第四十五章 大涵道比 設(shè)計(jì)不易
現(xiàn)在也不是寒暑假期間，四人不可能心無旁騖的展開設(shè)計(jì)工作，通常只能白天收集資料，晚上去圖書館或者教室討論、計(jì)算、設(shè)計(jì)。
陳東風(fēng)和楊輝的大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)在經(jīng)過1天的知識(shí)積累后，兩人開始了第一次的討論。
“東風(fēng)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力要達(dá)到1400N左右，原先的核心機(jī)能否勝任？你的外涵道可以占到總推力的多大比例？”楊輝的這個(gè)問題是基于Mini2000核心機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
對(duì)于大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，外涵推力在總推力中起主要作用。外涵道推力計(jì)算的準(zhǔn)確與否，對(duì)于該型發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算來講，有著重要的影響。而外涵道推力系數(shù)是否準(zhǔn)確，直接影響著外涵道推力的計(jì)算。
“現(xiàn)在的民用航發(fā)外涵道推力占總推力的60%-75%，當(dāng)然涵道比都是大于4的，而且這些發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣比很大，遠(yuǎn)大于我們現(xiàn)在核心機(jī)的5，一般都是大于20的，有九級(jí)軸流壓氣機(jī)。如果我們不改進(jìn)核心機(jī)的話，燃油效率雖然會(huì)提高1倍左右但是不能滿足長(zhǎng)時(shí)間的巡航的。美國10年前通用的大涵道比軍用航發(fā)TF39-GE-1A可以達(dá)到8，普惠的民用大涵道比航發(fā)JT9D-3為5.4。涵道比的制約很大程度上來自于風(fēng)扇的重量。如果使用空心風(fēng)扇的話是有機(jī)會(huì)達(dá)到6左右的?！?p> “那就是要增加壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)了？離心壓氣機(jī)的效率可不高啊?！?p> “一般一級(jí)離心式壓氣機(jī)的效率在60%-70%之間，2級(jí)可以達(dá)到9左右，但是效率降低后，可能飛龍的速度會(huì)進(jìn)一步下降，巡航速度可能達(dá)到200KM/h左右就已經(jīng)很好了。除此以外，由于核心機(jī)的也需要做一些微調(diào)，如燃燒室的體積等?！标悥|風(fēng)把他粗略計(jì)算過的數(shù)據(jù)告訴楊輝。
“東風(fēng)，飛龍的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力大部分是來自于內(nèi)涵道高溫高度氣體使外涵道低溫低速氣體膨脹產(chǎn)生的，可以知道外涵道進(jìn)氣量的大小是非常重要的，可見涵道大小的重要性，只有最合適的大小才能發(fā)揮出發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能。我們需要進(jìn)行大量的計(jì)算得出最佳的涵道面積比，得出最佳的進(jìn)氣口形狀，得出風(fēng)扇葉片的形狀，而且這需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證?！?p> “由于核心機(jī)的壓氣機(jī)有改變，所以基本上要全部重新來一遍了。還是我來負(fù)責(zé)核心機(jī)，你來負(fù)責(zé)風(fēng)扇等其他子系統(tǒng)？”陳東風(fēng)提議。
“那就這么定了，風(fēng)扇的設(shè)計(jì)需要配合你的核心機(jī)基本參數(shù)如出口溫度、壓力和推力等，其他的子系統(tǒng)基本和以前差別不大，也是要核心機(jī)出來后再微調(diào)。所以我前期想先跟著你學(xué)***機(jī)的理論計(jì)算方法，幫你做一些計(jì)算工作?！?p> “那，最好不過了，就這么說定了?！标悥|風(fēng)肯定了他的想法。
陳東風(fēng)還是決定從建立對(duì)象的熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型開始，再結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能評(píng)估。這樣不僅可以有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)費(fèi)用，避免實(shí)際的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，還可以縮短研制周期，降低開發(fā)成本。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用極為廣泛，它是控制、故障診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
陳東風(fēng)的核心機(jī)的數(shù)學(xué)模型方法選擇的是部件級(jí)數(shù)學(xué)模型方法。部件級(jí)數(shù)學(xué)模型沿發(fā)動(dòng)機(jī)氣路流程建立發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的氣動(dòng)熱力學(xué)模型，通過求解部件間平衡方程的形式，使得各部件匹配工作。
