減少 40 %
減少 50 %(包括機(jī)身 )
減少 40
減少 (15 %～20 %)
減少 80 %
減少 25 % 減少 50 %減少 45減少 75————減少 70 %減少 80 %
平 ,下一代高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)壓比將提
涵道比將達(dá)到
12以上。正是由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)函高到 50左右 ,溫度將再提高
100℃左右。推進(jìn)效
道比的不斷提高 ,如圖 2所示 ,使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)巡率所反映的損失是離速損失 ,即尾噴口噴出的高航耗油率不斷降低 ,與早期民航發(fā)動(dòng)機(jī)相比 ,耗油速氣流所帶走的動(dòng)能。由渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)向渦輪率下降了 50 %,到 2020年左右 ,高涵道比渦扇發(fā)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展即著眼于降低噴氣速度以提高動(dòng)機(jī)的耗油率將進(jìn)一步降低 15 %～20 %。
推進(jìn)效率。而涵道比越大 ,則離速損失越低 ,推進(jìn)效率越高。圖 1展示了半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)總效率的提高依賴于推進(jìn)效率和循環(huán)效率不斷提高的情況 ,這也將是 21世紀(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高的規(guī)律。表 2列出了典型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程和循環(huán)參數(shù)。可見 ,
6～8,下一
圖 1 航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率不斷提高 [2] Fig11 Engine efficiency advancement[2]
表 2 典型大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程和循環(huán)參數(shù) Table 2 Turbo fan engine advancement and their cycle parameters
取證時(shí)間 1977 —1992年 1993 —2007年 2008年以后
典型發(fā)動(dòng)機(jī) RB211 ,PW4000 ,CFM56 ,V2500 , PW2037 ,J T9D ,CF6280C2/ E1 Trent800 ,PW4084 , GE90 , Trent900 , Gp7200 GENx , Trent1000 ,PW8000
涵道比 4～6 6～9 10～15
風(fēng)扇壓比 11 7 115～116 11 3～11 4
總增壓比 25～30 38～45 50～60
渦輪前溫度/ K 1 500～1 570 1 570～1 850 > 1 900
巡航耗油率/ (kg ·daN -1 ·h -1 ) 01 58～01 70 01 565～01600 01 50～01 55
圖 2 航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率不斷降低[4] Fig1 2 Specificfuel consumption advancement [4]
隨著人們生活水平的不斷提高 ,對(duì)于航空飛行的舒適性和環(huán)保性提出了越來(lái)越高的要求。如圖 3所示 ,隨著新的適航條例的實(shí)施 ,對(duì)于飛行噪聲的控制越來(lái)越嚴(yán)格。如圖 4所示 ,飛行噪聲由發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和飛機(jī)噪聲兩部分構(gòu)成 ,而發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲則遠(yuǎn)大于飛機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主要來(lái)源于風(fēng)扇、噴流、燃燒和渦輪 ,其中風(fēng)扇噪聲和噴流噪聲較大 ,因此美國(guó)和歐盟在過(guò)去 20年投入大量人力、物力和財(cái)力加強(qiáng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各種降噪技術(shù)的研究 ,為了達(dá)到更低的噪聲水平 ,甚至不惜犧牲一些氣動(dòng)性能。為了滿足未來(lái)發(fā)展的需要 ,美國(guó)和歐盟近期都制定了專門的噪聲研究大型國(guó)家級(jí)規(guī)劃 ,例如美國(guó)在 1994 —2001年實(shí)施的先進(jìn)亞聲速技術(shù)計(jì)劃 (AST)部署了降噪技術(shù)計(jì)劃 ,從 2001年又開始實(shí)施的安靜飛機(jī)技術(shù)研究計(jì)劃 (QAT ) ,初期投資 1億美元 ,該計(jì)劃自 2004年起加大了投資力度 ;而歐盟從 2001年開始實(shí)施為期 5年的相應(yīng)計(jì)劃 —
SIL ENCER ,是歐洲有史以來(lái)關(guān)于噪聲研究的最大計(jì)劃 ,投資高達(dá) 111億歐元。從 GE90發(fā)動(dòng)機(jī)目前采用的主要降噪技術(shù)可以看出 ,為了降低噪聲 ,當(dāng)代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不但大量采用聲襯 ,而且在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)上采取了大量措施[4]。因此 ,過(guò)去 20年大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)降噪技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分 ,特別是風(fēng)扇和排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ,噪聲水平已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。
圖 4 飛行噪聲的主要來(lái)源 [6] Fig14 Noise sources on conventional aircraft[6]
