國外航空發動機空氣動力學研究概況

劉曉波，孫宗祥，鐘萍，陳麗艷

國外航空發動機空氣動力學研究概況

劉曉波，孫宗祥，鐘萍，陳麗艷

(中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽621000)

在航空發動機研制過程中，會遇到一系列空氣動力學問題，尤其是壓氣機、燃燒室、渦輪等重要部件的研究，需掌握復雜的空氣動力學流動機理與物理現象。對此，國外進行了大量研究。本文綜述了國外主要航空大國在航空發動機空氣動力學研究方面的基本情況，主要包括研究機構設置、主要研究工作及重要研究設備。最后，結合國內的研究現狀，為我國開展航空發動機空氣動力學研究提出幾點建議。

航空發動機；空氣動力學；壓氣機；燃燒室；渦輪；試驗設備

1 引言

航空發動機技術包含諸多關鍵技術，而空氣動力學是其中一項十分重要的內容，涉及核心機(壓氣機、燃燒室、渦輪)內部的氣流流動，還需考慮內、外流耦合及渦輪葉片內部氣流特性問題[1]。美國、英國、俄羅斯、法國、德國是國外研究航空發動機的主要國家，在航空發動機研制過程中均成立了專門的空氣動力學研究機構，建設了許多重要地面試驗設備，對航空發動機遇到的關鍵空氣動力學問題進行了技術攻關，并獲得了大量研究成果。目前，國外關于航空發動機空氣動力學研究的重點，是一種自適應發動機技術(通過增加第三氣流提高核心機推力，降低燃油消耗)。美國的自適應通用發動機技術項目(ADVENT)及其后繼自適應發動機技術發展項目(AETD)，都以此為研究重點。本文從上述部分國家進行航空發動機空氣動力學研究的機構設置、具體研究工作及研究設備等方面進行了闡述，希望為解決國內航空發動機的重大空氣動力學問題攻關提供參考；此外，結合國內研究現狀，為我國開展航空發動機空氣動力學研究提出幾點建議。

2 美國

2.1機構設置

美國進行航空發動機空氣動力學研究的主要機構有：航空航天局(NASA)下屬的格林研究中心、空軍下屬的阿諾德工程發展中心(AEDC)和空軍研究實驗室(AFRL)。格林研究中心主要負責發動機主要部件(包括壓氣機、燃燒室、渦輪)的研究與試驗[2]，進行流動物理方面的基礎研究，擁有多個專門從事發動機部件研究的實驗室，如航空聲學推進實驗室等。AEDC主要進行航空發動機一體化試驗與評估，其開展推進試驗研究已有50余年。AFRL技術部中設專門研究推進技術的部門，是航空發動機三大部件空氣動力學研究的總管機構。

2.2研究工作

2.2.1NASA格林研究中心

NASA格林研究中心在航空發動機空氣動力學方面的研究，基本上都與NASA提出的各項航空推進研究計劃緊密相關，如超高效發動機技術(UEET)計劃、高效發動機與發動機部件改進計劃、先進亞聲速技術與通用航空計劃等，具體體現在三個方面[3]：

(1)壓氣機技術。近年來，其壓氣機研究主要在UEET計劃的資助下展開，主要從主動和被動控制方面進行設計與驗證，以增強穩定性，提高失速裕度。開發的性能預測程序復雜三維壓氣機葉型，能很好地設計和優化。如采用后掠葉片降低沖擊損失，使用弓形靜子降低端壁損失，采用特定葉片根部預防流動分離等。

(2)燃燒室技術。近年來，格林研究中心在提高現代燃燒室耐久性和穩定性的同時，繼續開展降低氮氧化物排放的研究，開發了一種雙環形燃燒室，并引入數字發動機控制概念，使氮氧化物降低了35%～40%；另外，通過引入雙環預混渦流器和貧油直射式噴嘴，使氮氧化物降低50%～70%。燃燒室結構方面，開發了耐久性高溫燃燒室火焰筒，并為高能量密度的漿形燃料研制了陶瓷火焰筒(目前可承受1 589～1 755 K的高溫)、分段式翅壁型火焰筒和匍匐式火焰筒。數值計算方面，在1998年開發了國家燃燒室計算程序(NCC)。當與葉輪機性能預測程序(APNASA)一起使用時，NCC可實現對整個發動機的性能預測。

