,特別是設計點效率均有明顯提高.同期RR公司也發展自己的三維設計技術,通過采用葉片三維氣動造型使其Trent500和Trent900發動機高壓壓氣機的效率明顯提高(圖13).在20世紀90年代,三維氣動造型技術提高壓氣機效率的主要措施是消除或改善各排葉片內部的分離,特別是角區的分離流動;而過去10年,隨著對三維氣動造型技術認識的不斷深化,三維氣動造型技術同樣用于改善通道主流的流動情況,進一步降低了通道主流的流動損失;同時通過加大轉子葉片前掠,在穩步提高壓氣機的級負荷的同時,有效地提高了壓氣機的失速裕度.在先進材料和整體葉盤結構的支持下,高壓壓氣機的葉尖切線速度能夠進一步提高,再利用三維氣動造型技術,各大發動機公司不斷向更高級壓比的高壓壓氣機發起挑戰.圖14給出了各種發動機壓氣機級數及其能夠獲得的壓比的關系圖,其中決定性的衡量指標就是平均級壓比.到目前為止民用大發動機用的高壓壓氣機的前沿水平分別是MTU研制成功的6級壓比11的高壓壓氣機,其平均級壓比接近1.5,應用對象是中小推力級別的發動機,例如PW6000,由單級高壓渦輪驅動;另一個就是前面提到的GE90高壓壓氣機,10級壓比23,其平均級壓比接近1.4,應用對象是大推力級別的發動機,由兩級高壓渦輪驅動.其他更高級負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,以及GE公司研制的TECH56高壓壓氣機.根據前面提到的對于高壓壓氣機的三方面要求,隨著材料、結構和工藝,以及壓氣機設計技術的進一步發展,未來高涵道比發動機的高壓壓氣機性能將進一步提高.現階段研發的一些先進技術,如圖15所示,將用于研制未來更高性能的高壓壓氣機.3大涵道比施策略的啟示過去我國航空發動機發展一直以軍機為主,雖然軍用和民用發動機有大量共用技術,但由于軍用渦扇發動機主要追求高推重比,與民用大涵道比渦扇發動機的性能指標要求有重大差別,所以結構和研制技術也存在重要差別;相對于軍機而言,我國更是缺乏大涵道比渦扇發動機的研制經驗.十五期間在APTD計劃的支持下,才開始了發展軍用大涵道比渦扇發動機的預研,所以缺乏研制大涵道比渦扇發動機的技術、經驗和積累.國外經過50年的發展,經過幾次更新換代,目前已經達到了非常高的水平.考慮到我國民用大涵道比渦扇發動機將在2015-2020年投入使用,而那時國外又進一步發展到了更高涵道比渦扇發動機的階段,因此我國在民用大涵道比渦扇發動機的研制上面臨非常嚴峻的挑戰.現狀與要求之間的巨大反差,決定了研制任務的艱巨性,但也帶來了從未有過的良好發展機遇.我們應當理清關鍵問題,統一規劃,有針對性地加強基礎研究和技術驗證,一方面為大涵道比的工程研制提供技術支撐(補課),另一方面就是要發展和儲備未來更高涵道比渦扇發動機研制的先進理論、方法和設計技術(儲備),從而使我國未來第二代高涵道比渦扇發動機能夠達到當時的國際先進水平.下面就我們的認識,談談我國在大涵道比風扇/壓氣機部件氣動設計上面臨的一些主要技術問題,這也是我們當前亟待解決的從基礎研究到工程研制的一些關鍵問題.我們所面臨的主要問題是基礎研究薄弱,預先研究儲備不足.發動機的研制規律表明,發動機性能的提高源于發動機先進技術的不斷突破與成功應用,如圖16所示,RR公司即將投入使用的TRENT1000發動機和下一代的TRENT發動機的高性能是建立在他們過去20年來以及未來十幾年所發展的、并經過了驗證的各種先進技術的基礎之上的,而且這些先進技術都是在發動機研制之前就已經儲備好了,并在預先研究階段進行了試驗驗證.相比之下,我國將要進行的大涵道比渦扇發動機的研制,一些關鍵技術的預先研究儲備不足,難以很快達到國際先進水平.