劉永泉*,劉太秋季路成

1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所,沈陽 110015 2.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100081

目前,增強國防實力、破解安全困局以及提升工業(yè)基礎(chǔ)、優(yōu)化經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等已成為國家重大需求。而航空發(fā)動機作為戰(zhàn)略高技術(shù)行業(yè),卻受到發(fā)達國家技術(shù)封鎖。依托于強大的經(jīng)濟實力,我國軍民航空發(fā)動機科技及其產(chǎn)業(yè)正在迎來千載難逢的發(fā)展機遇。面對這一令當(dāng)代國外航空人不敢奢望的重大機遇,國內(nèi)航空發(fā)動機業(yè)界是否做好了充分準(zhǔn)備?望發(fā)達國家發(fā)展慣勢,如何發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢；深刻內(nèi)省自身不足,如何拾遺補缺、拓展提高；催動內(nèi)生創(chuàng)新,如何適應(yīng)自身特點形成核心競爭力?對這些問題如不能給出清晰的解決思路并付諸實施,將可能痛失發(fā)展機遇,對航空產(chǎn)業(yè)生存乃至國家安全、經(jīng)濟與社會發(fā)展貽患巨大。

為此,本文針對航空發(fā)動機核心部件——風(fēng)扇/壓氣機的國際發(fā)展趨勢以及國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題,給出其后續(xù)發(fā)展的方向、思路和重點。希冀能為我國軍民航空發(fā)動機科技進一步發(fā)展提供參考。

1 發(fā)展?fàn)顩r

歷經(jīng)70余年,伴隨飛機及其發(fā)動機動力發(fā)展,作為航空發(fā)動機核心部件,風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)一直是各國不遺余力發(fā)展的重點,已經(jīng)取得輝煌成就并正在穩(wěn)步發(fā)展[1-4],整體發(fā)展?fàn)顩r可從幾個方面清晰展現(xiàn),如圖1所示[5]。

1.1 設(shè)計方法體系發(fā)展

Navier-Stokes方程是描述風(fēng)扇/壓氣機內(nèi)部流動的基本物理模型,但鑒于有關(guān)流動機理認識的階段性以及相關(guān)技術(shù)支撐發(fā)展滯后,應(yīng)對現(xiàn)實需求,在不同時期,研究者不得不對Navier-Stokes方程進行假設(shè)、簡化,見圖2,形成了從一維、二維、準(zhǔn)三維設(shè)計乃至基于全三維定常/非定常流動分析與優(yōu)化等精細層次各異的設(shè)計方法,完成了從不能考慮葉片扭向變化、采用簡單典型葉型、簡單展向積疊向通流理論支撐、全三維葉片生成、多級全三維定常/非定常流動分析、各種優(yōu)化方法以及氣動彈性和氣動噪聲等多學(xué)科支撐的設(shè)計體系的轉(zhuǎn)變。尤其是近10年來,隨著伴隨優(yōu)化方法的出現(xiàn)[6-8],其優(yōu)化工作量不隨設(shè)計參數(shù)數(shù)目改變的優(yōu)勢使得多級風(fēng)扇/壓氣機精細化設(shè)計日趨成為現(xiàn)實,羅爾斯-羅伊斯(R.R)等國外發(fā)動機大公司已將其作為設(shè)計體系的主要部分,見圖3[9],彌補了原有設(shè)計體系三維階段對人為因素的依賴,這被認為是十多年來風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計體系最重要的發(fā)展。事實上,伴隨著試驗數(shù)據(jù)和機理認識的豐富積累,風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計體系一直處于不斷發(fā)展完善中。正因為此,過去半個多世紀中,出現(xiàn)了J79、F404、F110、F119、EJ200、Aπ-31Φ、RB119、GENX 等先進軍民航空發(fā)動機,風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計技術(shù)呈現(xiàn)長足進展。

圖1 飛機、動力及其葉輪機發(fā)展[5]Fig.1 Development of aircraft,engine and turbine[5]

圖2 設(shè)計方法與工具體系發(fā)展Fig.2 Development of design methods and tools

圖3 R.R公司伴隨優(yōu)化設(shè)計體系[9]Fig.3 Adjoint optimization design system of R.R[9]

1.2 設(shè)計理念與思路轉(zhuǎn)變

風(fēng)扇/壓氣機的發(fā)展歷程中,隨著關(guān)于流動機理、性能特征認識的豐富積累,其設(shè)計理念與思路也發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。

1)從機翼外流到葉片內(nèi)流的轉(zhuǎn)變

早期,研究者注重風(fēng)扇/壓氣機與機翼的相似性,設(shè)計中也曾主要借鑒機翼翼型,但研究者逐漸注意到風(fēng)扇/壓氣機內(nèi)部流動與機翼外流的根本差異:機翼外流是單邊曲率影響下的無限空間內(nèi)流動,而風(fēng)扇/壓氣機內(nèi)部流動是受限空間、多邊曲率影響下具有流向/徑向強壓力梯度、固有非定常性(熱功交換)的流動。這種認識上的重大轉(zhuǎn)變使風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計思路與飛機機翼分道揚鑣,形成了給定流量下合理分配流向與展向加功量、精細組織流動曲率、關(guān)注向心力場平衡、控制流動擴壓度的設(shè)計思路,并體現(xiàn)為負荷系數(shù)、擴壓因子(或D因子,或最大靜壓升系數(shù))、損失系數(shù)、落后角等獨特設(shè)計準(zhǔn)則參數(shù),已經(jīng)與外流機翼設(shè)計思路、方法完全分野,自成一體。

