技術 (不包括聲襯技術 ) [7]。
(1)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。
(2)拉大轉子與靜子間距 :明顯增加轉子與

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 5) ,簡單分析現階段大涵道比風扇氣動設計上采用的降噪在增壓級的問題 ,但是 GE和 PW公司則面臨嚴(1)齒輪驅動風扇峻的挑戰 ,為此提出了創新的發動機結構形式。 除了上述提到的增壓級問題之外 ,隨著涵道

圖 12　齒輪驅動風扇發動機及其優勢 [12 ] Fig112　Geared turbofan and its advantage[12]
　　④增壓級的加功增壓能力大幅度增加 ,能夠所降低 ,到 2020年高涵道比風扇的葉尖切線速度以更少的級數獲得更高的壓比。在 260 m/s左右 ,相應的設計壓比會在 11 3左右。低葉尖切線速度自然決定了風扇的增壓比有這樣的風扇雖然能夠獲得更高一點的效率 ,但是

圖 13　對轉風扇發動機及其優勢 [9] Fig1 13　Counter rotating engine and its advantages[9]
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 ,其設計點來流馬赫數會增加到 01 60以上。因此 ,除了低噪聲之外 ,高通流、高負荷和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。
(2)對轉風扇

與 PW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 ,如圖 13所示。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 2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 ,它可以加大渦輪的做功能力 ,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 2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 2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 ,需要其他降噪措施加以彌補。
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。

2　壓氣機先進設計技術與發展趨勢
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 %[13]。在壓氣機氣動力學、計算流體力學 (CFD)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 3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上游來流氣流畸變的能力。
(3)成本制造成本低 ;維修成本低 ;魯棒性好。如圖 6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 ,結合圖 14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 14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 15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 16)。

圖 16　RR公司發動機高壓壓氣機效率 [3] Fig116　High pressure compressor development of RR turbofans[3]
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 ,
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 17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
圖 17　高壓壓氣機壓比與級數的關系 [12 ] Fig1 17　High pressure compressor design trends[12]
平分別是 M TU研制成功的 6級壓比 11的高壓壓氣機 ,其平均級壓比接近 11 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 11 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。
　
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