图 18 高压压气机先进设计技术 [12 ]
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Fig118 Advanced design technologies of high pressure compres2 sor
3 中国大涵道比风扇 /高压压气机面临的技术问题和建议
过去中国航空发动机发展一直以军机为主 ,虽然军用和民用发动机有大量共用技术 ,但由于军用涡扇发动机主要追求高推重比 ,与民用大涵道比涡扇发动机的性能指标要求有重大差别 ,所以结构和研制技术也存在重要差别 ;相对于军机而言 ,中国更是缺乏大涵道比涡扇发动机的研制经验 ,因此中国在民用大涵道比涡扇发动机的研制上面临非常严峻的挑战。
作者认为应当理清关键问题 ,统一规划 ,有针对性地加强基础研究和技术验证 ,一方面为大涵道比的工程研制提供技术支撑 (补课 );另一方面就是要发展和储备未来更高涵道比涡扇发动机研制的先进理论、方法和设计技术 (储备 ),从而使中国未来第 2代高涵道比涡扇发动机能够达到当时 的国际先进水平。
下面就作者的认识 ,谈谈中国在大涵道比风扇/压气机部件气动设计上面临的一些主要技术问题。
31 1 尽快建设一些关键研究设备
(1)风扇噪声实验研究台
发动机作为有史以来最为复杂的旋转热力 推进机械 ,其内部存在各种复杂的流动、传热、燃2烧等气动热力现象 ,以及强烈的流体间、流体与固体间的相互作用 ,这些复杂的流动及相互作用产生了频率成分复杂的各种离散噪声和宽频噪声。因此 ,从气动声学的角度看 ,发动机也许是当今最为复杂、最难研究的噪声对象 ,在机理、分析手段和方法 ,以及控制技术等各方面研究上都存在非常大的难度。例如 ,噪声分析与预测方法所需要达到的流场计算精度远远超过了准确预测气动性能需要的精度 ;风扇、喷流噪声试验环境要远比性
研究的各种关键设备[ 14 ,16217 ]。相比之下 ,中国发动机行业还没有这些关键研究设备。这是需要纳入规划 ,尽快建立的。
(2)低速大尺寸多级压气机试验台
虽然中国目前拥有开展多级压气机研究的多种高速试验设备和手段 ,但是面向大涵道比涡扇发动机要求的高效率高负荷多级高压压气机的研制 ,还缺少一种关键研究手段 ——
多级低速大尺寸压气机试验台及相应的试验技术。众所周知 ,全尺寸高速多级高压压气机加工和试验成本较高、周期长、测量难度大 ,试验危险性高 ,特别是后面级通道狭窄 ,在高速设备上开展多级压气机后面级内部复杂流动机理、先进设计理论与方法的研究 ,以及要实现压气机气动设计的优化 ,其费用和周期都是无法承受的。国外在发展高压压气机过程中 ,走出了一条能够解决多级压气机中后面级研究的经济、高效、可靠的路子 ,就是多级低速大尺寸压气机模拟试验台 (多级压气机前面级由于存在激波 ,不能用低速模拟的方法进行研究 ,必须进行高速试验研究)。
自 20世纪 70年代 , GE公司率先将多级低E3原型压气机性能曲线对比。GE公司正是利用这种试验研究手段 ,发展了各种定制叶型技术 ,得到了如裁缝量体裁衣似的针对当地具体流动情况的各种解决措施 ,如前加载、后加载、转捩控制和叶尖间隙泄漏补偿等叶型技术 ,消除了气流分离 ,提高了效率和失速裕度 ,为 GE公司成功研制 E3发动机做出了基础性贡献。而这些针对当地具体流场的“定制”措施 ,在高速试验台上是很难做出的 ,因为在高速台上很难测出当地具体流场结构细节。如果 GE公司全部采用高速全尺寸试验 ,完成上述高压压气机三维气动造型的优化 ,其花费不但是目前的上百倍 ,而且其研制周期根本无法保证。
应该强调指出 ,即使在 CFD已得到长足发展的今天 ,这种低速大尺寸多级压气机试验台仍然是不可替代的 ,后面将要指出 ,主要是由于对湍流流动预估能力的限制 ,CFD技术还难以完全解决高性能多级压气机研制问题。
总之 ,无论是高速多级高压压气机试验研究还是 CFD技术都难以精确掌握其中的流动细节 ,而低速大尺寸多级压气机试验却具备这种能力。细节不仅决定成败 ,也决定可能达到的高度。中国压气机的效率难以达到很高的水平 ,应在细节 上下功夫。航空技术先进国家都走了低速大尺寸途径 ,唯独中国未走 !
31 2 设计理论、方法和设计体系需要改进与完善
(1)风扇噪声
美国和欧洲自 20世纪 60年代就开始展开风扇噪声产生与传播机理及控制方法的研究 ,经过几十年的研究 ,目前对风扇离散噪声产生的机理已有了相当深入的了解 ,特别是过去 20年 ,在风扇离散噪声预测技术和控制技术上也取得了非常大的进展 ,使得当代高性能风扇的离散噪声及其前传噪声水平都大幅度降低。相比之下 ,在风扇宽频噪声的预测技术 ,以及风扇后传噪声的控制上还有相当大的潜力可挖 ,这自然成为美国和欧洲下一阶段相关研究的重点。
随着对风扇噪声设计水平要求的不断提高 ,国际上关于噪声应用基础研究的重点放在了结合先进的 CFD技术 ,发展能够更为准确预测离散噪
技术中的可行性。
②发展 CFD技术与声传播和辐射计算技术的接口技术 ,以及从声源到远场的全声场预测技术。
③利用试验测量结果校验上述模型和技术。
④发展低噪声风扇设计新概念、方法和设计技术。
为了能够给噪声分析和预测的各种理论模型和计算方法提供可靠的试验测量数据 ,国外为此发展了各种先进的测试技术。这些先进的测试技术 ,以及风扇噪声的预测分析方法 ,是中国未来建立和发展风扇噪声分析系统的理论和技术基础。长期以来 ,中国对民用大涵道比涡扇发动机的研究开展较少 ,对于风扇噪声的可靠预测分析方法和各种先进的降噪技术技术贮备不足 ,在这方面与国际先进水平存在相当大的差距 ,这是中国民用大涵比涡扇发动机研究亟待弥补的重要一课。为此 ,中国需要建立风扇噪声分析系统。
建立起风扇噪声分析系统以后 ,就可以将其与风扇的气动设计系统耦合在一起 ,发展建立风扇气动 -噪声耦合分析系统 ,从而具备低噪声高性能大涵道比风扇的设计能力。
①湍流模型和 L ES
鉴于风扇 /压气机内部的复杂流动情况 ,特别是多级压气机 ,未来相当时间也难以发展出普适的湍流模型 ,所以必须加强对现有湍流模型的适用性分析 ,校验各种情况下的计算精度 ,积累计算经验 ,提高风扇 /压气机模拟的可靠性 (噪声的可靠分析和预测强烈依赖 CFD计算结果的可靠性)。此外 ,必须加强湍流转捩模型的研究与应用 ,因为它是准确模拟许多流动现象的关键。
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