大涵道比涡扇发动机发展研究

大涵道比涡扇发动机用途广泛、市场巨大,对国民经济发展、国防建设和科技进步具有重大推动作用和战略意义。概述了国内外大型军民用运输机的发展现状,归纳了其性能与适航要求更高、经济性与环保性更好的发展趋势,总结了其多继承少创新,共用核心机系列化和军民融合的发展途径。针对中国目前和未来的需求,提出了需要突破的总体设计、稳定性、高压高效叶轮机、高性能燃烧室、先进空气系统等通用技术和适航、大尺寸弯掠风扇叶片、复合材料风扇叶片、低噪声设计、低污染燃烧室、反推力装置等特有技术。

大涵道比涡扇发动机总体性能与循环参数设计

大涵道比涡扇发动机采用高涵道比、高总增压比、高涡轮前温度,在总体性能和循环参数选取时应根据各参数的相互影响进行优化设计,要考虑包括安装条件、设计、材料、工艺水平限制,还要综合平衡性能、可靠性、耐久性和环保的要求。为了适应未来大涵道比涡扇发动机更经济、更清洁、更安静的要求,需要提高发动机总体性能的新途径和新技术,包括先进的传统大涵道比涡扇发动机、齿轮传动涡扇发动机和开式转子发动机。

《航空发动机》编辑委员会成员简介

沈锡钢,1963年10月出生,1988年硕士毕业于南京航空航天大学。自然科学研究员,博士生导师,享受国务院特殊津贴,国防科技工业'511人才工程'有突出贡献中青年专家,中国航空工业集团公司首席技术专家,《航空发动机》编委。现任沈阳发动机设计研究所副所长,国防科工委军用燃气涡轮发动机标准化技术委员会副主任委员,中国航空学会动力分会热力学委员会委员,全国航空器标准化技术委员会委员。

射流控制反推力装置流场数值研究

针对涵道比为8的涡扇发动机无阻流门叶栅式反推装置,利用CFD技术,计算分析了二次射流孔的位置、角度、孔数以及流量对反推力性能和外涵通道内流场流动特征的影响。计算结果表明:外涵流体与二次射流相互作用后,在二次射流下游产生了一个主涡和副涡,阻碍外涵气体向下游流动;射流孔位置对涡扇发动机的影响不仅体现在反推力效率,而且影响上游风扇后的气体压力不均匀度和背压;二次流射流角度对反推力性能的影响在诸多影响因素中占主导地位,存在一个最佳射流角度;二次流质量流量增加,反推力效率呈增加趋势;二次流入射孔的个数关系到相邻入射气流在周向的覆盖程度,从而影响反推效率;二次流射流位置、角度以及流量对反推性能的影响是相互耦合的,在反推力装置设计时需要综合考虑三者间的相互影响;在研究参数范围内,最佳的射流孔位置范围L=110mm^150mm,最佳射流角度α在10°~20°范围内。

叶栅参数对反推力装置气动性能影响规律

针对某型叶栅式反推力装置,开展了气动性能数值预测的研究工作。采用本文提出的数值计算方法,在不同落压比下反推力预测值与实验值最大相差8.2%。流场速度等值线分布展示反推力装置叶栅内部流动特征,叶栅叶盆处的旋涡和叶背处的失速是导致气动性能下降的不利因素。大量数值计算结果揭示了叶片进入角、出流角、稠度等结构参数对轴向反推力、流量系数、总压恢复系数的影响规律。在本研究范围内,叶片进入角54°、出流角135°、稠度1.3的叶栅几何结构综合气动性能最优。

喷管喉道面积变化对大涵道比分排涡扇发动机性能的影响

使用Gasturb软件计算和分析了大涵道比分排涡扇发动机内、外涵喷管喉道面积变化对发动机性能的影响。在低压转子换算转速一定的控制规律下,研究了某型发动机喷管喉道面积变化对发动机转差、裕度、涡轮进口温度、推力、耗油率的影响。经过对比这些相互关系,可以得到1个最合理的内、外涵的喷管面积,从而指导用户最大限度地优化发动机的性能和延长发动机的使用寿命。

