■ 李定乃 蔡建兵 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和構(gòu)型，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量的技術(shù)，是連接發(fā)動(dòng)機(jī)性能、結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的橋梁，是建立基于多學(xué)科的高效綜合設(shè)計(jì)體系的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合論證評(píng)估和綜合優(yōu)化。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)性的重要指標(biāo),是由發(fā)動(dòng)機(jī)的流量、涵道比、壓比、渦輪前溫度、轉(zhuǎn)速等設(shè)計(jì)參數(shù)和構(gòu)型確定的。在發(fā)動(dòng)機(jī)方案論證階段主要是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)分析確定滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，而此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的設(shè)計(jì)還未開(kāi)始，無(wú)法獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和質(zhì)量，需要一種能快速把設(shè)計(jì)參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和質(zhì)量關(guān)聯(lián)起來(lái)的技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)分析時(shí)，運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)，可以把所選擇的循環(huán)參數(shù)所對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的尺寸和質(zhì)量估算出來(lái)，使之具體化，進(jìn)而在保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能的基礎(chǔ)上，開(kāi)展以發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和質(zhì)量為目標(biāo)的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化工作。在中國(guó)航發(fā)運(yùn)營(yíng)管理體系（AEOS）的建設(shè)中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算提出了更高的要求，因此，很有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行分析研究，總結(jié)相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估

算方法及特點(diǎn)分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算方法主要有兩種：一是利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)擬合的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法；二是根據(jù)部件簡(jiǎn)化構(gòu)型計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)部件質(zhì)量的構(gòu)型法。用于估算發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)公式稱為質(zhì)量模型，是一種自上而下的分析，它基于已有的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析，確定設(shè)計(jì)參數(shù)與質(zhì)量之間的函數(shù)關(guān)系。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快、算法簡(jiǎn)單，但當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)明顯偏離數(shù)據(jù)樣本時(shí)，其估算精度可能會(huì)降低。構(gòu)型法是一種自下向上的分析，通過(guò)部件的形狀、尺寸和材料等計(jì)算部件質(zhì)量，進(jìn)而得到發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量。這種方法的精度較高、適用性廣，但計(jì)算量大、算法復(fù)雜。航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式法向構(gòu)型法發(fā)展，由整機(jī)級(jí)向部件級(jí)細(xì)化發(fā)展。

經(jīng)驗(yàn)公式法

經(jīng)驗(yàn)公式法有整機(jī)級(jí)和部件級(jí)兩種模型。

整機(jī)級(jí)經(jīng)驗(yàn)公式是指發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)直接與發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)尺寸和質(zhì)量的關(guān)系曲線。這些經(jīng)驗(yàn)公式主要通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法，把發(fā)動(dòng)機(jī)流量、涵道比、壓比、渦輪前溫度、轉(zhuǎn)速等發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)以及代表發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平因子的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)間或者定型時(shí)間作為統(tǒng)計(jì)變量，建立變量與發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)尺寸和質(zhì)量的關(guān)系式。整機(jī)級(jí)經(jīng)驗(yàn)公式的估算精度不高，而且與所選取的發(fā)動(dòng)機(jī)樣本的數(shù)量和類型有很大關(guān)系。波音公司通過(guò)對(duì)350臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)尺寸及質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)驗(yàn)證約有85%的發(fā)動(dòng)機(jī)估算質(zhì)量在±15%誤差帶以內(nèi)。

部件級(jí)經(jīng)驗(yàn)公式是指把發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)分解到各部件，得出各部件的設(shè)計(jì)參數(shù)與尺寸和質(zhì)量之間的關(guān)系曲線，再通過(guò)部件的尺寸和質(zhì)量組合成整機(jī)的尺寸和質(zhì)量。部件級(jí)經(jīng)驗(yàn)公式可以把發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量細(xì)分至每個(gè)部件，進(jìn)行部件級(jí)尺寸和質(zhì)量估算。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）劉易斯（1999年更名為格倫）研究中心通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化部件模型的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)展建立了估算風(fēng)扇、風(fēng)扇過(guò)渡段、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、框架和附件等軸流部件尺寸和質(zhì)量的公式，其精度在±10%以內(nèi)。法國(guó)航空航天研究院（ONERA）通過(guò)簡(jiǎn)化部件模型建立了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件尺寸和質(zhì)量估算公式，并在發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)和最優(yōu)化CREATION平臺(tái)中進(jìn)行了應(yīng)用[1]。

