第3期陈懋章等:大涵道比涡扇发动机风扇/压气机气动设计技术分析　523

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。

311　尽快建设一些关键研究设备

(1)风扇噪声实验研究台

速大尺寸压气机试验装置成功用于高压压气机基

础研究、关键技术验证和型号研制,为GE高压压气机的发展做出了重要贡献[15]。之后,PW和RR公司也开始广泛采用该技术;MTU公司为了发展高性能高压压气机,20世纪90年代中期在Dresden理工大学建设了与GE公司类似的多级低速大尺寸压气机试验台。各大发动机公司之所以重视高压压气机低速模拟技术,就是因为其加工和试验成本只有全尺寸高速试验件的几十分之一,可以详细测量其内部流场,加工、装配和试验都非常灵活,能够以较少的投入对各种先进设计理论和方法进行大量的系统的试验研究与验证。此外,其详细测量结果可为多级压气机CFD技术的校验与改进提供丰富的试验数据。

仅以GE公司发展高压压气机三维气动造型。图20年基于E3高

发动机作为有史以来最为复杂的旋转热力2推进机械,其内部存在各种复杂的流动、传热、燃烧等气动热力现象,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能试验环境苛刻得多,超过了气动性能试验的要求。

,60,过去20,投入大量的财力和物力,建立起了完善的从基础研究到应用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

GE公司高压压气机后面级的三维气动造型技术就是在低速大尺寸压气机试验台上进行系统研究与验证的,图中给出了两种改进方案与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