為了解決這個問題,我國需要在現階段就大力部署一系列關鍵先進技術的預先研究,創造相應的實驗研究條件,其中既要包括國際上目前已經掌握并已應用的、而我們還沒有的關鍵技術,也要包括國際上正在為下一代發動機預研的關鍵技術.3.1盡快開發出重要的研究設備3.1.1氣動噪聲對象研究發動機作為有史以來最為復雜的旋轉熱力-推進機械,其內部存在各種復雜的流動、傳熱、燃燒等氣動熱力現象,以及強烈的流體間、流體與固體間的相互作用,這些復雜的流動及相互作用產生了頻率成份復雜的各種離散噪聲和寬頻噪聲.因此,從氣動聲學的角度看,發動機也許是當今最為復雜、最難研究的噪聲對象,在機理、分析手段和方法,以及控制技術等各方面研究上都存在非常大的難度.例如,噪聲分析與預測方法所需要達到的流場計算精度遠遠超過了準確預測氣動性能需要的精度;風扇、噴流噪聲試驗環境要遠比性能試驗環境苛刻得多,對流場的測量精度也遠遠超過了氣動性能試驗的要求.由于發展民航的需要,美國和歐洲自20世紀60年代就開始了對發動機噪聲進行系統的研究,過去20年更是成為競爭的核心之一,投入大量的財力和物力,建立起了完善的從基礎研究到應用研究的各種關鍵設備,圖17到圖19給出了一些典型的實驗平臺.相比之下,我國發動機行業還沒有這些關鍵研究設備.這是需要納入規劃,盡快建立的.3.1.2高速壓氣機實驗裝置雖然我國目前擁有開展多級壓氣機研究的多種高速試驗設備和手段,但是面向大涵道比渦扇發動機要求的高效率高負荷多級高壓壓氣機的研制,我們還缺少一種關鍵研究手段——多級低速大尺寸壓氣機實驗臺及相應的實驗技術.眾所周知,全尺寸高速多級高壓壓氣機加工和試驗成本較高、周期長,測量難度大,實驗危險性高,特別是后面級通道狹窄,在高速設備上開展多級壓氣機后面級內部復雜流動機理、先進設計理論與方法的研究,以及要實現壓氣機氣動設計的優化,其費用和周期都是無法承受的.國外在發展高壓壓氣機過程中,走出了一條能夠解決多級壓氣機中后面級研究的經濟、高效、可靠的路子,就是是多級低速大尺寸壓氣機模擬實驗臺(多級壓氣機前面級由于存在激波,不能用低速模擬的方法進行研究,必須進行高速實驗研究).自20世紀70年代,GE率先將多級低速大尺寸壓氣機實驗裝置成功用于高壓壓氣機基礎研究、關鍵技術驗證和型號研制,為GE高壓壓氣機的發展做出了重要貢獻.之后,PW和RR公司也開始廣泛采用該技術;MTU公司為了發展高性能高壓壓氣機,90年代中期在Dresden理工大學建設了與GE公司類似的多級低速大尺寸壓氣機實驗臺.各大發動機公司之所以重視高壓壓氣機低速模擬技術,就是因為其加工和實驗成本只有全尺寸高速實驗件的幾十分之一,可以詳細測量其內部流場,加工、裝配和實驗都非常靈活,能夠以較少的投入對各種先進設計理論和方法進行大量的系統的實驗研究與驗證.此外,其詳細測量結果可為多級壓氣機CFD技術的校驗與改進提供豐富的實驗數據.下面僅以GE公司發展高壓壓氣機三維氣動造型方面的例子來說明如何利用該技術發展其先進設計技術.圖20給出了GE公司高壓壓氣機低速大尺寸模擬試驗臺的照片,及其發展三維氣動造型的壓氣機實驗臺截面圖,以及轉子的三維氣動造型葉片.前面圖11和圖12給出了GE公司過去20年基于E3高壓壓氣機發展各種先進三維造型高性能壓氣機的里程碑,GE公司高壓壓氣機后面級的三維氣動造型技術就是在圖20的低速大尺寸壓氣機實驗臺上進行系統研究與驗證的,圖中給出了兩種改進方案與E3原型壓氣機性能曲線對比.GE公司正是利用這種實驗研究手段,發展了各種定制葉型技術,得到了各種量體裁衣似的針對當地具體流動情況的各種解決措施,如前加載、后加載、轉捩控制、葉尖間隙泄漏補償等葉型技術和端彎、三維氣動造型等,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發動機做出了基礎性貢獻.