構(gòu)型法

構(gòu)型法是通過(guò)給定發(fā)動(dòng)機(jī)和部件氣動(dòng)參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于發(fā)動(dòng)機(jī)部件的二維流道設(shè)計(jì)方法并采用一些成熟的經(jīng)驗(yàn)公式，建立各主要部件的尺寸和質(zhì)量估算方法，從而獲得整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和質(zhì)量。部件設(shè)計(jì)參數(shù)包括壓力、最高溫度、材料、幾何形狀、級(jí)數(shù)、輪轂比以及轉(zhuǎn)速等，這些設(shè)計(jì)參數(shù)值的選擇不僅確定了部件的性能還直接與部件的尺寸和質(zhì)量關(guān)聯(lián)起來(lái)，可以進(jìn)行基于部件尺寸和質(zhì)量為目標(biāo)的部件設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化研究。該方法的精度得到了提升，誤差在±10%。NASA劉易斯研究中心的尺寸和質(zhì)量估算程序WATE-II和小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量估算程序WATE-S均是基于該方法開(kāi)發(fā)的。國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)跟蹤研究，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量模型進(jìn)行了修正，如北京航空航天大學(xué)的郭淑芬團(tuán)隊(duì)采用構(gòu)型法和經(jīng)驗(yàn)公式法相結(jié)合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的軸流壓氣機(jī)、離心壓氣機(jī)、渦輪、燃燒室、減速器、粒子分離器軸和附件的尺寸或質(zhì)量估算公式進(jìn)行了研究[2-3]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)的應(yīng)用分析

單一的循環(huán)熱力參數(shù)研究已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高性能經(jīng)濟(jì)性航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制要求，基于多學(xué)科的高效綜合設(shè)計(jì)體系應(yīng)充分綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)、部件氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、強(qiáng)度、噪聲，以及研制成本等方面的問(wèn)題。航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)廣泛應(yīng)用于高效綜合設(shè)計(jì)體系中并發(fā)揮著重要的作用。

NPSS平臺(tái)

為了把發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量計(jì)算程序加入推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)值仿真平臺(tái)（NPSS），NASA格倫研究中心把原有的WATE-II程序改寫(xiě)為面向?qū)ο蟮腤ATE++程序，同時(shí)對(duì)程序進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)，使得WATE不僅能與NASA的NPSS程序無(wú)縫連接，還增加了程序適用發(fā)動(dòng)機(jī)的類型并將計(jì)算精度提高至±10%以內(nèi)。圖1為WATE++在NPSS平臺(tái)中計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量的過(guò)程[4]。該過(guò)程主要分兩個(gè)步驟：首先，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)氣動(dòng)熱力循環(huán)分析時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)收集WATE++模型計(jì)算時(shí)所需的數(shù)據(jù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的性能和截面參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速等；然后，把發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力循環(huán)參數(shù)分析時(shí)搜集的數(shù)據(jù)，尺寸、質(zhì)量計(jì)算所需的其他參數(shù)作為WATE++模型的輸入，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算，最后程序會(huì)繪制出發(fā)動(dòng)機(jī)流道圖。

圖1 WATE++在NPSS平臺(tái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量過(guò)程

TERA平臺(tái)

歐洲環(huán)境友好型航空發(fā)動(dòng)機(jī)（VITAL）項(xiàng)目成功開(kāi)發(fā)了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具（TERA），能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)方案論證階段就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)、設(shè)計(jì)成本和污染排放等方面進(jìn)行綜合高效的評(píng)估，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期、降低了研制成本和風(fēng)險(xiǎn)。

在該項(xiàng)目中，英國(guó)羅羅公司開(kāi)發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)初步設(shè)計(jì)工具Genesis，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力參數(shù)確定后，就能通過(guò)計(jì)算分析，給出發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件尺寸和質(zhì)量，如發(fā)動(dòng)機(jī)的輪盤和 葉 型。ONERA開(kāi) 發(fā) 了CREATION平臺(tái)，其目的是評(píng)估、優(yōu)化和改進(jìn)旋翼機(jī)系統(tǒng)，量化新技術(shù)對(duì)旋翼機(jī)性能的影響。圖2為該平臺(tái)的7個(gè)模塊關(guān)系，其中兩個(gè)中心模塊（目標(biāo)模塊）為飛行性能模塊和環(huán)境影響模塊，圍繞這兩個(gè)中心模塊，有5個(gè)方法模塊用來(lái)提供飛行性能和環(huán)境影響評(píng)估的方式，分別為任務(wù)分析模塊、架構(gòu)與布局模塊、質(zhì)量與結(jié)構(gòu)模塊、氣動(dòng)性能模塊以及動(dòng)力裝置模塊。動(dòng)力裝置模塊中發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)分析與優(yōu)化過(guò)程如圖3所示，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)分析過(guò)程中完成了發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和質(zhì)量計(jì)算，在完成以發(fā)動(dòng)機(jī)功率為目標(biāo)循環(huán)分析后，再以旋翼機(jī)完成給定任務(wù)所需的燃油質(zhì)量和發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量之和最小為目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