2)葉片氣動外形的轉(zhuǎn)變

葉片氣動外形發(fā)展歷程中在兩個層次上出現(xiàn)了三大變化。在基元葉柵層面,見圖4[10],從開始仿照機翼選用NACA系列等標(biāo)準(zhǔn)葉型[11],到開發(fā)出適應(yīng)風(fēng)扇/壓氣機的雙圓弧、多圓弧葉型[12]、任意多項式造型[13]、可控擴散葉型[14]或按需求定制葉型、計算機優(yōu)化葉型,其構(gòu)造思路上已經(jīng)從孤立翼型轉(zhuǎn)變?yōu)榫毧刂迫~型表面壓力梯度以避免附面層增厚分離。與此同時,一方面,延伸葉柵層面上述轉(zhuǎn)變,也出于耐用性、成本、裕度、可靠性等考慮,葉片設(shè)計理念由窄弦、高展弦比向?qū)捪摇⒌驼瓜冶绒D(zhuǎn)變,見圖5；另一方面,受掠形機翼啟示,葉片展向積疊思路由束縛于展向近直葉片轉(zhuǎn)變?yōu)楹舐尤~片、前掠葉片,并在深刻認識掠即體現(xiàn)負荷展向匹配后,轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)設(shè)計需要而定制復(fù)合掠葉片。除此之外,隨著葉身融合、前緣邊條葉片等應(yīng)對端區(qū)葉表/端壁附面層交匯和來流附面層扭曲問題的技術(shù)措施出現(xiàn),整個三維葉片發(fā)展呈現(xiàn)由第1、2代三維葉片向第3代三維葉片的轉(zhuǎn)變[15],見圖6。值得一提的是,對于高負荷風(fēng)扇/壓氣機,在高密流比、掠彎積疊情形下,強的三維效應(yīng)使得基元葉柵(葉型)研究的工程適用性大打折扣。

圖4 葉型發(fā)展改自文獻[10]Fig.4 Blade profile development(modified from Ref.[10])

圖5 三維葉片發(fā)展Fig.5 Development of 3D blades

圖6 3代三維葉片發(fā)展特征[15]Fig.6 Development features of three generations’3D blades[15]

3)來流速度選擇的轉(zhuǎn)變

來流速度是風(fēng)扇/壓氣機初始設(shè)計時必須作出選擇的框架基礎(chǔ)參數(shù)。為提高航空發(fā)動機性能,業(yè)內(nèi)在提高通流來流速度、葉片基元來流速度兩方面做出了努力,并出現(xiàn)了思路轉(zhuǎn)變。首先,為減小發(fā)動機迎風(fēng)面積和重量,起初通流速度是不斷提高的,但最后認識到最高的通流馬赫數(shù)在0.65～0.70之間,再高則易使葉片通道發(fā)生堵塞、效率低下；而公開發(fā)表的文獻中,為降低進氣道損失而增加通流速度至超聲速的努力卻因工程實用風(fēng)扇本身設(shè)計難度而不了了之。在提高葉片基元來流速度方面,初期超聲速進氣的嘗試大多因馬赫數(shù)高導(dǎo)致激波誘導(dǎo)附面層分離而失敗,卻形成了最高法向馬赫數(shù)不要超過Pearcy準(zhǔn)則數(shù)1.27、合理組織激波結(jié)構(gòu)可在約束損失弊端情況下利用激波增壓優(yōu)勢、帶箍轉(zhuǎn)葉尖部/靜葉根部不要超聲等理念,該理念還直接促成獲得了激波曲面三維性的認識,并設(shè)想通過類似機翼后掠而消除激波損失及其誘導(dǎo)附面層分離[16],但其嘗試終因忽視了旋轉(zhuǎn)內(nèi)流與外流間的本質(zhì)差別而失敗,然而卻為后來的超跨聲速、復(fù)合彎掠風(fēng)扇/壓氣機發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

時至今日,隨著流動認識加深,上述理念仍在發(fā)生著轉(zhuǎn)變:選取高稠度以允許激波后附面層有限分離,從而使葉片基元來流馬赫數(shù)可提高至1.6～1.7[17],通過葉身融合處理弱化或消除角區(qū)因激波附面層干擾而產(chǎn)生的分離,從而使轉(zhuǎn)/靜葉根部可以適當(dāng)超聲[18]。從高負荷葉片基元來流速度的展向分布來看,經(jīng)過70年的研究探索和工程實踐,其思路已由展向全亞聲速的亞聲速風(fēng)扇/壓氣機取向,拓展為首1～2級采用根部至少10%～20%展高保留亞聲速而其余展高為超聲速進氣的跨聲速風(fēng)扇/壓氣機,展向全部超聲速的超聲速風(fēng)扇/壓氣機因裕度、效率過低而極少有應(yīng)用。

4)由局部向全局把握的轉(zhuǎn)變

風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計曾經(jīng)只重點關(guān)注設(shè)計轉(zhuǎn)速、設(shè)計點氣動性能等局部問題。如今,伴隨總體認識、實際運行經(jīng)驗的積累以及航空發(fā)動機性能要求的全面提高,風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計越來越注重全局把握。主要體現(xiàn)在:

① 由重點關(guān)注設(shè)計轉(zhuǎn)速、設(shè)計點氣動性能到全面關(guān)注整個轉(zhuǎn)速范圍性能并針對最大推力、巡航等關(guān)鍵工況點進行折衷、提升,由關(guān)注新機性能到關(guān)注壽命期內(nèi)整體性能水平,出現(xiàn)了考慮運行環(huán)境對氣動外形繼而對性能影響的魯棒設(shè)計。