而這些針對當地具體流場的“定制”措施,在高速實驗臺上是很難做出的,因為在高速臺上很難測出當地具體流場結構細節.如果GE公司全部采用高速全尺寸試驗,完成上述高壓壓氣機三維氣動造型的優化,其花費不但是目前的上百倍,而且其研制周期根本無法保證.應該強調指出,即使在計算流體力學已得到長足發展的今天,這種低速大尺寸多級壓氣機實驗臺仍然是不可替代的,后面將要指出,主要是由于對湍流流動預估能力的限制,CFD技術還難以完全解決高性能多級壓氣機研制問題.3.2通過設計理論、方法和系統，必須改善和完善3.2.1散噪和產權技術美國和歐洲自20世紀60年代就開始展開風扇噪聲產生與傳播機理及控制方法的研究,經過幾十年的研究,目前對風扇離散噪聲產生的機理已有了相當深入的了解,特別是過去20年,在風扇離散噪聲預測技術和控制技術上也取得了非常大的進展,使得當代高性能風扇的離散噪聲及其前傳噪聲水平都大幅度降低.相比之下,在風扇寬頻噪聲的預測技術,以及風扇后傳噪聲的控制上還有相當大的潛力可挖,這自然成為美國和歐洲下一階段相關研究的重點.隨著對風扇噪聲設計水平要求的不斷提高,國際上關于噪聲應用基礎研究的重點放在了結合先進的CFD技術,發展能夠更為準確預測離散噪聲和寬頻噪聲產生與傳播的各種先進數值模擬技術上,以及各種先進降噪技術上,重點圍繞以下四個方面展開:◆評估當前CFD技術對于各種離散噪聲源的預測能力,研究將寬頻噪聲源預測加入到CFD技術中的可行性;◆發展CFD技術與聲傳播和輻射計算技術的接口技術,以及從聲源到遠場的全聲場預測技術;◆利用實驗測量結果校驗上述模型和技術;◆發展低噪聲風扇設計新概念、方法和設計技術.為了能夠給噪聲分析和預測的各種理論模型和計算方法提供可靠的實驗測量數據,國外為此發展了各種先進的測試技術,圖21和圖22給出了國外一些典型實驗測量情況的照片.這些先進的測試技術,以及風扇噪聲的預測分析方法,是我國未來建立和發展風扇噪聲分析系統的理論和技術基礎.長期以來,我國對民用大涵道比渦扇發動機的研究開展較少,對于風扇噪聲的可靠預測分析方法和各種先進的降噪技術技術貯備不足,在這方面與國際先進水平存在相當大的差距,這是我國民用大涵比渦扇發動機研究亟待彌補的重要一課.為此,我們需要建立風扇噪聲分析系統.風扇噪聲分析系統目前在我國尚處于空白,因此在未來的5～10年的時間,需要下大力氣盡快建立起能夠支撐我國先進大涵道比渦扇發動機研制的風扇噪聲分析系統.與國外幾十年的積累相比,我國在這方面需要跨越式發展,能否跨越的關鍵在于我國能否圍繞先進風扇噪聲分析系統所需要的設計技術,系統地開展相關基礎研究、應用基礎研究和預先研究,利用后進優勢又快又好地建立起先進風扇噪聲分析系統.圖23是PW公司風扇噪聲分析系統,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,兩大模塊各個程序的詳細說明請參閱文獻.建立起風扇噪聲分析系統以后,就可以將其與風扇的氣動設計系統耦合在一起,發展建立風扇氣動-噪聲耦合分析系統,從而具備低噪聲高性能大涵道比風扇的設計能力.3.2.2對現有湍流模型的模擬作為當代風扇/壓氣機三維氣動設計體系的核心,CFD技術成為研制高性能風扇/壓氣機的關鍵手段之一.目前在風扇/壓氣機基礎研究中已經開始采用三維非定常CFD技術,以及更為先進可靠的LES等方法,但是由于計算資源的限制等問題,在未來相當長的一段時間內風扇/壓氣機的工程設計中三維定常CFD技術仍將起重要作用.20世紀90年代以來國內外在風扇/壓氣機的研制上開始廣泛且深入地應用定常數值模擬技術,但在實踐中三維定常CFD技術既帶來過成功的經驗,也有失敗的教訓,因此國外各大發動機研究機構都在不斷發展和完善有源程序的風扇/壓氣機CFD軟件,并一直利用各種詳細測量試驗數據對其進行不斷的校準和改進.