圖2 CREATION平臺(tái)模塊關(guān)系

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)分析與優(yōu)化過(guò)程

德國(guó)MTU公司開(kāi)發(fā)了內(nèi)部設(shè)計(jì)工具M(jìn)OPEDS[5]，在發(fā)動(dòng)機(jī)初步設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算分析發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)參數(shù)和各部件的氣動(dòng)參數(shù)、幾何參數(shù)、質(zhì)量大小、噪聲大小以及制造成本，如圖4所示。

圖4 MOPEDS結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)平臺(tái)中應(yīng)用的特點(diǎn)和作用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)已經(jīng)成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體系中重要的環(huán)節(jié)。把發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度連接起來(lái)，進(jìn)行動(dòng)力級(jí)和飛機(jī)平臺(tái)級(jí)的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)和作用。

第一，航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目論證或者方案論證的階段早期，主要是集成在綜合設(shè)計(jì)平臺(tái)中，用于以發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)或者飛機(jī)平臺(tái)級(jí)設(shè)計(jì)需求為目標(biāo)的循環(huán)參數(shù)以及構(gòu)型確定和優(yōu)化工作。這些設(shè)計(jì)需求包括發(fā)動(dòng)機(jī)功率和耗油率、發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和噪聲要求、飛行平臺(tái)性能和結(jié)構(gòu)布局、發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)或飛機(jī)平臺(tái)級(jí)的經(jīng)濟(jì)性等。這樣可以充分考慮參數(shù)給定的合理性，合理約束總體對(duì)部件參數(shù)的選擇，特別是小尺寸效應(yīng)對(duì)部件效率的影響、小尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度方面的影響，以及部件性能參數(shù)對(duì)部件結(jié)構(gòu)形式（壓氣機(jī)的類型、燃燒室的類型等）的選擇。

第二，航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)把發(fā)動(dòng)機(jī)性能和結(jié)構(gòu)連接起來(lái)，起到了橋梁的作用。在發(fā)動(dòng)機(jī)論證初期，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)分析可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)性能，進(jìn)行初步的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、尺寸和質(zhì)量?jī)?yōu)化、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方面的多學(xué)科綜合優(yōu)化分析研究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)循環(huán)參數(shù)優(yōu)化。

第三，航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)可以促進(jìn)動(dòng)力和飛行平臺(tái)性能綜合優(yōu)化。在方案論證階段，飛行平臺(tái)在動(dòng)力選配和飛行平臺(tái)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要評(píng)估動(dòng)力系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)質(zhì)量和尺寸，進(jìn)而評(píng)估飛行平臺(tái)的性能和優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)的選配。在動(dòng)力系統(tǒng)沒(méi)有備選方案時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)可以發(fā)揮重要作用，給出相對(duì)準(zhǔn)確的動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量和尺寸。

結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)發(fā)展過(guò)程主要是一個(gè)跟蹤研究的過(guò)程，也是從基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式法到構(gòu)型法的發(fā)展過(guò)程，因此發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算的方法基本相同、估算公式相似。主要的研究工作是基于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)類型、部件類型、樣本數(shù)量等數(shù)據(jù)對(duì)估算公式中的系數(shù)進(jìn)行修正，以獲得更適合特定發(fā)動(dòng)機(jī)及部件尺寸和質(zhì)量的估算公式，因此計(jì)算精度都得到了較大提升，但可能會(huì)犧牲公式的適用范圍。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)基于多學(xué)科的高效綜合設(shè)計(jì)體系的推進(jìn)和逐步完善，航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)的作用將會(huì)逐漸發(fā)揮和顯現(xiàn)，但仍需要在以下方面開(kāi)展深入研究：首先，正確地認(rèn)識(shí)和對(duì)待航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)，促使該技術(shù)納入綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)；其次，進(jìn)一步開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)研究，充分挖掘現(xiàn)有成熟發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，形成自己的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；最后，提升總體綜合設(shè)計(jì)水平，突破多學(xué)科綜合設(shè)計(jì)知識(shí)壁壘，提煉設(shè)計(jì)方法，建立方案論證階段的綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)。