涡扇发动机叶片包容性与转子不平衡试验

为研究某型大涵道比涡扇发动机叶片包容性和转子系统抗不平衡能力,开展了风扇叶片飞失后的机匣包容性和转子不平衡试验方法研究及验证。首先,采用在断裂叶片根部预置炸药断裂叶片的试验方法,应用设计的试验系统,在规定的发动机转速下,通过遥控爆破炸药技术实现1片风扇叶片在预定位置断裂;其次,高速摄像从不同方位记录了试验过程;最后,专项参数测量系统获得了非线性瞬态动力学响应结果。结果表明:叶片飞失后引起损伤叶片约为1.48个,均沿发动机进口或尾喷口轴向飞出,满足机匣包容要求;叶片飞失瞬间对机匣和转子系统产生了超过1000g的冲击载荷,转子传力路线上的承力结构完整,安装系统连接稳定,转子不平衡载荷引起低压转子支点轴承座与承力机匣连接螺栓丧失锁紧功能;发动机在引爆炸药后18 s停车。试验结果满足相关条款要求,验证了某大涵道比发动机叶片包容与转子不平衡的适航符合性。

涡扇发动机吞鸟适航完整性评定方法及验证

为探索适用于中国航空涡扇发动机的吞鸟适航符合性验证方法,针对吞鸟适航符合性验证需求,结合涡扇发动机研制,重点围绕中鸟附加的完整性评定要求,从试验发动机、试车台架、吞鸟试验专用设备和测试方案等方面,提出试验系统要求;从风扇叶片标识、鸟体发射系统布局、投鸟参数校准和鸟弹准备等方面,提出具体试验方法;从鸟的质量、投射位置、投射速度、试验状态和试验程序等方面,制定试验参数。依据制定的符合性验证方法,在露天试验台完成涡扇发动机整机试验验证,进行了中国涡扇发动机吞鸟适航符合性方法的探索与实践。结果表明:质量为0.71 kg的鸟弹以99 m/s的速度投向70%风扇叶高区域后,发动机推力损失2%,验证了涡扇发动机吞鸟后仍具有稳定工作的能力,为后续涡扇发动机开展吞鸟适航符合性的研究与验证奠定基础。

航空发动机吞鸟要求的发展

针对中国军用大涵道比涡扇发动机吞鸟验证需求,从美国、欧洲、俄罗斯和中国民用航空发动机适航规章和军用发动机通用规范、适航规章及吞鸟要求衍变历程、衍变内容和应用情况出发,对比分析军、民用吞鸟要求内容和内涵的差异。通过分析航空发动机吞鸟要求与应用的发展,研究吞鸟要求与发动机研制技术的关联性,提出中国自主研制的大涵道比发动机吞鸟要求应用建议。吞鸟要求的升级以更高的安全性需求为出发点,并随航空发动机设计技术提高得以实施和颁布;吞鸟要求的升级又指导着下一代发动机的研制,二者相辅相成螺旋提升;吞鸟要求的具体参数逐渐统一,并呈现越来越严格的特点。根据中国适航规章和通用规范吞鸟要求演变发展特点,结合中国军用大涵道比涡扇发动机研制技术现状,建议目前中国自主研制的大涵道比发动机按照FAR 33.77吞鸟要求的参数进行验证,并最终依托于发动机技术进步实现与现行吞鸟要求的一致性。

反推气流对发动机进口流场影响的数值研究

通过求解三维雷诺平均的Navier-Stokes(N-S)方程,获得了某大型运输机降落滑跑过程中,在不同滑跑速度下的反推气流扰流流场细节.单台发动机反推气流扰流流场的计算结果表明,在任何状态下,反推气流都不会被发动机重新吸入.飞机/发动机一体化计算结果表明:随着相对来流马赫数的减小,反推气流被发动机重新吸入的可能性不断增大.当相对来流马赫数减小到0.1时,反推气流会被外侧发动机重新吸入,此时,发动机进口截面出现了明显的流场畸变,周向稳态总压畸变指数增加明显.当相对来流马赫数减小到0.05时,两台发动机都会吸入反推气流.当相对来流马赫数减小到0时,反推气流没有被重新吸入发动机,但是反推气流会干扰吸入发动机的自由流,降低自由流的总压,从而也会造成发动机进口的流场畸变.