② 由早期僅關(guān)注氣動外形宏觀參數(shù)影響,轉(zhuǎn)而開始附帶關(guān)注粗糙度、倒圓/倒角、輪箍縫隙以及變形等工藝、結(jié)構(gòu)和運行因素影響。

③由孤立關(guān)注風(fēng)扇/壓氣機,轉(zhuǎn)變?yōu)榧骖檹耐七M系統(tǒng)甚至飛機推進系統(tǒng)一體化的高度關(guān)注進氣道(彎折管路)、燃燒室對風(fēng)扇/壓氣機部件的耦合影響,尤其出現(xiàn)了進氣道-風(fēng)扇耦合分析與設(shè)計,使風(fēng)扇設(shè)計更接近實際環(huán)境。

④隨著單位軸向尺度下負荷能力需求的提高、降噪需求日益嚴苛,風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計還由單獨關(guān)注氣動性能,轉(zhuǎn)變?yōu)槌硕庥l(fā)關(guān)注葉片氣彈特性、噪聲特性以及相應(yīng)的優(yōu)化改進設(shè)計。

⑤ 風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)創(chuàng)新由內(nèi)生驅(qū)動轉(zhuǎn)向兼顧總體牽引驅(qū)動,出現(xiàn)了對應(yīng)變循環(huán)的多流路排氣風(fēng)扇(核心機驅(qū)動風(fēng)扇),對應(yīng)間冷(回?zé)?循環(huán)的間冷壓氣機,為滿足大涵道比和降低噪聲要求出現(xiàn)齒驅(qū)風(fēng)扇,為滿足降低陀螺力矩且提高單位軸向長度加功量要求而出現(xiàn)對轉(zhuǎn)風(fēng)扇,根據(jù)總體需要組合軸流、斜流、離心壓氣機等。

1.3 設(shè)計性能指標(biāo)發(fā)展

經(jīng)過70余年的發(fā)展,風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計及性能指標(biāo)已經(jīng)取得了輝煌進步。主要具體指標(biāo)如下:

1)級負荷系數(shù)(基于葉尖轉(zhuǎn)速):核心壓氣機級負荷系數(shù)由最初不到0.2提高到0.25～0.28之間；軍機風(fēng)扇/低壓壓氣機級負荷系數(shù)實用型號提高到0.25～0.28,預(yù)先研究的達到0.28～0.35以上。

2)葉尖轉(zhuǎn)速:見圖7[19],從最初300 m/s,到最高嘗試600 m/s,最終風(fēng)扇穩(wěn)定于450～550 m/s之間,壓氣機則穩(wěn)定于400 m/s左右。

3)葉尖馬赫數(shù):從20世紀40年代初低于1.0,到20世紀50年代大量嘗試從亞聲速到高馬赫數(shù)(1.5～2.5),之后到20世紀60年代又理性回歸到1.2左右,繼而在1970—1990年間再度沖擊1.4～1.8,迄今漸漸穩(wěn)定在1.3～1.5之間,見圖8[19]。

4)展弦比:葉片展弦比一直在降低,風(fēng)扇從早期4～5下降到1.2～2.0,壓氣機從早期高達4.5到當(dāng)代1.0～1.5,見圖9[19]。下降趨勢非常明顯,但隨著氣動彈性評估以及材料、結(jié)構(gòu)進步有略微回升趨勢。

5)D因子:從早期0.3～0.4提高到今天常用的0.5,個別甚至超過0.6。

6)壓比:風(fēng)扇轉(zhuǎn)子壓比從早期1.5～2.5之間的各種嘗試到如今慣常選擇1.5～1.8之間,見圖10[19]；壓氣機平均級壓比則從早期1.2左右到如今實用1.3～1.4,先進壓氣機已經(jīng)達到1.5～1.6,見圖11[2]；風(fēng)扇/壓氣機總壓比則從早期5左右發(fā)展到今天民用、軍用發(fā)動機分別達到40、25以上,見圖12[10]。

圖7 葉尖轉(zhuǎn)速發(fā)展歷程[19]Fig.7 Development course of tip speed

圖8 葉尖相對馬赫數(shù)發(fā)展歷程[19]Fig.8 Development course of relative tip Mach number

圖9 展弦比發(fā)展歷程[19]Fig.9 Development course of aspect ratio

圖10 風(fēng)扇轉(zhuǎn)子壓比發(fā)展歷程[19]Fig.10 Development course of pressure ratio of fan rotor

圖11 壓氣機級壓比發(fā)展歷程[2]Fig.11 Development course of pressure ratio of compressor stage[2]

圖12 風(fēng)扇/壓氣機總壓比發(fā)展歷程[10]Fig.12 Development course of total pressure ratio of fan/compressor[10]

圖13 材料與結(jié)構(gòu)變化對風(fēng)扇/壓氣機影響歷程[10]Fig.13 Influence of materials and structures on fan/compressor[10]

圖14 各類壓氣機工作范圍Fig.14 Work range of several kinds of compressors

7)效率:總體在不斷提高,風(fēng)扇絕熱效率峰值約從0.80提高到0.86～0.88；壓氣機效率也如此,進步明顯。

8)材料與結(jié)構(gòu):從早期鋁、鋼材料以及常規(guī)葉片、輪盤連接結(jié)構(gòu),發(fā)展至鈦、鎳材料以及整體葉盤結(jié)構(gòu),使得平均半徑折合轉(zhuǎn)速從早期250 m/s到今天400 m/s,級平均壓比/溫升從1.2/15℃ 提高到1.6～1.8/45～60℃以上,見圖13[10]。

