风扇/压气机气动设计技术发展趋势——用于大型客机的大涵道比涡扇发动机

分析了大型客机使用的当代先进大涵道比涡扇发动机及其下一代的风扇/压气机气动设计技术的现状和发展趋势,探讨了我国研制高性能大涵道比涡扇发动机在风扇/压气机方面所面临的严峻挑战,以及为了满足我国研制大涵道比涡扇发动机的需求,需要在风扇/压气机气动研究方面尽快展开的一些关键研究.      

带涡轮燃烧室的涡扇发动机设计点性能分析

本文采用气动热力循环参数分析方法,对一分开排气、涡轮级间带燃烧室的涡扇发动机进行了设计状态下的气动热力计算,分析了发动机不同部件对总体性能的影响。其结果可为新一代涡扇发动机的设计提供参考。     

风扇／压气机气动噪声实验研究

通过WP11压气机转子在亚音、跨音速条件下运行时的声近场测试，得到了风扇/压气机转子的各类气动噪声声源声近场频率及其传播特性，探讨了风扇/压气机各类气动噪声声源的发声机理。为航空涡扇发动机短仓进气部分消声声衬结构设计和位置选择及风扇/压气机声学设计与噪声预测提供了依据。     

弹用涡扇发动机的特点及其发展动向

远程巡航导弹均用涡扇发动机作为主发动机.这种弹用涡扇发动机与普通航空涡扇发动机相比具有许多不同的特点.其基本特征是小体积、小推力、低成本和短寿命.本文讨论了这种弹用涡扇发动机的设计准则、总体性能、结构、制造工艺及其发展动向.     

大涵道比涡扇发动机风扇/压气机气动设计技术分析

 对用于大型客机的大涵道比涡扇发动机的风扇/压气机气动设计技术现状及其发展趋势进行了概述,分析了其技术难点,旨在说明我国发展高性能大涵道比涡扇发动机在风扇和压气机方面将面临的一些挑战,并分析亟待突破的一些关键技术。     

民用间冷回热涡扇发动机高压压气机方案探索

间冷回热涡扇发动机为实现间冷和回热过程,其高压压气机布局与常规高压压气机布局有着较大差异。对间冷回热涡扇发动机高压压气机布局特点进行了分析,并在此基础上提出了1级轴流+1级离心的高压压气机布局方案。其数值模拟结果表明,该高压压气机设计点气动性能达到了指标要求,流场分布较为合理。同时,综合考虑气动、结构、工艺等因素,选择整体叶盘、整体大小叶片离心转子结构作为其初步结构方案。     

可调压力畸变模拟器的设计与研究

畸变模拟器是小型涡扇发动机气动稳定性的核心技术,本文创新设计月牙板式可调压力畸变模拟器,用于涡扇发动机抗畸变试验。畸变模拟器的研制采用了结构设计与气动设计并行的方案,结构设计采用小尺寸机械传动方式,气动设计通过数值模拟完成了模拟器插板的优化设计,通过大曲率插板改善了插板后流场。通过畸变模拟器吹风试验表明,畸变模拟器出口截面马赫数达到了0.24~0.44,插板的堵塞系数在14.2%~29.2%内,畸变模拟器的综合畸变指数在2%~20%内连续可调,满足小型涡扇发动机工况包线和抗畸变试验所需综合畸变指数。     

飞航导弹/涡扇发动机一体化设计-优化设计

利用飞机／涡扇发动机一体化设计的思路，建立了飞航导弹／涡扇发动机一体化设计的优化设计模型并给出了算例和分析。根据飞航导弹的要求对涡扇发动机进行了循环参数优化选择并预测了未来涡扇发动机的发展趋势。在考虑导弹空重、有效载荷和气动特性的情况下，预测了未来先进飞航导弹的性能。建立的飞航导弹／涡扇发动机一体化优化设计模型还能够用于已有飞航导弹的任务剖面的优化设计，具有很好的工程实用价值。     

风扇/压气机气动设计系统建设初探

简述了中国一航沈阳发动机设计研究所风扇/压气机气动设计系统建设的基本思路.为了积累设计经验、规范设计方法、减轻设计人员劳动强度、提高设计效率和可靠性, 在多年风扇/压气机设计及型号研制的基础上, 初步完成了可视化、网络化的风扇/压气机现代气动设计系统的建设.该系统已经过初步测试, 现已应用于工程设计中.      