(3)渦輪技術。目前，格林研究中心正開展無冷卻和有冷卻的低壓渦輪研究。主要包括渦輪葉尖間隙控制、利用吹吸氣進行渦輪流動控制、渦輪工作狀況監測研究、渦輪封嚴研究等。

2.2.2AEDC

AEDC是推進試驗先驅，其試驗艙能提供重要的試驗與評估服務，支持美國國防部、工業部門和國際計劃。主要客戶是美國空軍，近年也為日本、德國等提供商業試驗。

AEDC的航空推進試驗艙，可進行發動機性能、操作性能、航空力學、結冰、侵蝕、進氣道壓力畸變、進氣道溫度畸變、加速任務、發動機進氣道動力學、任務模擬和發動機部件等方面試驗。擁有多座發動機試驗艙，無論試驗部件是小型巡航導彈發動機，還是航空工業所用的大型渦扇發動機，都能滿足客戶需求。AEDC在航空發動機空氣動力學方面的研究，采取與航空航天工業公司聯盟的方式進行。如與P&W公司、GE公司的噴氣發動機試驗合作，與波音公司和空軍裝備司令部共同進行的波音公司下一代亞、超聲速運輸機的發動機研發試驗等。

2.2.3AFRL

AFRL中的推進技術研究可分為航空推進和航天推進兩大類。從事航空推進的是渦輪發動機研究部門，主要對渦輪推進技術的發展進行規劃與預測，并進行大量基礎研究，同時對所設計的發動機進行技術評估。AFRL對航空發動機空氣動力學的研究主要包括：發動機整體性能評估、燃燒試驗研究、實驗方法研究、風扇和壓氣機研究、機械系統研究、推進系統研究、結構設計及渦輪研究。

2.3研究設備

格林研究中心進行航空發動機空氣動力學研究的設備，包括發動機部件和發動機整機試驗設備兩大類[4]。其中，發動機部件試驗設備集中在航空聲學推進實驗室、發動機研究試驗大樓、先進亞聲速燃燒試驗臺和發動機部件研究實驗室1B試驗艙。發動機整機試驗設備集中在發動機部件研究實驗室2B試驗艙和推進系統試驗室。每個實驗室都有用于不同發動機部件試驗的多個試驗臺。

AEDC的717試驗室專門從事航空推進系統試驗，目前有9座設備[5]運行。其中，C-1和C-2試驗艙構成航空推進系統試驗設備，可模擬真實任務環境，是大型軍用和商用發動機試驗的國家唯一資產。這也使得AEDC成為美國空軍在渦輪發動機試驗領域的專業中心。J-1和J-2試驗艙是開展中等尺寸和大型渦輪發動機試驗的高空模擬試驗設備，其能力與C-1和C-2設備相當，只是尺寸更小。SL-2和SL-3是海平面試驗艙，無進氣道和排氣裝置，大大降低了設備裝置的運行成本，可經濟開展大型加力渦輪發動機接近海平面條件(300 m高度)的試驗。T-3、T-4和T-11高空試驗艙是多用途多變化混合試驗艙，開展小型和中等尺寸渦輪發動機試驗。

AFRL有多座進行航空發動機空氣動力學研究的試驗設備，包括部件空氣研究設備、旋轉部件試驗設備、壓氣機研究設備、高壓燃燒室研究設備、渦輪發動機疲勞設備、發動機環境研究設備等。