1.4 氣動熱力學(xué)若干疑題

從技術(shù)科學(xué)角度看,過去70年,雖然風(fēng)扇/壓氣機取得長足發(fā)展并日趨成熟,但相比于飛機設(shè)計領(lǐng)域已形成完整的氣動布局理論而言,風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計領(lǐng)域尚未形成系統(tǒng)的氣動熱力布局理論。就此,文獻[5]初步總結(jié)了若干疑難問題如下。

1)最恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)扇/壓氣機構(gòu)型問題

在給定壓比情況下,初始概念設(shè)計中選擇何種風(fēng)扇/壓氣機構(gòu)型更好?例如,既然中大型航空發(fā)動機中后面級采用軸流形式導(dǎo)致葉片短、損失大,那么能否后面級組合采用斜流或離心壓氣機?全軸流構(gòu)型未必是最好的。因此,設(shè)計初期,構(gòu)型方案選擇對最終設(shè)計性能往往是決定性的,必須得到重視。這就牽扯到各種壓氣機構(gòu)型的應(yīng)用范圍問題。事實上,這是個老問題,國外各大公司及科研機構(gòu)已經(jīng)獨立形成比較粗放的經(jīng)驗,見圖14,這些經(jīng)驗很難公開,另一方面,隨著技術(shù)進步,各種單獨或組合形式壓氣機應(yīng)用范圍并非一成不變,故該問題仍需不斷關(guān)注。

2)最大負荷問題

不斷提高風(fēng)扇/壓氣機負荷能力是該領(lǐng)域的一貫?zāi)繕?biāo)。美國IHPTET計劃第三階段就曾提出過最大負荷設(shè)計問題,但公開文獻一直未予闡釋。文獻[20]對此進行了探討,指出最大負荷是綜合用盡基元葉柵、展向積疊、排間匹配等方面潛力以及主被動控制措施尋求負荷最大化。值得補充的是,最大負荷不單單強調(diào)壓比最高,而是全面兼顧效率和裕度等指標(biāo)。

3)加功分布規(guī)律問題

多級風(fēng)扇/壓氣機中,設(shè)計點流向各級、各排之間以及單排葉片沿流向、法向加功量分布如何直接決定著全工況性能,然而該問題至今僅停留在因公司、設(shè)計師而異的經(jīng)驗層面,并未獲得根本解決。這實質(zhì)是壓縮系統(tǒng)流動三維曲率設(shè)計問題,而從設(shè)計方法看,體現(xiàn)為葉柵基元S1面內(nèi)流線曲率與通流S2流面內(nèi)流線曲率組合方式與規(guī)律的問題。該問題另外部分可表述為恰當(dāng)展弦比選擇問題,直接關(guān)系壓縮系統(tǒng)緊湊性。

4)三維葉片參數(shù)化問題

當(dāng)前風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計主要通過通流布局、中弧線疊加厚度分布、展向積疊以及基于三維CFD分析反復(fù)“補救”等步驟實現(xiàn),手段上實質(zhì)是二維的、“偽”全三維的,這與需要實現(xiàn)三維流線曲率控制的流動全局三維性存在矛盾。然而,除全三維流線曲率控制理論與方法至今仍毫無頭緒外,至少葉片參數(shù)化應(yīng)該是全三維的,而這也面臨困難:原有設(shè)計體系下,我們已經(jīng)習(xí)慣于基元葉柵+展向積疊的參數(shù)化模式,關(guān)于各造型參數(shù)影響重要性的認識也停留于此框架內(nèi),以至于非軸對稱端壁[21]、葉身融合[22]等都被看做是新技術(shù),但實質(zhì)是三維葉片參數(shù)化認識不足的問題。

5)流動黏性問題

湍流問題是流體力學(xué)的終極疑題,對風(fēng)扇/壓氣機內(nèi)部流動尤其如此,過去以采用Baldwin-Lomax(BL)、Spalart-Allmaras(SA)、k-ε 渦黏性模型的雷諾時均Navier-Stokes(RANS)模擬已經(jīng)使風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計水平及性能發(fā)生了翻天覆地的變化。近年更精細的脫體渦模擬(DES)、大渦模擬(LES)甚至直接數(shù)值模擬(DNS)成為可能,相關(guān)結(jié)果已經(jīng)顯現(xiàn)刻畫出流動的準(zhǔn)確性取得長足進步,但如何解讀這些結(jié)果并應(yīng)用于設(shè)計卻仍是大問題；圖15所示為某壓氣機RANS和LES模擬結(jié)果的密度梯度分布,可見流動差異之大。這對機理認識、設(shè)計體系完善提出了新要求。

圖15 RANS與LES結(jié)果對比Fig.15 Comparison of RANS and LES results

6)非定常設(shè)計問題

風(fēng)扇/壓氣機流動具有固有非定常屬性,但當(dāng)前設(shè)計體系采用摻混界面或凍結(jié)轉(zhuǎn)子法,無法包含非定常流動相位因素,完全忽略了非定常流動本質(zhì)。研究者一直期待嵌入時間維影響以獲得更高的時均性能、氣動彈性和氣動噪聲特性。這方面,21世紀初,有學(xué)者提出緣線匹配技術(shù)[23],見圖16,其以相鄰葉排相鄰前尾緣線空間相位關(guān)系為設(shè)計自由度,可以調(diào)控非定常流動相位。從2004年R.R公司論文看,至少該技術(shù)已應(yīng)用于渦輪葉片抑振設(shè)計(被另命名為 Wake Shaping技術(shù)[9]),見圖17,LEAP-X發(fā)動機高壓渦輪設(shè)計也是應(yīng)用此技術(shù)。盡管該技術(shù)處于初步概念研究階段,但正如Yao等[24]的綜述文章指出,該技術(shù)可能是非定常設(shè)計的關(guān)鍵。非定常設(shè)計另外重要的問題是,如何在一維、二維設(shè)計階段考慮非定常影響。