為了滿足降噪要求 ,劍橋大學(xué) Whittle實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院 GTL實(shí)驗(yàn)室也聯(lián)合開展了靜音飛機(jī)研究計(jì)劃 ,其噪聲水平比歐盟和美國(guó) 2020年指標(biāo)還低 5 dB,在機(jī)場(chǎng)外聽不見飛機(jī)聲音。他們的研究具有一系列重要?jiǎng)?chuàng)新 ,包括組織和學(xué)術(shù) ,如圖 5所示的靜音飛機(jī)的主要特點(diǎn)如下 :
(1)由學(xué)校、公司、用戶組成知識(shí)綜合集成共同體 ,可用公司的資源 ,如 Boeing , RR的程序和
圖 5 靜音飛機(jī)設(shè)計(jì)方案 [6] Fig1 5 Silent aircraft [6]
靜音飛機(jī)研究的啟示 :
(1)
靜音飛機(jī)研究取得了超出預(yù)想的成功 ,超低的噪音和耗油率是革命性的。
(2)
成功的基本經(jīng)驗(yàn)是采用了全新的研究模式 :①產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合 ;②知識(shí)綜合系統(tǒng)集成。
(3)
組織形式是知識(shí)綜合集成共同體 ( KIC)。
(4)
所用的每一項(xiàng)技術(shù)幾乎都不是新的 ,有的甚至可以追溯到噴氣時(shí)代的黎明期。
圖 6給出了 GE公司風(fēng)扇 /壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的演變 ,從圖中可以看出 ,自 20世紀(jì) 80年代以來(lái) ,航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇 /壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)先以準(zhǔn)三維為主 ;20世紀(jì) 90年代以來(lái)則逐漸建立起了以三維 CFD技術(shù)為核心的現(xiàn)代設(shè)計(jì)體系 ,使其逐漸擺脫了耗資多、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、主要依靠完備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法”。下面將以大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為背景 ,重點(diǎn)分析過(guò)去 20年其風(fēng)扇 /壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 ,及其進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì) ,總結(jié)其技術(shù)難點(diǎn) ,旨在說(shuō)明中國(guó)將來(lái)發(fā)展高性能大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在風(fēng)扇和壓氣機(jī)方面將面臨的一些挑戰(zhàn) ,以及亟待突破的一些關(guān)鍵技術(shù) ,從而為中國(guó)明確大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展途徑提供參考。
圖 6 GE公司風(fēng)扇 /壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的演變 [4 ,8] Fig1 6 GEfan/compressor aero design systemevolution[4,8]
1 風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)
11 1 風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)狀
過(guò)去 20年 ,風(fēng)扇寬弦空心鈦合金葉片以及復(fù)合材料葉片制造技術(shù)的突破 ,使得風(fēng)扇的機(jī)械性能大幅度提高 ,為渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比不斷增加提供了可能 ,從而有效提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率 ,而且突肩的取消 ,也使得風(fēng)扇的效率明顯提高。圖 7給出了 RR風(fēng)扇效率的演變過(guò)程 ,從圖中可以看出 ,20世紀(jì) 90年代以來(lái) ,隨著風(fēng)扇 /壓氣機(jī)的三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的提高 ,通過(guò)采用三維氣動(dòng)造型 ,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)的定制設(shè)計(jì) ,使得風(fēng)扇的效率進(jìn)一步提高。
大涵道比風(fēng)扇葉片之所以能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)掠型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于突破了寬弦空心葉片或復(fù)合材料葉片的制造技術(shù)。如圖 8所示 ,與傳統(tǒng)造型相比 ,當(dāng)前大涵道比風(fēng)扇基本都采用復(fù)合掠型的設(shè)計(jì) ,葉片中上部后掠 ,實(shí)現(xiàn)通道激波的后掠 ,從而降低激波損失 ;葉片尖部前掠 ,從而有效提高風(fēng)扇的失速裕度 ;此外 ,寬弦設(shè)計(jì)本身還會(huì)進(jìn)一步促使激波在空間的傾斜 ;再加上葉型的定制設(shè)計(jì) ,從而使得激波損失 ,以及相應(yīng)的附面層損失和二次流損失明顯降低 ,風(fēng)扇設(shè)計(jì)點(diǎn)的效率比常規(guī)造型的風(fēng)扇有明顯改善。圖 9給出了 GE公司 GE902115B掠型風(fēng)扇與常規(guī)造型風(fēng)扇性能的對(duì)比。除上述設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)扇效率明顯 提高之外 ,先進(jìn)掠型風(fēng)扇另外一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)是其堵塞流量也有所增加 ,從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛推力相應(yīng)增大。
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