着陆滑跑状态下的反推力装置重吸入特性数值模拟

对大涵道比涡扇发动机叶栅式反推力装置,利用CFD技术,展示了叶栅式反推力装置开启后的流场流动特征,计算分析了飞机着陆滑跑马赫数和侧风速度对发动机进气道重吸入特性的影响.结果表明:在无侧风影响时,进气道对反推力气流的重吸入现象随着滑跑马赫数的增加而逐渐减弱并消失,重吸入特征参数值随着滑跑马赫数的增加而减小并达到允许值,该临界滑跑马赫数为0.08;在侧风环境中,侧风使得反推力气流在发动机一侧进入发动机进气道,导致风扇进口截面的总温畸变增大,重吸入特征参数值随着侧风速度的增加而增大,侧风的存在使得反推力装置关闭的临界滑跑马赫数从不存在侧风时的0.08提高到0.12.

大涵道比涡扇发动机风扇转子叶片优化

采用掠形设计技术对一台大涵道比涡扇发动机的风扇转子叶片进行了三维优化.通过三维定常Navier-Stokes(N-S)方程计算,分析了叶片尖部及根部掠形设计参数对风扇转子性能的影响.结果表明,叶片尖部前掠和根部后掠都能增加风扇转子的堵点流量,扩大其稳定工作范围.采用叶片尖部前掠和根部后掠的组合方案优化了叶片.单转子计算结果表明,优化后叶片的堵点流量增加约2%,设计流量点总压比和等熵效率分别增加5%和2%;风扇/增压级整机内外涵联算结果表明,优化后在起飞、巡航和爬升转速下,外涵的稳定工作范围都明显增加,巡航转速下,堵点流量增加约2.3%,失速点流量减小约5.2%,设计流量点的外涵总压比和等熵效率分别增加2%和0.8%,优化后内涵特性没有明显变化.

反推状态下大涵道比涡扇发动机气动稳定性预测与评估

为了预测与评估反推状态下,反推气流再吸入对大涵道比涡扇发动机气动稳定性的影响,采用反推气流扰流流场三维CFD数值模拟、发动机整机稳定性计算分析以及反推状态下发动机进气畸变台架试验相结合的方法,开展了反推气流对大涵道比涡扇发动机气动稳定性影响的研究。通过三维CFD数值模拟手段,捕获了反推状态下发动机进口流场的畸变程度。在此基础上,通过采用稳定性计算程序预测了发动机的气动稳定性,并进一步通过发动机台架试验,验证了预测结果。CFD计算结果表明,随着相对来流马赫数的减小,反推气流被发动机重新吸入的可能性不断增大,当相对来流马赫数减小到0.05时,外侧发动机进口的流场畸变情况变得最为严重。进气畸变情况下的整机稳定性计算分析以及发动机台架试验结果表明,在所考核的目标状态,若只存在因反推气流再吸入引起的进口流场畸变,是不会导致发动机失稳的。

叶栅式反推力装置开启过程的三维非稳态数值模拟与分析

针对涵道比为8的涡扇发动机叶栅式反推力装置,计算分析了反推力装置运动部件在不同运动控制规律下的开启过程对外涵流场、风扇背压、阻流门受力等影响。结果表明:在反推力装置开启过程总时间一定时,随着阻流门开始旋转的时间点向后推移,风扇背压的脉动强度增大,而阻流门受到的气动载荷会减小,存在折中的阻流门开始旋转时间点,即移动外罩开启1/3后阻流门开始旋转;开启反推力装置总时间变化对风扇背压脉动强度和阻流门受力的影响较小;紧急停飞状态下开启反推力装置,风扇背压脉动强度最大值达到20%,超过允许值,而阻流门所受到的最大气动载荷达到4 500N,相当于正常开启反推力状态下的4倍以上。