圖16 緣線匹配技術(shù)[23]Fig.16 Edge-matching technique[23]

7)復(fù)雜循環(huán)中的壓縮流動

近年來,許多復(fù)雜先進循環(huán)概念發(fā)動機被提上開發(fā)日程,使得風(fēng)扇/壓氣機發(fā)展面臨新問題。以圖18所示間冷壓氣機為例,其出現(xiàn)意味著壓氣機設(shè)計中必須考慮熱源、濕壓縮以及流路曲率、容積慣性影響,壓氣機與間冷器需要一體化設(shè)計,強流熱慣性引起的壓縮系統(tǒng)穩(wěn)定性問題需要考慮等。這些復(fù)雜循環(huán)帶來的問題一旦解決將為航空發(fā)動機發(fā)展迎來新機遇。

8)與飛機氣動布局關(guān)聯(lián)問題

為達到極致發(fā)揮飛機發(fā)動機一體化對于提升發(fā)動機效用的作用,需要將飛機氣動布局與發(fā)動機匹配精細到壓縮系統(tǒng)層面,以圖19所示進氣道嵌埋式飛機與推進系統(tǒng)為例,采取進氣道-風(fēng)扇耦合設(shè)計,甚至飛機-進氣道-風(fēng)扇耦合設(shè)計,均能帶來整體性能提升。再如F35B,其升力風(fēng)扇設(shè)計也需要精細到與飛機氣動布局匹配的層面。

圖17 抑振設(shè)計[9]Fig.17 Reducing vibration design[9]

圖18 間冷壓氣機新問題Fig.18 New problems of intercooling compressors

上述疑難問題根源在于風(fēng)扇/壓氣機流動假想模型與真實功能流動仍存在巨大差異,通過研究縮小該差異是提升風(fēng)扇/壓氣機繼而航空發(fā)動機水平的關(guān)鍵途徑。

2 我國風(fēng)扇/壓氣機領(lǐng)域存在的問題

我國航空工業(yè)發(fā)展至今,已經(jīng)具備了自主設(shè)計風(fēng)扇/壓氣機的能力,尤其自1990年開始建立的設(shè)計體系,為我國風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)能力提升做出了巨大貢獻。代表性成果包括級增壓比為2.2～2.3量級的單級風(fēng)扇ATS-2[25]和J285[26]、中等推力發(fā)動機風(fēng)扇和壓氣機、大推力發(fā)動機風(fēng)扇和壓氣機等。盡管如此,我國風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)領(lǐng)域仍存在下述問題制約著整體發(fā)展。

1)基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)研究的總體牽引偏弱

風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)遵循內(nèi)生的發(fā)展邏輯,但同時必須服務(wù)于航空發(fā)動機總體需求,否則,其性能指標(biāo)再高也無法集成為先進整機。因此,在總體牽引下開展風(fēng)扇/壓氣機基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)研究才有意義。但是,國內(nèi)風(fēng)扇/壓氣機領(lǐng)域前瞻基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)研究相對偏重,按其技術(shù)內(nèi)生邏輯發(fā)展,單方面追求高壓比、高效率,總體牽引卻偏弱。主要體現(xiàn)在國內(nèi)根據(jù)總體發(fā)展需求提出基礎(chǔ)與創(chuàng)新技術(shù)能力不足,這方面,美、俄等發(fā)達國家則做得很好,能夠憑借總體概念預(yù)研驅(qū)動風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)創(chuàng)新[27-28],例如升力風(fēng)扇、核心機驅(qū)動(多路排氣)風(fēng)扇、間冷壓氣機等技術(shù)創(chuàng)新都是在這種情況下出現(xiàn)的。

2)基礎(chǔ)研究系統(tǒng)性、全面性、深入度不足

長期以來,與行業(yè)一致,風(fēng)扇/壓氣機領(lǐng)域也是難甩測仿思維定勢,力圖多快好省,不肯也等不及基礎(chǔ)研究,造成該領(lǐng)域基礎(chǔ)研究系統(tǒng)性、全面性、深入度不足。

① 相關(guān)流動機理認識、理論建模、方法開發(fā)不足,尤其針對前述構(gòu)型選擇、最大負荷、加功分配、三維葉片參數(shù)化、黏性流動等風(fēng)扇/壓氣機領(lǐng)域疑難問題幾乎尚無系統(tǒng)全面的研究。

②數(shù)值、試驗獲得的基礎(chǔ)與工程數(shù)據(jù)積累少、系統(tǒng)性差、缺乏解讀和經(jīng)驗關(guān)系提煉、難以利用。突出的例子是,歐美關(guān)于擴壓通道的大量基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)總結(jié)為圖20所示最大壓升能力規(guī)律[29],是一維設(shè)計與特性分析的關(guān)鍵經(jīng)驗關(guān)系。國內(nèi)至今尚未開展此項工作,僅參考國外略去細節(jié)的文獻和引進一維程序,未掌握其條件、范圍,難以支撐一維方法的消化吸收和拓展提升。

圖20 Koch擴壓通道最大靜壓升試驗經(jīng)驗關(guān)系[29]Fig.20 Koch’s maximum effective static pressure rise coefficient[29]

