■ 安利平 羅秋生 劉昭威 王子登 / 中國(guó)航發(fā)渦輪院

作為航空軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的核心，通流設(shè)計(jì)方法經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，有力地支撐了壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系。但傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可視化設(shè)計(jì)缺乏、設(shè)計(jì)操作效率低等問(wèn)題，加之新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求不斷提高，使得壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn)。

先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)基本采用多級(jí)軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)，壓氣機(jī)的總壓比、效率、穩(wěn)定裕度等核心指標(biāo)直接決定了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能的先進(jìn)性，因此，航空軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)一直是各研究機(jī)構(gòu)的研發(fā)重點(diǎn)。

為進(jìn)行軸流壓氣機(jī)氣動(dòng)方案設(shè)計(jì)，吳仲華于1952年提出了兩類(lèi)相對(duì)流面理論，將復(fù)雜的三維流動(dòng)流場(chǎng)分解為S1、S2兩個(gè)流面上的二維流動(dòng)問(wèn)題來(lái)求解，為葉輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算奠定了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，并最早在S2流面上推導(dǎo)出壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的完整計(jì)算方法，這一方法后來(lái)也被稱為壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展與積累，通流設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心。即便在計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)日趨成熟、計(jì)算機(jī)水平突飛猛進(jìn)的今天，通流設(shè)計(jì)在壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)中仍是最為基礎(chǔ)和核心的環(huán)節(jié)。

通流設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期積累、不斷完善的過(guò)程。通流設(shè)計(jì)技術(shù)水平直接體現(xiàn)了壓氣機(jī)設(shè)計(jì)部門(mén)的技術(shù)能力。提升通流設(shè)計(jì)能力只有通過(guò)完全的自主研發(fā)，才能掌握核心技術(shù)方法，獲得符合工程設(shè)計(jì)實(shí)際需求的通流設(shè)計(jì)程序和軟件，從而形成完全自主的通流設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)體系。

通流設(shè)計(jì)面臨的新問(wèn)題和新挑戰(zhàn)

通流設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，經(jīng)歷不斷的積累完善和工程實(shí)踐驗(yàn)證，已經(jīng)成為壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的核心支柱。但也需要清醒地認(rèn)識(shí)到，當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能要求不斷提高，壓縮部件設(shè)計(jì)也呈現(xiàn)出新的趨勢(shì)和特點(diǎn)。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展，以及系統(tǒng)工程方法在項(xiàng)目運(yùn)行中的應(yīng)用，已有的通流設(shè)計(jì)方法和工具也面臨新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

新型壓縮部件的通流設(shè)計(jì)問(wèn)題

當(dāng)前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求體現(xiàn)出全新的特點(diǎn)。高效、節(jié)能、環(huán)保、安靜成為民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的最為重視的關(guān)鍵詞，而變循環(huán)、熱管理、電磁紅外隱身設(shè)計(jì)等全新設(shè)計(jì)概念也逐步應(yīng)用于軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)當(dāng)中。航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求的全新變化，使得壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)也面臨新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，下面以變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和升力風(fēng)扇的壓縮部件為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

圖1 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮部件及通流設(shè)計(jì)

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮部件的結(jié)構(gòu)（如圖1所示）與傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比更為復(fù)雜。整個(gè)壓縮部件共包括3個(gè)涵道，在第三外涵道處采用了葉尖風(fēng)扇（Flade）設(shè)計(jì)，核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇（CDFS）與高壓壓氣機(jī)為同軸驅(qū)動(dòng)，在CDFS之后有較大的流量被分配到第二外涵道。變循環(huán)壓縮部件多涵道、多狀態(tài)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的通流設(shè)計(jì)提出了新的要求。通流設(shè)計(jì)需要滿足多涵道、不同流量分配下的壓氣機(jī)S2流面性能參數(shù)計(jì)算，從而滿足變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)壓縮系統(tǒng)多工況下的性能要求。

升力風(fēng)扇（如圖2所示）是垂直起降推進(jìn)系統(tǒng)的重要部件。與傳統(tǒng)的壓氣機(jī)部件不同，它采用兩級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)軸從機(jī)匣進(jìn)入，與旋轉(zhuǎn)軸垂直，出口支板和出氣段流道采用非軸對(duì)稱設(shè)計(jì)。以上設(shè)計(jì)特點(diǎn)需要壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)在對(duì)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)、非軸對(duì)稱布局等方面進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，以滿足特定壓縮部件的設(shè)計(jì)需求。

此外，吸附式壓氣機(jī)、大小葉片、組合壓氣機(jī)等壓氣機(jī)技術(shù)也對(duì)通流設(shè)計(jì)方法提出了新的要求。

圖2 對(duì)轉(zhuǎn)升力風(fēng)扇基本結(jié)構(gòu)

可視化圖形交互通流設(shè)計(jì)軟件需求

由于多數(shù)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)程序開(kāi)發(fā)較早，一些實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，部分功能已經(jīng)相對(duì)落后，影響了設(shè)計(jì)程序的使用和設(shè)計(jì)效率的提升，主要集中體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

