燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)分析方法綜述

陸勝軍

摘要：燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)防、經(jīng)濟(jì)占據(jù)著重要的地位，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的代表。本文通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)分析方法，目前主要有單設(shè)計(jì)點(diǎn)方法、順序多設(shè)計(jì)點(diǎn)方法、同步多設(shè)計(jì)點(diǎn)方法，以及飛發(fā)一體化循環(huán)分析方法。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，不同的分析方法殊途同歸，都是為了更好的與飛行器匹配，提高效率，減少設(shè)計(jì)迭代。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī);循環(huán)分析;多設(shè)計(jì)點(diǎn)

當(dāng)前，絕大多數(shù)高速、大中型軍民用飛機(jī)都采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)主要分為渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)等類型，這些航空發(fā)動(dòng)機(jī)分別應(yīng)用于直升機(jī)、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、固定翼飛機(jī)等，無(wú)論在軍用或是民用領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用。

燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是門(mén)檻極高、難度極大的高端制造業(yè)，由于其投入周期長(zhǎng)，技術(shù)難度大等特點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中對(duì)每一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都要斟酌再三，力爭(zhēng)完美。其中燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)分析是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)初始階段重要的設(shè)計(jì)過(guò)程，改進(jìn)完善循環(huán)分析方法不僅有助于提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)水平，還能提升研發(fā)設(shè)計(jì)效率，減少反復(fù)迭代次數(shù)。

1 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)分析

循環(huán)分析，即熱力循環(huán)參數(shù)分析，是確定發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)性能的過(guò)程。這一過(guò)程是根據(jù)選擇的一組設(shè)計(jì)參數(shù)（對(duì)于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)而言，如壓氣機(jī)總壓比OPR、渦輪前溫度T4）和各部件技術(shù)參數(shù)（各部件的效率，損失等），通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)一維數(shù)值仿真計(jì)算來(lái)定義的。循環(huán)分析目的是根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)、飛行條件以及各種約束限制的組合來(lái)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)性能參數(shù)的估計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，循環(huán)分析主要由兩部分組成，設(shè)計(jì)點(diǎn)循分析和非設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析。

設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析，是為了滿足設(shè)計(jì)點(diǎn)性能要求而確定的發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)參數(shù)和流道尺寸。就渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)而言，通過(guò)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)（OPR、T4）的不同組合，得到不同幾何尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)，從而創(chuàng)建候選發(fā)動(dòng)機(jī)的可行域。

非設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析，是在完成設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析后，對(duì)可行域內(nèi)的候選發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能評(píng)估，檢驗(yàn)該候選發(fā)動(dòng)機(jī)是否能夠滿足整個(gè)工作包線范圍內(nèi)的性能指標(biāo)要求。因此非設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析是對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析創(chuàng)建的可行域進(jìn)行進(jìn)一步的裁剪和修正。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)分析方法發(fā)展

2.1 單設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析方法

傳統(tǒng)的單設(shè)計(jì)點(diǎn)方法應(yīng)用最為廣泛，也最為簡(jiǎn)單。它是利用設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析確定發(fā)動(dòng)機(jī)基本可行域，再加以非設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析進(jìn)一步修正基本可行域嗎，形成候選可行域，從而作為循環(huán)選擇的輸入，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)。該方法雖然簡(jiǎn)單方便，但是其缺點(diǎn)也是十分明顯的，沒(méi)有一個(gè)迭代優(yōu)化的過(guò)程，導(dǎo)致很多發(fā)動(dòng)機(jī)部件特性數(shù)據(jù)需要基于大型而又準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫(kù)，才能得到一個(gè)相對(duì)精確的循環(huán)分析結(jié)果。

2.2 順序多設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程師們不滿足于這種不夠“智能”的單設(shè)計(jì)點(diǎn)方法，在1986年，Steinmetz和Wagner共同開(kāi)發(fā)了一種渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，可以滿足兩個(gè)及以上設(shè)計(jì)點(diǎn)的推力需求，命名為順序設(shè)計(jì)點(diǎn)方法。該方法的循環(huán)迭代方法如圖2所示，從形式上看，它是單設(shè)計(jì)點(diǎn)方法的設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析和非設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析通過(guò)某種聯(lián)系結(jié)合而成的迭代過(guò)程。順序設(shè)計(jì)點(diǎn)方法與傳統(tǒng)單設(shè)計(jì)點(diǎn)方法不同之處在于循環(huán)設(shè)計(jì)過(guò)程是根據(jù)不同設(shè)計(jì)點(diǎn)按順序一個(gè)個(gè)迭代完成的。文獻(xiàn)中描述的順序設(shè)計(jì)點(diǎn)方法迭代關(guān)鍵參數(shù)為最大爬升狀態(tài)的T41，在不同的總壓比和涵道比組合下，定義最大爬升狀態(tài)為各部件的氣動(dòng)設(shè)計(jì)點(diǎn)，繼而定進(jìn)行循環(huán)設(shè)計(jì)，但最大T41和燃?xì)鉁u輪所需冷氣量由起飛狀態(tài)定義，最后通過(guò)起飛狀態(tài)的非設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析，不斷循環(huán)迭代T41以滿足最大爬升狀態(tài)T41的要求，從而完成渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)之上，還可以增加更多的飛行工作狀態(tài)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算。