根據(jù)大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，研究大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的一些關(guān)鍵建模技術(shù)，其中包括：風(fēng)扇內(nèi)外涵道分開建模、內(nèi)外涵道分開排氣、增壓級(jí)部件導(dǎo)葉角建模、外涵通道的反推裝置建模等。
陳東風(fēng)考慮到大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造極其復(fù)雜，作為部件級(jí)數(shù)值仿真模型不可能反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)所有的部件特征。作為真實(shí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其內(nèi)部氣體流動(dòng)是三維的，涉及復(fù)雜的工程熱物理與流體力學(xué)知識(shí)。不同于他設(shè)計(jì)Mini2000核心機(jī)的情況，由于Mini2000壓氣比小并且只有單級(jí)壓氣機(jī)，而已內(nèi)部的氣體動(dòng)力學(xué)計(jì)算可以簡(jiǎn)化為二維流動(dòng)，并且忽略復(fù)雜的燃燒與傳熱模型，不考慮雷諾數(shù)對(duì)特性圖的影響。
所謂雷諾數(shù)（Reynolds number）一種可用來表征流體流動(dòng)情況的無量綱數(shù)。Re=ρvd/μ，其中v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為一特征長(zhǎng)度。例如流體流過圓形管道，則d為管道的當(dāng)量直徑。利用雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動(dòng)是層流或湍流，也可用來確定物體在流體中流動(dòng)所受到的阻力。
現(xiàn)在如果簡(jiǎn)化內(nèi)部氣體流動(dòng)模型，那么對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)而言，會(huì)造成部件級(jí)數(shù)值仿真模型計(jì)算數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。經(jīng)過再三的考慮，陳東風(fēng)還是決定采用三元流理論來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
說到三元流動(dòng)理論就不得不提吳仲華老先生了，1970年在先進(jìn)壓氣機(jī)國際會(huì)議上，與會(huì)科學(xué)家就把吳仲華創(chuàng)立的“葉輪機(jī)械三元流動(dòng)理論”更明確地定名為“吳氏通用理論”，理論中的基本方程則稱為“吳氏方程”。?
陳東風(fēng)已經(jīng)開始研究三元流動(dòng)理論了，只是現(xiàn)在還比較生疏，他思來想去，為了加快進(jìn)度，還是邊設(shè)計(jì)邊深入學(xué)習(xí)三元流理論。
陳東風(fēng)在和楊輝討論過后，覺得目前對(duì)三元流動(dòng)理論的掌握還不足以讓他們開始進(jìn)行理論建模。所以他們還是要先進(jìn)行一段時(shí)間對(duì)三元流動(dòng)理論的學(xué)習(xí)。
所謂三元流動(dòng)，其含義是指在實(shí)際流動(dòng)中，所有流動(dòng)參數(shù)都是空間坐標(biāo)系上三個(gè)方向變量的函數(shù)。其通用理論的中心思想是將葉輪機(jī)械內(nèi)部非常復(fù)雜、難以求解的三元（空間）流動(dòng)，分解為相交的兩族相對(duì)流面上比較簡(jiǎn)單的二元（流片）流動(dòng)，只使用這兩族流面就可以很容易地得到三元流場(chǎng)的近似解，同時(shí)使用這兩族流面進(jìn)行迭代計(jì)算，可以得到三元流動(dòng)的完整解。
三元流動(dòng)是透平機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)的專門問題。最初是航空上為了提高飛機(jī)性能，對(duì)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)不斷提出新的技術(shù)要求和性能指標(biāo)，從而使壓縮機(jī)的第一級(jí)由亞音速過渡到超音速。流線的曲率和斜率對(duì)氣流參數(shù)的影響就特別突出，要設(shè)計(jì)樣的葉輪機(jī)械就必須突破“沿圓柱表面”流動(dòng)的束縛，把流線的曲率和斜率考慮進(jìn)去，同時(shí)還要考慮熵和功沿徑向的變化。因此，迫切需要建立新的流動(dòng)模型，把二元流發(fā)展到三元流。按三元流動(dòng)理論設(shè)計(jì)出既彎又扭的三元葉輪，才能適應(yīng)氣流參數(shù)(如速度、壓力等)在葉道各個(gè)空間點(diǎn)的不同，并使其既能滿足大流量、高的級(jí)壓力比，又具有高的效率和較寬的變工況范圍。
好在陳東風(fēng)他們的飛龍是不需要考慮超音速飛行的，這在讓他們可以不用考慮“沿圓柱表面”流動(dòng)的束縛問題，這大大降低了他們的設(shè)計(jì)難度。