一是數(shù)據(jù)輸入輸出操作繁瑣易錯(cuò)。由于一些原始程序開(kāi)發(fā)時(shí)間較早，受開(kāi)發(fā)年代的技術(shù)限制，通流設(shè)計(jì)程序全部采用數(shù)據(jù)文本文件進(jìn)行計(jì)算的輸入和結(jié)果的輸出。以一個(gè)8級(jí)壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)為例，其輸入數(shù)據(jù)1100余行，輸出數(shù)據(jù)2400余行，數(shù)據(jù)輸入量大，設(shè)計(jì)人員需要花費(fèi)較多的時(shí)間在數(shù)據(jù)文件的編輯與整理上，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)效率。

二是圖形交互設(shè)計(jì)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)需要進(jìn)行大量的曲線編輯以及調(diào)整操作，子午面幾何、性能參數(shù)沿葉高的分布等參數(shù)均采用各類(lèi)曲線表示。在以往的通流設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員在文本編輯器中進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，然后采用第三方繪圖軟件進(jìn)行曲線繪制，判斷曲線設(shè)計(jì)是否合理，并對(duì)不合理處進(jìn)行修改，如此反復(fù)，直至滿足設(shè)計(jì)需求。因此，壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)對(duì)圖形交互設(shè)計(jì)功能的需求較為迫切，而核心設(shè)計(jì)程序由于開(kāi)發(fā)時(shí)間較早，所采用的程序語(yǔ)言不支持可視化圖形程序設(shè)計(jì)。

三是數(shù)據(jù)版本管理不夠科學(xué)規(guī)范。壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了獲取較好的設(shè)計(jì)性能，需要進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)迭代，同時(shí)在與其他學(xué)科進(jìn)行協(xié)調(diào)的過(guò)程中，往往也需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行多次不同程度的修改。因此，版本管理在壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)中十分重要。運(yùn)用科學(xué)的版本管理，采用不同版本之間的對(duì)比設(shè)計(jì)，有助于提高設(shè)計(jì)水平，同時(shí)能夠保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與來(lái)源的可靠性和可追溯性，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。而在以往的設(shè)計(jì)過(guò)程中，版本管理完全依靠設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣，數(shù)據(jù)管理不成體系，版本之間的對(duì)比設(shè)計(jì)也難以實(shí)現(xiàn)，影響了設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

通流設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)

為進(jìn)一步提升壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)水平與設(shè)計(jì)效率，應(yīng)通過(guò)通流設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)操作流程，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)技術(shù)方法和軟件的完全自主研發(fā)。壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)的工作應(yīng)主要集中在以下幾方面。

通流設(shè)計(jì)方法的持續(xù)研究

雖然通流設(shè)計(jì)的核心基礎(chǔ)算法已經(jīng)較為成熟，求解的有效性和穩(wěn)定性也經(jīng)過(guò)了多年的工程檢驗(yàn)，但隨著壓氣機(jī)負(fù)荷的不斷提高，以及壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)的通流設(shè)計(jì)方法需要開(kāi)展持續(xù)深入的研究，在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮O(shè)計(jì)算法方面持續(xù)優(yōu)化、創(chuàng)新，以適應(yīng)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的全新需求。

一是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母倪M(jìn)優(yōu)化。通流設(shè)計(jì)過(guò)程中所采用的一系列經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜎Q定了通流設(shè)計(jì)的計(jì)算精度，主要包括損失模型、落后角模型、最佳迎角模型等，其中損失模型又包括葉型損失、摻混損失、激波損失、端壁邊界層損失等，上述模型多是基于20世紀(jì)70年代平面葉柵試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)發(fā)展而來(lái)。例如，通常所用的落后角模型（如圖3所示）為不同稠度（σ）下落后角隨進(jìn)口氣流角的變化經(jīng)驗(yàn)曲線。在通流設(shè)計(jì)中會(huì)應(yīng)用大量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型曲線，隨著壓氣機(jī)負(fù)荷不斷提高，三維效應(yīng)愈發(fā)明顯，部分模型的計(jì)算精度已經(jīng)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母倪M(jìn)優(yōu)化實(shí)際上是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以往的工程設(shè)計(jì)過(guò)程中積累的大量壓氣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚峁┝藢氋F的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷男拚粌H可以采用人工調(diào)整對(duì)比設(shè)計(jì)結(jié)果的方法進(jìn)行，也可以結(jié)合多種非線性優(yōu)化算法（如遺傳算法、響應(yīng)面算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）等進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)參數(shù)范圍的自主尋優(yōu)，以提升經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算精度。