3 俄羅斯

3.1機構設置

俄羅斯中央航空發動機研究院(CIAM)成立于1930年，是俄羅斯最大的航空研究機構，也是歐洲最大的航空發動機試驗中心，能在接近真實飛行條件下對航空發動機及其部件、系統和構件進行試驗研究。CIAM進行航空發動機空氣動力學研究的技術力量，主要集中在其研究試驗中心(CIAM RTC)。CIAM RTC是俄羅斯唯一及歐洲最大的能進行全尺寸吸氣式發動機高空、速度及特種試驗的中心，地位相當于美國的AEDC和格林研究中心。

作為俄羅斯航空發動機研究的牽頭單位，CIAM與美國、英國、法國、德國、中國、印度、加拿大等國的著名航空發動機公司及研究機構均有合作。

3.2研究工作

CIAM幾乎涉及所有與航空發動機相關的研究領域，從基礎物理過程到新型航空發動機的設計、研制、改造與鑒定，對發動機使用過程中的可靠性和故障提供技術支撐。主要科研活動包括：氣動、燃料、傳熱、結構強度分析和發動機控制理論方面的基礎研究；噴氣發動機理論和先進發動機性能優化研究；發動機部件與組件和燃氣發生器系統的應用研究；對發動機制造設計局正在進行的研究項目給予科學理論保障；為實驗發動機及其系統和零部件進行試驗；探索改進航空發動機，并解決環保問題；負責確定航空發動機預研型號及其研制項目，制定相應的技術條件等。CIAM RTC主要進行以下工作：①動力設施配套建設，確保提供模擬飛行條件；②試驗設備建設，使其能進行推力高達245 kN的航空發動機特種試驗；③航空發動機及其部件的強度研究。

此外，CIAM還具備高性能數值模擬能力，可對發動機內部流動的物理過程(定常與非定常的氣體動力學現象、燃燒、傳熱等)、發動機部件及整機結構的耐久性進行模擬。

3.3研究設備

CIAM進行航空發動機空氣動力學研究的主要設施包括：噴氣發動機高空試車臺、發動機小型試車臺、可模擬不同氣候的氣候試車臺、實驗飛機起降研究的開口式風洞、研究壓氣機氣動特性和強度的壓氣機試驗臺等。總體上，俄羅斯研究航空發動機設備與法國、英國的相當，但未達到美國的水準。

4 法國

4.1機構設置

法國進行航空發動機空氣動力學研究的部門，主要集中在航空航天研究中心(ONERA)總體技術部下的應用空氣動力學研究室(DAAP)。在應用空氣動力學研究室，有一個專門研究葉輪機部件的團隊，主要任務是對壓氣機和渦輪等部件的氣動性能進行計算與預測。

4.2研究工作

近年來，ONERA主要通過地面試驗臺和數值計算方法進行航空發動機壓氣機、渦輪的氣動性能預測與計算，分析發動機部件上的氣流流動情況，了解不同氣動現象。研究的主要內容包括：數值優化計算、風扇研究、非定常流研究、氣動不穩定性研究、航空熱力學研究、航空聲學研究、微型渦輪研究、軸流式機械研究及離心式機械研究等。

數值計算方面，ONERA自行開發了一套軟件(Cedre)，利用其可對單個轉子結構(定常)和級間結構(非定常)進行三維、準三維計算。目前，ONERA的新型超級計算機已能對一種帶多點噴射的燃燒室進行數值模擬，包括模擬燃燒氣體及煤煙的排放與吸收、預測激波現象和大飛機聲學傳播現象等。

4.3研究設備

法國從事航空發動機空氣動力學研究的設備主要位于ONERA的莫當中心[6]，包括S4B、BD2、R4和TURMA等4座設備。另外，還有3座具有代表性的吸氣式推進(渦輪)高空試驗臺，分別是CEPr/R5、CEPr/R3和CEPr/R4。