相比之下,我們國家風扇/壓氣機的研制還是以商用CFD軟件為主,因此在計算的精度和可靠性上,特別是對于多級壓氣機的計算還存在很大的不確定性,迫切需要向以自行發展的CFD軟件轉變,并重視以下幾個方面的研究.湍流模型和大渦模擬:鑒于風扇/壓氣機內部的復雜流動情況,特別是多級壓氣機,未來相當時間也難以發展出普適的湍流模型,所以必須加強對現有湍流模型的適用性分析,校驗各種情況下的計算精度,積累計算經驗,提高風扇/壓氣機模擬的可靠性(噪聲的可靠分析和預測強烈依賴CFD計算結果的可靠性).此外,必須加強湍流轉捩模型的研究與應用,因為它是準確模擬許多流動現象的關鍵.由于難以發展出普適的湍流模型,且計算機能力提高很快,所以一段時期以來,國際上出現一種看法,即用大渦模擬LES處理葉輪機內部復雜流動問題,其優點是:●避開了大尺度意義下的湍流模型問題,而可代之以亞格子尺度的模型模擬,這種模型對邊界幾何條件的相關性更低,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,因而對于處理葉輪機內轉靜子之間固有的非定常問題具有先天的優勢,對于研究動靜葉相互作用,如上游尾跡對下游邊界層的非定常掃掠和轉捩等問題也很自然.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題,當然也需要具備相應的計算資源.確定性應力模型:除湍流模型之外,當前多級風扇/壓氣機模擬不夠準確的另一個重要原因就是它不能很好處理轉靜子流場的周向非均勻性和非定常性的影響,而在定常框架內計及這種效應的一種有效方法就是確定性應力模型.美國GE和PW公司都將其風扇/壓氣機設計體系中的CFD程序改進為基于確定應力模型的三維定常程序,成為高性能多級壓氣機研制的先進手段.可控擴散葉型的轉捩機制與模型:可控擴散葉型是設計高效率高負荷高壓壓氣機的一項關鍵技術,目前我們國家雖然能夠設計可控擴散葉型,但是由于在其流動機理,特別是考慮上下游相互作用的轉捩機制及其模型方面還缺乏開展系統、深入的研究工作.缺乏多級環境下可靠的轉捩模型的支持,難以設計出高性能的可控擴散葉型,而且有可能導致設計的失敗.高壓壓氣機三維氣動造型的流動機制:葉片三維氣動造型是對彎葉片和掠葉片的進一步發展,是設計體系從二維/準三維發展到三維的必然結果,也是過去20年風扇/壓氣機性能明顯提高的核心措施.從GE、RR、MTU公司的三維氣動造型壓氣機性能的不斷提高可以看出,國外對于高壓壓氣機三維氣動造型流動機制的理解早已超出了利用其控制角區分離的認識,已經發展到了能夠利用三維氣動造型進一步降低主流區損失,提高負荷的地步.相比之下,我國對于高壓壓氣機三維氣動造型機理的研究和認識還不夠深入,開展的實驗研究和試驗驗證工作非常匱乏.程序的校驗與完善:鑒于三維定常CFD技術的上述缺陷,以及風扇/壓氣機內部流動的復雜性,以及越來越高的計算精度要求,對三維定常CFD需要不斷地進行校驗和完善.由于系統、可靠、準確的實驗數據的匱乏,我國在風扇/壓氣機CFD模擬的精度和可靠性上與國際先進水平存在巨大差距,這在相當大程度上制約了我國研制的風扇和壓氣機最終所能達到的水平,特別是大涵道比渦扇發動機要求的高效率.3.3與型號密切相關的一些重要開發準備3.3.1低噪聲風電的主要技術指標進行這方面的研究就是要突破和掌握具有當代現役發動機先進水平的風扇設計技術,并進行試驗驗證.