③輕視核心方法與工具系統(tǒng)的持續(xù)自主研發(fā)。這方面最突出表現(xiàn)在二維正問題、三維CFD工具以及核心測試方法開發(fā)上。二維正問題方法對多級壓氣機設(shè)計極其關(guān)鍵,其開發(fā)因需要凝練大量試驗數(shù)據(jù)積累而異常困難,因而以俄羅斯為例,CIAM等研究機構(gòu)一直維持幾個團隊堅持自主開發(fā)工作。三維CFD也是如此,僅以美國的一個大型程序FUN3D開發(fā)為例,NASA常年維持20人左右團隊專職對其持續(xù)開發(fā)完善[30]。

3)技術(shù)體系較全但可靠性弱

迄今,國內(nèi)風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)體系是較為完備的,但更新完善卻止步不前,細節(jié)也常需要繼續(xù)推敲。以現(xiàn)今氣動設(shè)計體系為例,該體系主體引進于俄羅斯,固化了20世紀90年代以前的研究成果,至今未能完全消化吸收并升級換代。更大的問題在于,體系中各程序所用經(jīng)驗關(guān)系原理、適用范圍、使用規(guī)范的細節(jié)尚不清晰,體現(xiàn)在設(shè)計上的可靠性較差,撞運氣成分居多。這一點在多級軸流壓氣機設(shè)計上較為明顯。實際上,大到負荷分布規(guī)律問題,小到葉排軸向間距選取,國內(nèi)仍未有足夠可靠的經(jīng)驗和認識,面對新設(shè)計任務(wù),不得已參考國外,難以真正自主設(shè)計并走出自己的特色之路。

4)創(chuàng)新與前瞻儲備不足

充分利用、挖掘測繪反設(shè)計的成果,在此基礎(chǔ)上進行科技創(chuàng)新的前瞻研究,形成技術(shù)儲備是風(fēng)扇/壓氣機領(lǐng)域乃至航空發(fā)動機發(fā)展的保障。國內(nèi)在此方面嚴重不足,主要體現(xiàn)在:

① 最大負荷設(shè)計始終是風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)創(chuàng)新方向。近年來,大小葉片技術(shù)在提高小流量風(fēng)扇/低壓壓氣機負荷能力方面取得了巨大成功,但在應(yīng)用于高輪轂比、流路變化平緩的高壓壓氣機以提高負荷的努力卻遭遇困難；應(yīng)用流動控制技術(shù)提高負荷卻因缺少嚴謹?shù)暮暧^效益分析而顯得任意；提高單級負荷、減少級數(shù)卻常導(dǎo)致總的軸向弦長超過低負荷、多級數(shù)情況等,尚無法為先進發(fā)動機研制提供堅實支撐。

② 多路排氣風(fēng)扇/壓氣機是變循環(huán)發(fā)動機牽引的創(chuàng)新方向。國內(nèi)目前雖有研究,但對于不同工況三維流動曲率組織關(guān)注不夠,未與總體結(jié)合進行細致設(shè)計與評估。

③ 精細化設(shè)計是發(fā)展趨勢,而高性能風(fēng)扇/壓氣機精細化設(shè)計越來越人力難為,必須依靠計算機優(yōu)化,而常規(guī)優(yōu)化方法計算量隨設(shè)計參數(shù)數(shù)目增多呈指數(shù)增長,無法實用。伴隨方法計算量不隨參數(shù)數(shù)目變化的優(yōu)勢使其成為精細化設(shè)計的唯一候選。事實上,R.R公司10年前已經(jīng)將此方法納入設(shè)計體系,至今仍不斷完善。國內(nèi)尚未給予足夠重視。

④ 非定常設(shè)計是風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計方法發(fā)展的符合學(xué)術(shù)邏輯的終極理想,但迄今為止停滯不前。一方面受阻于非定常流動模擬方法發(fā)展仍不足以用于工程設(shè)計,另一方面,如何從海量結(jié)果數(shù)據(jù)中抽提關(guān)鍵設(shè)計決策信息,非定常設(shè)計的抓手在哪?這些問題是非定常設(shè)計的重要阻障。值得一提的是,國內(nèi)原創(chuàng)的緣線匹配技術(shù)可能是非定常設(shè)計的重要抓手。

上述問題未盡全部,但可見一斑,風(fēng)扇/壓氣機領(lǐng)域需要認真對待。

3 發(fā)展思考

未來10～20年是我國航空發(fā)動機科技發(fā)展的機遇期,千載難逢,必須做好充分準(zhǔn)備。就風(fēng)扇/壓氣機氣動而言,鑒于前述國際發(fā)展態(tài)勢和國內(nèi)存在的問題,應(yīng)該做好3個層次的工作:

一是拾遺補缺、繼承發(fā)展。從風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)基本內(nèi)在需求出發(fā),進行基礎(chǔ)與工程試驗數(shù)據(jù)庫、設(shè)計體系的資源整合、補充、評估、規(guī)范化等創(chuàng)新。

二是夯實基礎(chǔ)、拓展提高。深化機理研究與模型提煉,進行設(shè)計體系完善化開發(fā),工程實踐風(fēng)扇/壓氣機先進設(shè)計理論與方法,與國際水平接軌。

三是勇于挑戰(zhàn)、探索超越。前瞻未來發(fā)展,挑戰(zhàn)風(fēng)扇/壓氣機負荷最大化,探索新概念風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)。形成比肩乃至超越發(fā)達國家的核心競爭力。

總括上述3個層次工作,后續(xù)的具體發(fā)展方向如下:

1)基礎(chǔ)與工程試驗數(shù)據(jù)庫的建設(shè)與應(yīng)用

搜集、整理國內(nèi)外現(xiàn)有各型風(fēng)扇/壓氣機基礎(chǔ)與工程試驗數(shù)據(jù),并以支撐設(shè)計參數(shù)借鑒、設(shè)計方法開發(fā)、設(shè)計體系校驗為根本目的,進行參數(shù)化歸類、系統(tǒng)補缺、設(shè)計解讀、準(zhǔn)則提煉,建立和應(yīng)用風(fēng)扇/壓氣機基礎(chǔ)與工程試驗數(shù)據(jù)庫。

① 基礎(chǔ)試驗。主要工作包括:軸向、徑向擴壓通道擴壓能力試驗；典型葉柵性能和設(shè)計參數(shù)(自身)相關(guān)性試驗；大折轉(zhuǎn)亞聲速葉柵、超聲速葉柵試驗；大小葉片、串列葉柵試驗；前緣、角區(qū)和泄漏流動試驗；多級壓氣機端區(qū)流動發(fā)展的試驗；典型徑向擴壓器氣動性能及流場試驗；軸流葉柵氣動彈性試驗等。

②工程試驗。主要工作包括:典型首級風(fēng)扇；帶內(nèi)外涵路風(fēng)扇試驗；典型多級軸流壓氣機氣動性能試驗及排間參數(shù)測量；單級、多級斜流/離心壓氣機；軸流-斜流/離心組合壓氣機氣動性能試驗及排間參數(shù)測量。

③ 試驗件的設(shè)計解析。主要工作包括:基礎(chǔ)試驗的關(guān)聯(lián)分析；試驗件設(shè)計參數(shù)化歸類；國外收集、國內(nèi)現(xiàn)有試驗件的設(shè)計反演；試驗設(shè)計的數(shù)值解析；規(guī)律、準(zhǔn)則歸納提煉。

④ 試驗數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建與集成。

2)設(shè)計體系資源整合、評估、規(guī)范化

梳理現(xiàn)有設(shè)計體系資源(數(shù)據(jù)、工具、規(guī)范),深刻掌握現(xiàn)有設(shè)計體系資源的理論、方法、準(zhǔn)則、機理基礎(chǔ),依靠已掌握風(fēng)扇/壓氣機、離心壓氣機基礎(chǔ)與工程試驗數(shù)據(jù)庫,逐一評估和標(biāo)定一維設(shè)計、二維設(shè)計、三維分析等設(shè)計體系核心工具,系統(tǒng)評估設(shè)計體系自洽性,完成設(shè)計體系使用的規(guī)范化,大幅提高現(xiàn)有設(shè)計體系的工程可靠度。

① 現(xiàn)有設(shè)計體系資源梳理。主要工作包括:梳理現(xiàn)有設(shè)計體系的數(shù)據(jù)、工具、規(guī)范資源；梳理設(shè)計體系的理論、方法、機理基礎(chǔ)。

②現(xiàn)有設(shè)計資源評估與標(biāo)定。主要工作包括:一維設(shè)計與一維特性分析、優(yōu)化,二維通流設(shè)計與通流特性分析、優(yōu)化；S1分析與反問題設(shè)計、葉片造型、三維CFD分析(網(wǎng)格、格式、轉(zhuǎn)挨與湍流模型等)等設(shè)計和分析工具的評估與標(biāo)定；設(shè)計系統(tǒng)自洽性研究；設(shè)計規(guī)范研究。

3)設(shè)計體系完善性開發(fā)

在設(shè)計體系資源整合、評估、規(guī)范化基礎(chǔ)上,著眼彌補設(shè)計體系在機理、模型、方法等方面相對國外現(xiàn)狀的重要差距,著眼滿足風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計系統(tǒng)自洽性,補充必要的設(shè)計、分析、優(yōu)化工具,對現(xiàn)有設(shè)計體系進行完善和提升,并針對性地進行校驗、評估、規(guī)范化,實現(xiàn)設(shè)計體系與國際發(fā)達水平同步。

① 快速一維設(shè)計循環(huán)研究。結(jié)合近年風(fēng)扇/壓氣機發(fā)展,改進一維模型與設(shè)計、特性分析與優(yōu)化方法；風(fēng)扇/壓氣機及容腔系統(tǒng)瞬態(tài)特性分析的一維方法；氣彈特性和氣動噪聲特性分析與優(yōu)化的一維方法。

②性能定制二維設(shè)計循環(huán)研究。考慮端壁黏性的風(fēng)扇/壓氣機通流設(shè)計方法；適應(yīng)高負荷、高流路曲率變化的風(fēng)扇/壓氣機特性分析的二維方法；風(fēng)扇/壓氣機及容腔系統(tǒng)瞬態(tài)特性分析的二維方法。

③葉片參數(shù)化造型研究。葉片性能與幾何參數(shù)相關(guān)性研究；風(fēng)扇/壓氣機第3代全三維參數(shù)化造型技術(shù)；相關(guān)校驗、評估、規(guī)范化。

④ 高精度定常/非定常、線化/非線性三維CFD研究。高質(zhì)量網(wǎng)格技術(shù)及網(wǎng)格依賴性；高精度格式適應(yīng)性；先進轉(zhuǎn)挨模型、湍流模型；非定常計算方法研究；定常/非定?；旌嫌嬎悖欢ǔ?非定常伴隨優(yōu)化方法；三維高效綜合優(yōu)化方法；大規(guī)模并行計算；結(jié)果后處理與解讀；校驗標(biāo)定與規(guī)范化。

⑤非定常設(shè)計與多學(xué)科綜合優(yōu)化研究?？焖傩巫兎治?；靜強度分析；動強度分析；顫振預(yù)測；靜態(tài)與動態(tài)溫度場預(yù)測；以緣線匹配為設(shè)計自由度,開展氣動與靜強度、動強度、氣彈特性、噪聲特性綜合優(yōu)化。

