圖 18 高壓壓氣機先進設計技術 [12 ]
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Fig118 Advanced design technologies of high pressure compres2 sor
3 中國大涵道比風扇 /高壓壓氣機面臨的技術問題和建議
過去中國航空發(fā)動機發(fā)展一直以軍機為主 ,雖然軍用和民用發(fā)動機有大量共用技術 ,但由于軍用渦扇發(fā)動機主要追求高推重比 ,與民用大涵道比渦扇發(fā)動機的性能指標要求有重大差別 ,所以結(jié)構和研制技術也存在重要差別 ;相對于軍機而言 ,中國更是缺乏大涵道比渦扇發(fā)動機的研制經(jīng)驗 ,因此中國在民用大涵道比渦扇發(fā)動機的研制上面臨非常嚴峻的挑戰(zhàn)。
作者認為應當理清關鍵問題 ,統(tǒng)一規(guī)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(fā)展和儲備未來更高涵道比渦扇發(fā)動機研制的先進理論、方法和設計技術 (儲備 ),從而使中國未來第 2代高涵道比渦扇發(fā)動機能夠達到當時 的國際先進水平。
下面就作者的認識 ,談談中國在大涵道比風扇/壓氣機部件氣動設計上面臨的一些主要技術問題。
31 1 盡快建設一些關鍵研究設備
(1)風扇噪聲實驗研究臺
發(fā)動機作為有史以來最為復雜的旋轉(zhuǎn)熱力 推進機械 ,其內(nèi)部存在各種復雜的流動、傳熱、燃2燒等氣動熱力現(xiàn)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(chǎn)生了頻率成分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(fā)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(huán)境要遠比性
研究的各種關鍵設備[ 14 ,16217 ]。相比之下 ,中國發(fā)動機行業(yè)還沒有這些關鍵研究設備。這是需要納入規(guī)劃 ,盡快建立的。
(2)低速大尺寸多級壓氣機試驗臺
雖然中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(fā)動機要求的高效率高負荷多級高壓壓氣機的研制 ,還缺少一種關鍵研究手段 ——
多級低速大尺寸壓氣機試驗臺及相應的試驗技術。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 ,試驗危險性高 ,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(nèi)部復雜流動機理、先進設計理論與方法的研究 ,以及要實現(xiàn)壓氣機氣動設計的優(yōu)化 ,其費用和周期都是無法承受的。國外在發(fā)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(jīng)濟、高效、可靠的路子 ,就是多級低速大尺寸壓氣機模擬試驗臺 (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 ,必須進行高速試驗研究)。
自 20世紀 70年代 , GE公司率先將多級低E3原型壓氣機性能曲線對比。GE公司正是利用這種試驗研究手段 ,發(fā)展了各種定制葉型技術 ,得到了如裁縫量體裁衣似的針對當?shù)鼐唧w流動情況的各種解決措施 ,如前加載、后加載、轉(zhuǎn)捩控制和葉尖間隙泄漏補償?shù)热~型技術 ,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(fā)動機做出了基礎性貢獻。而這些針對當?shù)鼐唧w流場的“定制”措施 ,在高速試驗臺上是很難做出的 ,因為在高速臺上很難測出當?shù)鼐唧w流場結(jié)構細節(jié)。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(yōu)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(diào)指出 ,即使在 CFD已得到長足發(fā)展的今天 ,這種低速大尺寸多級壓氣機試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。
總之 ,無論是高速多級高壓壓氣機試驗研究還是 CFD技術都難以精確掌握其中的流動細節(jié) ,而低速大尺寸多級壓氣機試驗卻具備這種能力。細節(jié)不僅決定成敗 ,也決定可能達到的高度。中國壓氣機的效率難以達到很高的水平 ,應在細節(jié) 上下功夫。航空技術先進國家都走了低速大尺寸途徑 ,唯獨中國未走 !
31 2 設計理論、方法和設計體系需要改進與完善
(1)風扇噪聲
美國和歐洲自 20世紀 60年代就開始展開風扇噪聲產(chǎn)生與傳播機理及控制方法的研究 ,經(jīng)過幾十年的研究 ,目前對風扇離散噪聲產(chǎn)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(jié)合先進的 CFD技術 ,發(fā)展能夠更為準確預測離散噪
技術中的可行性。
②發(fā)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。
③利用試驗測量結(jié)果校驗上述模型和技術。
④發(fā)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試驗測量數(shù)據(jù) ,國外為此發(fā)展了各種先進的測試技術。這些先進的測試技術 ,以及風扇噪聲的預測分析方法 ,是中國未來建立和發(fā)展風扇噪聲分析系統(tǒng)的理論和技術基礎。長期以來 ,中國對民用大涵道比渦扇發(fā)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 ,這是中國民用大涵比渦扇發(fā)動機研究亟待彌補的重要一課。為此 ,中國需要建立風扇噪聲分析系統(tǒng)。
建立起風扇噪聲分析系統(tǒng)以后 ,就可以將其與風扇的氣動設計系統(tǒng)耦合在一起 ,發(fā)展建立風扇氣動 -噪聲耦合分析系統(tǒng) ,從而具備低噪聲高性能大涵道比風扇的設計能力。
①湍流模型和 L ES
鑒于風扇 /壓氣機內(nèi)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(fā)展出普適的湍流模型 ,所以必須加強對現(xiàn)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(jīng)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(jié)果的可靠性)。此外 ,必須加強湍流轉(zhuǎn)捩模型的研究與應用 ,因為它是準確模擬許多流動現(xiàn)象的關鍵。
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