重點是要突破風扇先進掠型設計技術,建立和發展風扇噪聲分析與預測技術,形成氣動與噪聲耦合設計體系,掌握低噪聲風扇氣動設計技術,以及先進聲襯研制技術.根據國際當前大涵道比渦扇發動機風扇的水平,預研的高性能低噪聲風扇應當達到以下技術指標:●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:比常規設計降低4～5EPNdB.3.3.2高壓壓氣機鍵技術研發高效率高負荷高壓氣機先進設計技術的研究,就是要儲備具有國際先進水平的高壓壓氣機的先進設計技術,為我國下一代大涵道比渦扇發動機儲備關鍵技術,重點要突破先進可控擴散葉型設計技術、高壓壓氣機三維氣動造型技術、容腔間隙設計技術和壓氣機主動控制技術,以及先進封嚴、先進盤軸冷卻、先進葉尖涂層和整體葉盤轂筒式結構等設計技術.根據國際先進高壓壓氣機及其發展趨勢,預研的高壓壓氣機應該達到以下性能指標:1級高壓渦輪驅動2級高壓渦輪驅動●壓比:11～13●壓比:18～20●級數:6～7●級數:8～10●效率:0.88●效率:0.883.3.3低噪聲風電的研制目標與涵道比8以下的渦扇發動機不同,前面已經提到未來高涵道比渦扇發動機必須進行發動機的結構創新才有可能研制出涵道比12以上的渦扇發動機,目前看只有兩種方案:一是PW公司主導的齒輪驅動風扇技術;二是GE公司提出的低壓系統對轉技術(必然是三轉子技術),取消了低壓渦輪級間導葉.無論哪種技術方案,難度都是非常大的.因此我國未來研制涵道比12以上的渦扇發動機,必須盡早儲備這類關鍵技術,否則在10年以后,我們將面臨一個難以跨越的技術障礙.根據國際當前正在預研的高涵道比渦扇發動機風扇的水平,我國將來開展的這類高性能低噪聲風扇的技術指標也應當達到當時國際預研的先進水平:●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:比當前先進水平降低～4EPNdB.3.4試驗結果和討論認真研究航空技術先進國家風扇/高壓壓氣機發展歷程和研制經驗,對于解決我們今天所面臨的問題仍是十分有益的.J79發動機是在20世紀50年代開始研制的,美國那時計算預估真實流動的能力仍很低(低于中國現有的能力),然而J79發動機研制成功了,而且研制出了一臺很好的高壓壓氣機,級數多達17級;在當時計算能力不高的條件下,高壓壓氣機的研制主要只能靠試驗.20年之后,美國開始了新一代發動機——E3發動機的預研,美國當時的準三維設計體系已相對成熟.那時GE公司雖然沒有全三維分析軟件,但其經過大量改進和試驗驗證的準三維體系預估流場的能力已高于中國現在的水平.即使這樣,當時E3發動機高壓壓氣機的研制仍然進行2輪反復,才達到了設計指標.1980年1月開始進行的試驗發現葉根性能不好,于是決定對前面級葉片加以修改;1981年4月,對組裝了改進后葉片的10級壓氣機進行了試驗,結果表明,前段根部性能得到了改善,但壓氣機性能和失速裕度仍不足,于是,又對葉片做了修改設計,最終達到了設計要求.而這兩次修改設計的依據都是來源于對大量試驗測量結果的深入分析,因此高壓壓氣機氣動試驗的作用不僅在于測試性能,更重要的是探測出問題所在,從而為修改設計提供依據,而我國在這方面還有待進一步提高.除上述全尺寸高速壓氣機試驗之外,前面已經提到GE公司為研制高壓壓氣機還創造了一套專門的試驗研究技術-低速大尺寸壓氣機試驗技術,它在E3發動機高壓壓氣機的研制中也發揮了重要作用.雖然目前國際上高壓壓氣機的設計技術已經發展到了多級全三維階段,但是總結各大研究機構的研究經驗,可以看出當前的三維設計體系只能適當減少壓氣機設計反復的次數,但是本質上,多級高壓壓氣機的最終調試還是要靠試驗技術加以解決.從上述實例可以得到以下重要