弹用涡扇发动机气动稳定性计算与评定

介绍了弹用涡扇发动机气动稳定性计算的基本方法和评定流程。给出了进气畸变、附加功率提取、附加引气、加速过程对弹用涡扇发动机气动稳定性影响的计算分析模型。其中，进气畸变对发动机气动稳定性影响的计算采用平行压气机模型，基于李亚普诺夫理论的方法完成；附加引气、功率提取对发动机气动稳定性的影响采用通过对发动机转子间质量、动量、能量守恒方程进行修正的方法进行；加速过程对发动机气动稳定性的影响采用欧拉方法求解动态的质量、动量、能量守恒方程的方法完成；最后采用“层叠”的方法进行各种降稳因素的综合评估。通过比较可以看出，进气畸变是弹用涡扇发动机主要的降稳因素。     

涡轮基组合动力技术发展分析

在高超声速推进系统中,涡轮基组合动力装置凭借宽广的飞行范围和良好的比冲性能,成为临近空间飞行器的主要候选动力装置。历经几十年发展,其在关键技术方面取得了诸多突破,目前正向着工程研制方向迈进。通过对国外TBCC动力技术的发展路径、技术特点、研制经验进行系统分析,认为TBCC动力技术研究主要围绕高速涡轮发动机、冲压发动机以及组合循环发动机的技术验证开展。用于TBCC动力的涡轮发动机首选是现有发动机的改进,未来可能在继承涡轮发动机先进技术的基础上,针对高马赫数任务场景等特点进行适应性设计,发展高速涡轮发动机;冲压发动机技术进展显著,但还需向大尺寸方向发展;模态转换技术虽然取得一定突破,但还需深入验证。基于未来临近空间飞行器的需求,立足于现有技术基础和可预见的技术方向,分析提出了TBCC动力技术发展建议：提前开展关键技术预研、基于现有资源发展演示验证平台及进行基于技术发展需求的飞发协同设计。     

跨声速双级轴流压气机对周向进气总压畸变的响应特性分析

基于所建立的总压畸变矩阵传递模型,对周向总压畸变下某型跨声速双级轴流压气机容畸变特性进行了详细的数值分析,揭示出了多级环境下轴流压气机对进气畸变的衰减/增益变化规律,这对理解增强多级轴流压气机抗压力畸变能力机理,提高多级轴流压气机性能和扩大其稳定工作范围意义明显。      

涡轮基组合循环发动机性能数值模拟

分析了涡轮基组合循环发动机的布局方式,选择串联式涡扇-冲压组合发动机方案作为研究对象,给出了涡扇发动机和冲压发动机主要设计参数,阐述了涡轮冲压组合发动机模态转换点的选择方法,选择马赫数3作为工作模态转换点。基于模块化合成程序的研究思想,采用数值模拟方法研究了沿飞行轨迹的涡轮冲压组合发动机的气动热力学参数以及性能特性,研究表明,可在推力波动不大于10%的情况下完成工作模态转换。     

某型涡扇发动机起动过程数值模拟

基于发动机设计点参数和压气机、涡轮高转速特性数据,完善了一种计算风扇、高压压气机和高、低压涡轮小转速特性近似方法,并进一步基于涡扇发动机部件匹配技术,建立了某型涡扇发动机起动过程计算模型及相应算法,给出了比较合理的发动机起动过程模拟结果.      