⑥ 仿真、設(shè)計、優(yōu)化體系軟件化工具與平臺建設(shè)。

4)壓氣機先進設(shè)計理論與方法研究

針對先進風(fēng)扇/壓氣機、組合壓氣機,在設(shè)計體系不斷完善性開發(fā)基礎(chǔ)上,深入認識流動機理,系統(tǒng)掌握基本設(shè)計規(guī)律,進一步使先進設(shè)計、分析、優(yōu)化方法與設(shè)計實踐融合,攻關(guān)關(guān)鍵設(shè)計難題并進行試驗驗證,使風(fēng)扇/壓氣機工程設(shè)計達到國際水平。

① 風(fēng)扇/壓氣機氣動熱力布局及機理研究。系統(tǒng)開展風(fēng)扇/壓氣機氣動熱力布局研究；風(fēng)扇/壓氣機葉片參數(shù)與葉排內(nèi)部流動機理(角區(qū)、葉端間隙)；風(fēng)扇/壓氣機排間匹配；進氣道/風(fēng)扇/壓氣機匹配；風(fēng)扇/壓氣機非定常流動機理及排間間隙影響；工程實用的流動控制機制。

② 風(fēng)扇/壓氣機基本設(shè)計規(guī)律研究與驗證。深刻掌握總體要求和風(fēng)扇/壓氣機流動機理設(shè)計的全局理念；先進風(fēng)扇設(shè)計、驗證、規(guī)律及其規(guī)范化；進氣道、風(fēng)扇、內(nèi)外涵路配合；先進多級壓氣機設(shè)計、驗證、規(guī)律及其規(guī)范化；壓氣機流動與性能的低速大尺寸模擬技術(shù)；多級軸流壓氣機試驗調(diào)試技術(shù)；風(fēng)扇/壓氣機內(nèi)流動控制措施應(yīng)用技術(shù)；設(shè)計體系可靠性分析與驗證。

③ 風(fēng)扇/壓氣機多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計研究。進氣道/風(fēng)扇/內(nèi)外涵路的噪聲預(yù)測與抑制設(shè)計；風(fēng)扇/壓氣機強迫振動、顫陣預(yù)測技術(shù)與改進設(shè)計。

5)壓氣機負荷最大化研究

針對推重比為12以上渦扇發(fā)動機需求,從基元葉柵、葉身積疊、排間匹配及流動控制4個方面出發(fā)繼續(xù)提高風(fēng)扇/壓氣機負荷水平,掌握相關(guān)流動機理,開發(fā)相應(yīng)設(shè)計技術(shù),開展試驗驗證,積累關(guān)鍵試驗數(shù)據(jù),提煉設(shè)計準(zhǔn)則和規(guī)范,建立并完善風(fēng)扇/壓氣機負荷最大化設(shè)計理論方法,此處最大負荷為單位軸向尺度內(nèi)負荷最大化。

① 風(fēng)扇/壓氣機負荷最大化的總體研究。發(fā)動機總體對風(fēng)扇壓氣機負荷最大化的需求分析；風(fēng)扇/壓氣機負荷最大化潛力研究。

② 風(fēng)扇/壓氣機負荷最大化的機理研究。根據(jù)負荷最大化潛力因素分解,研究相關(guān)因素的影響機理和改進潛力。

③ 風(fēng)扇/壓氣機負荷最大化的關(guān)鍵設(shè)計方法研究。負荷最大化的方案設(shè)計技術(shù)；負荷最大化導(dǎo)致的設(shè)計體系模型修正；端區(qū)流動組織；通流空間全三維參數(shù)化造型；基于伴隨的反問題和全三維定常氣動/非定常流固耦合優(yōu)化。

④ 風(fēng)扇/壓氣機負荷最大化設(shè)計與驗證。超跨聲速風(fēng)扇/壓氣機級負荷最大化系列設(shè)計與驗證；(對應(yīng)推重比超過12)風(fēng)扇/壓氣機最大負荷系列設(shè)計與驗證；進氣道/風(fēng)扇/壓氣機/內(nèi)外涵路一體化設(shè)計與驗證。

6)新概念風(fēng)扇/壓氣機

面向航空發(fā)動機長遠發(fā)展,開展新概念風(fēng)扇/壓氣機預(yù)先研究,探索掌握其基本性能、適用范圍,為后續(xù)發(fā)展提供技術(shù)儲備。具體研究方向如表1所示[28]。

4 結(jié)束語

總結(jié)了風(fēng)扇/壓氣機領(lǐng)域的國際發(fā)展態(tài)勢和國內(nèi)存在的技術(shù)問題,并對后續(xù)發(fā)展思路和方向給出了建議?？傮w來看,與航空發(fā)動機科技發(fā)展相通,風(fēng)扇/壓氣機領(lǐng)域發(fā)展需要重視基礎(chǔ)研究、重視研究工作的系統(tǒng)性、重視螺旋上升的研究規(guī)律,過去想過的,仍可能是今天、明天的問題；過去做過的,未必不需要繼續(xù)深化；過去行不通的,未必今天仍然行不通。傳統(tǒng)科技難以創(chuàng)新,掌握不易、出成績更難,對于風(fēng)扇/壓氣機領(lǐng)域的技術(shù)研究是系統(tǒng)工程,后續(xù)需要高校、研究機構(gòu)和企業(yè)通力協(xié)作,開創(chuàng)中國航空發(fā)動機科技與產(chǎn)業(yè)新局面。

表1 新概念風(fēng)扇/壓氣機示例[28]Table 1 Instance of new concept fan/compressor[28]

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