這種方法有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即需要了解氣動(dòng)設(shè)計(jì)點(diǎn)是如何影響其它設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能。因此，在這個(gè)方法中關(guān)鍵是確定最大爬升狀態(tài)T41的評(píng)估值與最大爬升狀態(tài)T41、起飛狀態(tài)T41、前一個(gè)循環(huán)中最大爬升狀態(tài)T41的評(píng)估值之間準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系，可采用方程形式的函數(shù)關(guān)系或類似部件特性插值表的形式等。而在實(shí)際工程項(xiàng)目中，要了解這些參數(shù)之間的關(guān)系，形成方程式或者插值表，這將需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及歷史型號(hào)經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)于沒(méi)有龐大的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)，這種方法將無(wú)用武之地，況且順序設(shè)計(jì)點(diǎn)方法會(huì)隨著設(shè)計(jì)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，計(jì)算難度呈現(xiàn)指數(shù)倍增加，計(jì)算收斂性將會(huì)成為問(wèn)題。

2.3 飛發(fā)一體化循環(huán)分析方法

飛發(fā)一體化最早是由馬丁·利提出的，用于固定翼飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能及尺寸設(shè)計(jì)。書(shū)中表示在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)之初，需要對(duì)飛機(jī)進(jìn)行任務(wù)分析以及約束分析，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)的功重比水平，然后對(duì)各部件進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)分配，從而進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的部件設(shè)計(jì)，通過(guò)不斷的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后確定最優(yōu)方案。對(duì)于直升機(jī)也是如此，在Stephen A.Suhr的碩士論文中詳細(xì)描述了直升機(jī)/渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)方法。

飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)方法有利于獲得飛機(jī)/直升機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)最有方案，但在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)之前，需要獲得飛行任務(wù)剖面，意味著飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同步設(shè)計(jì)，或這發(fā)動(dòng)機(jī)滯后與飛機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期比飛機(jī)長(zhǎng)若干年，甚至長(zhǎng)達(dá)十年，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)將晚于飛機(jī)交付，造成飛機(jī)無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)可用的尷尬現(xiàn)象。

2.4 同步多設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析方法

為改善以上方法的缺點(diǎn)，同時(shí)保留精華，Schutte J.在他的博士論文中提出了一種基于NPSS發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真平臺(tái)的同步多設(shè)計(jì)點(diǎn)方法，這可能是其中的一種多設(shè)計(jì)點(diǎn)方法的實(shí)現(xiàn)，但該方法明顯優(yōu)于順序單設(shè)計(jì)點(diǎn)方法，無(wú)論技術(shù)復(fù)雜度或是算法收斂性。

同步多設(shè)計(jì)點(diǎn)（Simultaneous Multi-Design Points）方法，簡(jiǎn)稱SMDP方法（下同），其具體實(shí)現(xiàn)思路如下圖 3所示，主要由三大部分組成，分別為發(fā)動(dòng)機(jī)性能需求與技術(shù)定義、SMDP方法部件技術(shù)參數(shù)設(shè)置以及SMDP方法程序執(zhí)行。該博士論文中采用SMDP方法進(jìn)行了大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)參數(shù)分析，與傳統(tǒng)單設(shè)計(jì)點(diǎn)方法相比，通過(guò)SMDP方法設(shè)計(jì)得到的候選發(fā)動(dòng)機(jī)不僅能夠同時(shí)的滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求，而且巡航耗油率降低了約1%。這種循環(huán)參數(shù)分析方法能夠在盡可能減小發(fā)動(dòng)機(jī)性能裕度的前提下，不僅提高發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)設(shè)計(jì)效率，還提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)研制成本，進(jìn)一步提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3 總結(jié)

分析說(shuō)明了單設(shè)計(jì)點(diǎn)方法、順序多設(shè)計(jì)點(diǎn)方法、同步多設(shè)計(jì)點(diǎn)方法以及飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)方法，前三者一脈相承，最后的飛發(fā)一體化方法是結(jié)合飛行器的設(shè)計(jì)思路。

因此將來(lái)，隨著技術(shù)迭代發(fā)展，循環(huán)分析方法將分為兩個(gè)方向：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)本體的循環(huán)分析方法不斷的優(yōu)化改進(jìn);

（2）飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)思路的進(jìn)一步優(yōu)化迭代。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著工程師們對(duì)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)識(shí)的深入，雖然設(shè)計(jì)思路變得更為復(fù)雜，但是循環(huán)分析方法將會(huì)越來(lái)越智能化，未來(lái)隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深入，認(rèn)為可以開(kāi)發(fā)出不同部件設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇的同步多設(shè)計(jì)點(diǎn)循環(huán)分析方法，另一方面，隨著人工智能的潮流，未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)分析或許可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)進(jìn)行循環(huán)分析、循環(huán)選擇，最終完成發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳大光，張津.飛機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)性能匹配與優(yōu)化[J].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

（作者單位：中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所）