基于并行遗传算法压气机叶片自动优化设计

结合小生境法与算子自适应法对基本遗传算法进行改进,采用WinSock接口、多线程、CS体系结构,实现并行遗传算法.将并行遗传算法与NS方程流场计算方法、Hicks-Henne函数叶型参数化方法结合构成叶型自动优化设计软件,软件可用于叶型设计和对已有叶型的改进.在构造目标函数时,根据工作攻角范围,构造了考虑非设计点性能的目标函数.分别对进口马赫数为0.5和0.9左右的叶栅采用三台计算机进行并行气动优化设计,优化叶型设计点和非设点性能都明显好于原始叶型.     

采用高负荷弯曲静叶的压气机改型研究

采用适合高亚音速气流进口的大折转角弯曲静叶对某型高负荷风扇级进行改型设计,使用单列弯曲静叶代替原型级中的串列静叶。采用三维成型技术设计弯曲静叶,引入叶片局部修型措施控制和改善栅内流动,通过数值模拟三维流场得到原型级和改型级的设计转速特性线和设计点的气动性能。研究结果表明:采用三维成型的高负荷弯曲静叶在优化压气机结构的同时也提高了压气机的气动性能,将是研发高性能压气机可采取的重要措施之一。      

压气机内部噪声特征与转子叶片声固耦合机理分析

航空发动机压气机转子叶片故障多由机械激励和气动激励造成,而高强声波对转子叶片的激振因素不容忽视。通过开展某型涡扇发动机压气机内部噪声测试试验,研究压气机转子叶片振动机理及其与噪声信号的对应关系。阐述了压气机内部旋转不稳定性非定常压力波作用机制,提出了基于刚性壁声波导管技术的导出式噪声测量方法,完成了某型涡扇发动机压气机内部噪声信号测试,对噪声信号进行了频谱分析和声传播特性分析。研究结果表明,某型涡扇发动机压气机内部噪声信号频谱呈现高峰值纯音分量1 402 Hz,并且该纯音分量与转子叶片通过频率呈现特定的频率组合关系。该纯音分量的噪声源在压气机内部沿发动机顺航向方向从后向前传播。利用旋转不稳定性理论,将声源频率在不同坐标系下进行转换,当噪声源周向模态数为13时,该纯音分量可调制出与高压一级转子叶片一阶振动频率相对应的激振频率。     

微型涡喷发动机顶层设计研究

对微型涡轮喷气发动机的顶层设计问题进行了研究。首先分析了发动机尺寸对性能的影响,揭示了微型发动机推重比具有与尺寸成反比提高的潜力。基于各相关学科近期能达到的技术水平,选择了微型发动机尺寸并提出了初步设计方案。对微型涡喷发动机的压比、燃烧室出口温度和各部件效率等设计参数进行了单变量和双变量分析,得到了这些参数对推力、耗油率等性能的影响规律。提出了一个能简便准确地判断微型发动机顶层设计方案是否能产生推力的判别准则,并得出了高、中、低性能的三种气动热力参数顶层设计方案。      

机动飞机／发动机设计参数的一体化选择

发展了一种机动飞机／发动机设计参数的一体化选择方法和软件。根据机动飞机的飞行任务要求，确定设计目标和约束，其中包括飞机性能约束和发动机部件设计约束，并以此对飞机的主要设计参数和发动机循环参数进行一体化优选。该软件由飞机几何、飞机质量、飞机气动性能、发动机非安装和安装性能、发动机质量和外廓尺寸、飞机性能、优化等模块组成。此软件已应用于已有机动飞机／发动机的改型方案论证和未来高机动飞机／发动机方案的分析研究，本文给出部分计算实例。使用此软件的经验表明，计算结果合理，计算精度和所需时间适合于飞机／发动机系统方案论证和初步设计。     

以已有核心机为基础进行发动机系列发展的初步研究

在已有的核心机基础上可发展出一系列发动机。部件匹配的约束条件将限制设计循环参数的选择。为了进行定量分析,建立了一个性能仿真模型。以发展大涵道比涡扇发动机为例,说明了约束条件对设计循环参数的限制。初步分析给出了循环参数和总体性能间的关系。