技术 (不包括声衬技术 ) [7]。
(1)风扇转子设计 :选取低的叶尖切线速度 ,重视降低尾迹的宽度和强度。
(2)拉大转子与静子间距 :明显增加转子与
为了满足未来适航条例关于噪声水平的要求 ,当前先进的大涵道比风扇设计中已开始将风扇的噪声水平作为重要的设计指标之一 ,同时将噪声的分析和评估直接纳入风扇的气动设计体系与流程。下面以 GE90发动机为例 (图 5) ,简单分析现阶段大涵道比风扇气动设计上采用的降噪在增压级的问题 ,但是 GE和 PW公司则面临严(1)齿轮驱动风扇峻的挑战 ,为此提出了创新的发动机结构形式。 除了上述提到的增压级问题之外 ,随着涵道
图 12 齿轮驱动风扇发动机及其优势 [12 ] Fig112 Geared turbofan and its advantage[12]
④增压级的加功增压能力大幅度增加 ,能够所降低 ,到 2020年高涵道比风扇的叶尖切线速度以更少的级数获得更高的压比。在 260 m/s左右 ,相应的设计压比会在 11 3左右。低叶尖切线速度自然决定了风扇的增压比有这样的风扇虽然能够获得更高一点的效率 ,但是
图 13 对转风扇发动机及其优势 [9] Fig1 13 Counter rotating engine and its advantages[9]
由于风扇压比的明显降低 ,会损失较大的起飞推力 ,这一方面需要在发动机的循环参数选择上进行平衡 ;另一方面需要加大风扇的通流能力 ,通过提高其来流马赫数以增大起飞推力 ,其设计点来流马赫数会增加到 01 60以上。因此 ,除了低噪声之外 ,高通流、高负荷和高效率是高涵道比低叶尖切线速度风扇气动设计的目标和挑战。
(2)对转风扇
与 PW公司致力于发展的齿轮驱动风扇不同 , GE公司为应对未来高涵道比涡扇发动机的挑战 ,提出了低压系统对转的发动机概念 ,如图 13所示。低压系统对转发动机采用了两级对转风扇 ,辅助增压级与转速更高一些的第 2级风扇连在一起 ,为了实现这样的工作方式 ,发动机必须采用三转子技术 ,通过使低压涡轮对转 ,实现风扇的对转 ,这与常规三转子发动机相比 ,结构和支撑形式更为复杂一些 ,因此其技术挑战也是相当大的。
由于同样采用低叶尖切线速度 ,对转风扇各自的转速并不高 ,但是通过对转 ,它可以加大涡轮的做功能力 ,从而减少低压涡轮的级数 ,达到减轻重量、降低成本的目的。与齿轮驱动风扇相比 ,对转风扇有一个优势 ,其每一级转子的压比并不高 ,但是两级的总压比则接近当前较高切线速度风扇的增压比 ,从而能够获得更大的推力。
从气动设计上两级对转风扇若要获得比现有风扇更高的效率 ,其关键在于第 2级转子的设计 ,因为它的速度三角形可能不利于实现高效率。此外 ,由于对转风扇转子之间 ,以及第 2级转子与出口导叶之间的轴向间距不能拉大到单级风扇时的距离 ,因此其转子相互作用形成的噪声 ,以及转子与出口导叶相互作用形成的噪声将有所增加 ,需要其他降噪措施加以弥补。
与齿轮驱动风扇相比 ,低压系统对转方案技术难度更大 ,若干关键问题尚待解决。
2 压气机先进设计技术与发展趋势
在当代大涵道比涡扇发动机中 ,风扇 /压气机部件仍占到发动机总长度的 50 %～60 %,重量的 40 %～50 %,制造成本的 35 %～40 %,维修成本的 30 %[13]。在压气机气动力学、计算流体力学 (CFD)和计算结构力学都取得了很大进展的今天 ,高压压气机的研制依然是高风险、高难度的工作 ,高压压气机的设计至今依然是发动机研制中的技术瓶颈之一。
现阶段 ,乃至未来相当长的一段时间内 ,对高压压气机的要求分别体现在以下 3个方面 :
(1)性能
在宽的转速范围内有高的效率 ;级压比高 ;轴向长度短 (更少的级数 );重量轻 ;长期使用的性能衰减慢。
(2)安全性
抗外物打伤能力强 ;良好的机匣包容性 ;叶片、盘、轴和整个部件可靠性高 ;转子动力学稳定性好 ;有足够的失速裕度和抗上游来流气流畸变的能力。
(3)成本制造成本低 ;维修成本低 ;鲁棒性好。如图 6所示 ,过去 20年高压压气机的设计已
经发展到多级全三维造型阶段 ,结合图 14给出的 GE90发动机高压压气机的发展历程 ,分析高压压气机气动性能不断提高所采取的主要关键技术。在美国高效节能发动机 ( E3)计划的支持下 ,在 20世纪 80年代初 , GE公司依靠丰富的高压压气机设计经验 ,基于二维 /准三维的传统设计体系 ,成功研制出了 10级压比 23的高压压气机 ,为 GE公司之后的 20年保持世界领先水平奠定了坚实的基础 ,到目前为止 ,它所达到的压比仍然是世界之最。过去 20年 , GE公司利用三维设计技术对其不断进行改进和提高 ,图 14给出了其中重要的发展里程碑。改进的最主要手段就是采用全三维造型技术 ,如图 15所示 ,高压压气机的通流能力 ,常用转速 (流量)范围内的效率 ,特别是设计点效率均有明显提高。同期 RR公司也发展自己的三维设计技术 ,通过采用叶片三维气动造型使其 Trent500和 Trent900发动机高压压气机的效率明显提高 (图 16)。
图 16 RR公司发动机高压压气机效率 [3] Fig116 High pressure compressor development of RR turbofans[3]
在 20世纪 90年代 ,三维气动造型技术提高压气机效率的主要措施是消除或改善各排叶片内部的分离 ,特别是角区的分离流动 ;而过去 10年 ,
加大转子叶片前掠
,在稳步提高压气机的级负荷
的同时 ,有效地提高了压气机的失速裕度。
在先进材料和整体叶盘结构的支持下 ,高压
压气机的叶尖切线速度能够进一步提高 ,再利用
三维气动造型技术 ,各大发动机公司不断向更高
级压比的高压压气机发起挑战。图 17给出了各
种发动机压气机级数及其能够获得的压比的关系
图 ,其中决定性的衡量指标就是平均级压比。到
目前为止民用大发动机用的高压压气机的前沿水
图 17 高压压气机压比与级数的关系 [12 ] Fig1 17 High pressure compressor design trends[12]
平分别是 M TU研制成功的 6级压比 11的高压压气机 ,其平均级压比接近 11 5,应用对象是中小推力级别的发动机 ,例如 PW6000 ,由单级高压涡轮驱动 ;另一个就是前面提到的 GE90高压压气机 ,10级压比 23 ,其平均级压比接近 11 4,应用对象是大推力级别的发动机 ,由两级高压涡轮驱动。其他更高级负荷的尝试到目前为止都失败了 ,包括 PW公司自己研制的 PW6000高压压气机。
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