二是創(chuàng)新通流設(shè)計(jì)算法研究。矩陣通流和流線曲率等傳統(tǒng)的通流設(shè)計(jì)方法已經(jīng)成為較為成熟，但在當(dāng)前新的設(shè)計(jì)需求下（如多涵道、大曲率變化等），出現(xiàn)了計(jì)算穩(wěn)定性不足、設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際流動(dòng)偏差較大的問(wèn)題。同時(shí)，傳統(tǒng)通流設(shè)計(jì)在軸向超聲流動(dòng)求解過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多解問(wèn)題，因此發(fā)展新的通流設(shè)計(jì)計(jì)算方法有現(xiàn)實(shí)的工程意義。當(dāng)前，將計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)應(yīng)用于壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)的研究逐步發(fā)展，已經(jīng)具備應(yīng)用條件；采用時(shí)間推進(jìn)方法求解S2流面上簡(jiǎn)化的納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，可以捕捉葉輪機(jī)S2流面徑向流動(dòng)摻混，同時(shí)也不受以往通流設(shè)計(jì)軸向氣流不能超聲速的限制；計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的發(fā)展，使得時(shí)間推進(jìn)求解速度大大增加，常規(guī)設(shè)計(jì)算例只需1～2min即可得到收斂解。圖4為采用基于時(shí)間推進(jìn)求解S2流面方程的多級(jí)軸流壓氣機(jī)計(jì)算網(wǎng)格和計(jì)算結(jié)果。

圖3 通流設(shè)計(jì)落后角經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖 4 時(shí)間推進(jìn)通流求解多級(jí)壓氣機(jī)流動(dòng)

可視化圖形交互通流設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)

航空多級(jí)軸流壓氣機(jī)的通流設(shè)計(jì)的專業(yè)性較強(qiáng)、技術(shù)領(lǐng)域相對(duì)集中，所以雖然算法程序在不斷更新升級(jí)，但圖形化交互設(shè)計(jì)的發(fā)展相對(duì)滯后，影響了設(shè)計(jì)效率的提升。隨著科技的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)深入工程領(lǐng)域的方方面面。可視化圖形交互設(shè)計(jì)能夠有效提升設(shè)計(jì)軟件的易用性和直觀性，提高設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性和有效性，減少設(shè)計(jì)人員重復(fù)性操作，提高設(shè)計(jì)效率。

為此，筆者所在單位開(kāi)發(fā)了可視化圖形交互通流設(shè)計(jì)軟件。該軟件集成了已有的通流設(shè)計(jì)程序，對(duì)幾何參數(shù)、性能參數(shù)、設(shè)計(jì)結(jié)果和準(zhǔn)則參數(shù)均可進(jìn)行圖形化顯示（如圖5所示）。設(shè)計(jì)人員通過(guò)可視化交互操作，完成數(shù)據(jù)的修改和分析工作，避免了繁瑣的數(shù)據(jù)文本修改過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，將壓氣機(jī)專業(yè)多年積累的設(shè)計(jì)流程和部分設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)嵌入軟件當(dāng)中，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，有效提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)版本管理及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化

圖5 可視化通流設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)

圖6 不同版本對(duì)比通流設(shè)計(jì)

壓氣機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)迭代修正的過(guò)程。隨著設(shè)計(jì)過(guò)程的深入，所面臨的設(shè)計(jì)問(wèn)題不斷顯現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員通常需要不斷修改自己的設(shè)計(jì)，在不同的設(shè)計(jì)階段會(huì)形成不同的設(shè)計(jì)版本。在開(kāi)發(fā)壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)軟件時(shí)，應(yīng)將數(shù)據(jù)版本管理及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化作為重要內(nèi)容，與設(shè)計(jì)軟件共同開(kāi)發(fā)，使得設(shè)計(jì)軟件具備數(shù)據(jù)版本管理功能。直接通過(guò)這種設(shè)計(jì)軟件，不僅能夠?qū)簹鈾C(jī)專業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)版本的合理規(guī)劃管理，還能與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接，滿足上一級(jí)設(shè)計(jì)體系對(duì)數(shù)據(jù)的管理要求；建立科學(xué)的版本命名規(guī)則，使得版本管理更為清晰明確；通過(guò)建立合理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，將設(shè)計(jì)人員和設(shè)計(jì)時(shí)間與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共同存儲(chǔ)，保證了數(shù)據(jù)來(lái)源的可追溯性，有效提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量；同時(shí)，開(kāi)發(fā)多版本設(shè)計(jì)對(duì)比功能（如圖6所示），將數(shù)據(jù)版本管理與設(shè)計(jì)功能有機(jī)結(jié)合，大幅度提高了設(shè)計(jì)修正的對(duì)比直觀性，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)效率。

結(jié)束語(yǔ)

軸流壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)系統(tǒng)的自主建設(shè)關(guān)乎壓氣機(jī)專業(yè)的核心設(shè)計(jì)能力，是實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)需求到工程產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。壓氣機(jī)通流設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期積累、不斷完善的過(guò)程。只有面向工程實(shí)際，堅(jiān)持自主研究通流設(shè)計(jì)算法，堅(jiān)持自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工具，建立健全滿足壓氣機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)流程、符合設(shè)計(jì)習(xí)慣的通流設(shè)計(jì)系統(tǒng)，才能夠不斷提升壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)水平，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)正向設(shè)計(jì)體系建設(shè)提供有力技術(shù)支撐。