TURMA[7]于1996年投資興建，2008年正式交付使用，并完成了高壓渦輪(包括靜子與轉子)的首次氣動試驗，使ONERA研究航空發動機空氣動力學的能力得到較大提升。TURMA主要用來研究兩級同轉或反轉渦輪的葉輪上空氣動力學的流動問題。試驗模型包括渦輪本身所有的固定部件(如靜子、中間管道等)和轉動部件(如轉子)，連接渦輪上下游部件的其它附件(如界面管道)。可對單獨的高壓靜子、整個高壓渦輪(高壓靜子+高壓轉子，順轉或逆轉)、整個高壓渦輪+渦輪導向葉片(NGV)、整個高壓渦輪+/-低壓NGV+低壓轉子(順轉或逆轉)等渦輪結構進行試驗，每種渦輪的旋轉方向和旋轉速度完全獨立控制。TURMA可稱為微溫試驗臺，使用全尺寸靜子和轉子，利用現有的測試技術能精確測定轉子的力學性能，并準確分析轉子、靜子等部件上非常復雜的氣動現象。

5 德國

5.1機構設置

德國進行航空發動機空氣動力學研究的機構，主要為航空航天研究中心(DLR)下屬的推進技術研究所。該研究所在柏林與哥廷根另設有兩個分部，柏林分部的研究內容不詳，哥廷根分部主要從事應用型航空學研究。該研究所下設8個研究室，分別為燃燒室研究室、燃燒試驗研究室、風扇與壓氣機研究室、數值方法研究室、發動機研究室、發動機聲學研究室、發動機測量技術研究室和渦輪研究室。

5.2研究工作

德國在航空發動機方面的研究側重于基礎研究。如壓氣機、渦輪等葉片上氣流的流動情況研究，燃燒室空氣動力學場診斷技術研究等[8]。總體看，DLR推進技術研究所主要從事葉輪機、燃燒室和發動機整機三方面研究。在葉輪機方面研究的主要目標，是驗證槳扇技術、提高推重比和單位功率、改進空氣動力學冷卻理念、完善三維非定常計算方法等。在燃燒方面研究的重要目標，是研發和試驗新概念燃燒室，在穩定無煙燃燒過程中降低氮氧化物生成。發動機整機的研究主要是考慮集成問題，如壓氣機、燃燒室和渦輪間的耦合匹配問題。此外，還進行發動機主動噪聲控制與降低方法研究、尾氣排放研究、點火安全性研究等。

在航空發動機數值模擬方面，DLR推進技術研究所專門為計算和研究葉輪機空氣動力學流動開發的一套數值模擬軟件TRACE。經過近十年的開發和驗證，此軟件已逐漸完善。已成為DLR計算空氣動力學的標準方法，經常用來自動優化壓氣機的葉片，而且還可對航空發動機燃燒室的燃燒過程進行數值模擬。這套軟件在許多大學里面也有成功應用，如對復雜的非定常葉輪機流動進行科學分析；在工業部門也得到了應用，如開發和優化發動機部件。

5.3研究設備

DLR推進技術研究所有23座不同類型的設備，如大氣部段燃燒室(ASC)、單頭部燃燒室(SSC)、高壓燃燒試驗臺(HBK1、HBK2、HBK3、HBK4)、多級雙轉軸壓氣機試驗設備(M2VP)、低速葉柵風洞(NGG)、離心式壓氣機設備、探頭校準設備(SEG)、亞聲速葉柵風洞、聲學試驗段等。這些設備對航空發動機空氣動力學研究起到了十分重要的作用。

6 建議

航空發動機空氣動力學研究十分復雜，涉及旋轉空氣動力學、氣體熱力學、結構與材料學、傳熱學、制造工藝學等幾乎全部學科，要成功研制出高性能航空發動機，必須攻克其空氣動力學問題。結合國內航空發動機空氣動力學研究現狀，提出幾點建議：

(1)開展空氣動力學研究，可從葉柵的葉型、壓力分布、結構材料選取；轉子轉動對靜子的影響，多級壓氣機級間氣流的影響等開始。基于中國空氣動力研究與發展中心現有的試驗條件和數值模擬能力，及在外流空氣動力學研究方面積累的豐富經驗，可部分開展航空發動機的空氣動力學研究，特別是開展航空發動機的內外流耦合研究、空氣動力學測量研究、燃燒室研究、利用前期開展超燃沖壓發動機內流場計算獲取的寶貴經驗，開展航空發動機內流場的計算研究。

