清華新聞網(wǎng)6月25日電 小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平是衡量國(guó)家科技水平的重要標(biāo)志，迄今仍在向高（氣動(dòng)熱力）參數(shù)、變循環(huán)方向追求極致發(fā)展。其中，不斷提高（比）負(fù)荷水平是風(fēng)扇部件技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要線(xiàn)索，設(shè)計(jì)者一直希望在最小軸向尺寸內(nèi)用最少級(jí)數(shù)，高效率、高裕度地實(shí)現(xiàn)更高總壓比。
縱觀(guān)而言，小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇部件總壓比從3-4向4-5、5-6發(fā)展，總級(jí)數(shù)呈現(xiàn)出由5級(jí)、4級(jí)減少為3級(jí)、2級(jí)的趨勢(shì)，表現(xiàn)為負(fù)荷系數(shù)從最初0.2增加到現(xiàn)役0.25、0.3再到預(yù)研的0.35-0.4（圖1）。新一代發(fā)動(dòng)機(jī)嘗試配裝總壓比5、負(fù)荷系數(shù)0.35以上兩級(jí)風(fēng)扇研制面臨重大挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為葉尖高馬赫數(shù)、氣流大折轉(zhuǎn)、靜葉根部超音引起流動(dòng)大分離、高損失、運(yùn)行范圍縮窄，以及葉排間、級(jí)間難以合理匹配，或者選用超低展弦比、高稠度導(dǎo)致部件軸向尺寸過(guò)大，致使難以實(shí)現(xiàn)“效率高于83%、裕度高于15%”的總體指標(biāo)要求。
圖1.不同時(shí)期典型小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇關(guān)鍵參數(shù)比較
面向上述挑戰(zhàn)，清華大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院先進(jìn)渦輪機(jī)團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)進(jìn)出口氣流預(yù)旋優(yōu)化、根部超音靜葉氣動(dòng)布局，采用前緣/重心解耦掠葉片、端區(qū)二面角控制和激波/交匯附面層誘導(dǎo)分離自適應(yīng)射流控制等三項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，完成了總壓比2.5、負(fù)荷系數(shù)0.38的風(fēng)扇級(jí)設(shè)計(jì)（該風(fēng)扇級(jí)對(duì)應(yīng)兩級(jí)總壓比5風(fēng)扇部件的第1級(jí)），并于近日?qǐng)A滿(mǎn)完成了該風(fēng)扇級(jí)性能全尺寸試驗(yàn)（圖2）。試驗(yàn)結(jié)果表明，該風(fēng)扇級(jí)設(shè)計(jì)點(diǎn)多變效率達(dá)89.1%（扭矩效率87.2%），峰值效率點(diǎn)達(dá)91.6%（扭矩效率88.1%），設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速綜合裕度達(dá)到11.8%，且其他非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速性能良好（圖3）。
圖2.兩級(jí)風(fēng)扇第一級(jí)風(fēng)扇級(jí)試驗(yàn)件
圖3.兩級(jí)風(fēng)扇第一級(jí)風(fēng)扇級(jí)部件性能試驗(yàn)結(jié)果
在攻克總壓比2.5高負(fù)荷風(fēng)扇級(jí)設(shè)計(jì)難題中，為解決傳統(tǒng)掠葉片難以實(shí)現(xiàn)三維激波損失和裕度協(xié)調(diào)控制、大掠角容易產(chǎn)生振動(dòng)的問(wèn)題，先進(jìn)渦輪機(jī)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出前緣/重心解耦掠葉片技術(shù)（圖4a），通過(guò)合理調(diào)整基元葉型最大厚度位置與積疊偏移量，實(shí)現(xiàn)前緣掠角和葉片重心掠角的解耦，通過(guò)近乎獨(dú)立控制三維激波損失和調(diào)整失速裕度，同時(shí)提升了風(fēng)扇級(jí)效率和失速裕度，且經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)試驗(yàn)件運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)很?。粸榭刂贫藚^(qū)分離，基于尾跡最優(yōu)設(shè)計(jì)和角區(qū)交匯附面層控制理念，采用創(chuàng)新提出的端區(qū)二面角控制技術(shù)（圖4b），大大削弱了端區(qū)交匯附面層分離流動(dòng)；為解決超音靜葉端區(qū)激波/交匯附面層誘導(dǎo)分離導(dǎo)致過(guò)大損失和堵塞問(wèn)題，基于多工況波系結(jié)構(gòu)分析，提出激波/交匯附面層誘導(dǎo)分離自適應(yīng)射流控制技術(shù)（圖4c），利用吸力面與壓力面壓差形成射流，其通過(guò)葉片根部特定區(qū)域開(kāi)縫吹散交匯附面層，繼而削弱端區(qū)激波/交匯附面層誘導(dǎo)分離流。以上三項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)可廣泛推廣用于各類(lèi)高負(fù)荷葉輪機(jī)，為下一代小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)提供堅(jiān)實(shí)技術(shù)支撐。
圖4.總壓比2.5風(fēng)扇級(jí)設(shè)計(jì)中使用的三項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)
（a）前緣/重心解耦掠葉片技術(shù)（b）端區(qū)二面角控制技術(shù)（c）激波/交匯附面層誘導(dǎo)分離自適應(yīng)射流控制技術(shù)
總壓比2.5高負(fù)荷風(fēng)扇級(jí)研制中，注意到當(dāng)前以“負(fù)荷系數(shù)”衡量風(fēng)扇/壓氣機(jī)負(fù)荷水平忽略了軸向長(zhǎng)度約束的問(wèn)題，創(chuàng)新性地引入“比負(fù)荷系數(shù)”指標(biāo)參數(shù)，更科學(xué)也更符合風(fēng)扇/壓氣機(jī)技術(shù)發(fā)展需求。按此新指標(biāo)衡量，該風(fēng)扇級(jí)（總壓比2.5、負(fù)荷系數(shù)0.38）“比負(fù)荷系數(shù)”達(dá)到0.55，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
供稿：航發(fā)院
編輯：李華山
審核：郭玲