(2)借鑒國外組織管理模式，重點開展基礎和應用研究。目前，國內航空發動機產業大致可分為院校、研究所和工廠三大部分。院校控制技術成熟度的前三級，主要側重于理論和方法研究，包括氣動方面的問題。研究所控制技術成熟度的四至六級，主要進行設計、試飛與運行，側重于結構方面的問題。而工廠控制技術成熟度七至九級，側重于生產與維修等方面的問題。因而中國空氣動力研究與發展中心可在院校和研究所之間找到切入點，進行技術成熟度一至六級之間的研究。在管理模式和研究內容上，可借鑒格林研究中心、AFRL和DLR推進技術研究所的模式，開展基礎和應用研究。

(3)CFD技術可作為中國空氣動力研究與發展中心切入航空發動機空氣動力學研究的切入點和突破口。目前，國內外已開發了一些數值模擬軟件(CFD技術)用于航空發動機空氣動力學研究，而且有些已經商用，尤其是國外。不過，從應用情況來看，其可靠性還有待進一步完善。模擬不準確是因為未考慮空氣動力學中氣流旋轉問題，進行航空發動機空氣動力學研究還是要以試驗為主。在試車臺或試驗車測得其真實數據，CFD數據主要起部分校準和驗證的作用。但隨著CFD技術的快速發展，其在航空發動機空氣動力學研究方面的作用將越來越重要。

(4)試驗設備在航空發動機空氣動力學研究上起十分重要的作用，需要建設一些零部件試驗臺，(如亞、跨、超聲速的葉柵風洞，風扇噪聲試驗臺，高壓與低壓燃燒室試驗臺，多級壓氣機試驗臺，高壓與低壓渦輪試驗臺)和研究壓氣機、燃燒室、渦輪耦合與匹配問題的整機試驗臺。

(5)結合基礎研究與應用研究，搞出有顯示度的成果。航空發動機在國內尚未取得重大進展的原因，在于空氣動力學研究沒有突破，需要大量技術儲備。因此，目前中國空氣動力研究與發展中心應遵循科學規律，認真梳理關鍵技術，找準突破口和切入點，由小到大地把航空發動機空氣動力學問題的應用研究與基礎研究結合起來。

[1]劉大響.航空發動機技術的發展與建議[J].中國工程科學，2000，(6)：76—82.

[2]鄧明.航空燃氣渦輪發動機原理與構造[M].北京：國防工業出版社，2008.

[3]KhalidSJ.InvestigatingTurbofanEngineInternal Aero-dynamics[R].A965027

[4]Glenn Research Test Facilities[EB/OL].2011.

[5]2008 AEDC Test Facility[R].2008.

[6]ONERA 2009 annual report[R].2009.

[7]Massonnat J M.Development in Turbine Testing at ONE?RA[R].2011.

[8]Beitel G R，Jalbert P A，Plemmons D H，et al.Develop?ment of Embedded Diagnostics for Internal Flow-Field MeasurementsinGasTurbineEngines[R].AIAA 2004-6865，2004.

An Overview of Aero-Engine Aerodynamics Overseas Research

LIU Xiao-bo，SUN Zong-xiang，ZHONG Ping，CHEN Li-yan
(China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China)

The aero-engine development will encounter a series of aerodynamic challenges,especially for vital components such as compressor,combustor and turbine.A great deal of such study had been per?formed overseas in the past decades.An overview of aero-engine aerodynamics research conducted in ma?jor aeronautical countries was presented,including research units setup,main research work and test facili?ties utilized.In the end,several proposals for our own aero-engine aerodynamics research were given.

aero-engine；aerodynamics；compressor；combustor；turbine；test facility

V236

A

1672-2620(2013)04-0058-05

2012-12-07；

2013-03-24

劉曉波(1974-)，男，湖南隆回人，副研究員，主要從事空氣動力學的情報研究。