劉曉波，孫宗祥，鐘萍，陳麗艷

國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究概況

劉曉波，孫宗祥，鐘萍，陳麗艷

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽(yáng)621000)

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，會(huì)遇到一系列空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，尤其是壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等重要部件的研究，需掌握復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)流動(dòng)機(jī)理與物理現(xiàn)象。對(duì)此，國(guó)外進(jìn)行了大量研究。本文綜述了國(guó)外主要航空大國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究方面的基本情況，主要包括研究機(jī)構(gòu)設(shè)置、主要研究工作及重要研究設(shè)備。最后，結(jié)合國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀，為我國(guó)開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究提出幾點(diǎn)建議。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；空氣動(dòng)力學(xué)；壓氣機(jī)；燃燒室；渦輪；試驗(yàn)設(shè)備

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)包含諸多關(guān)鍵技術(shù)，而空氣動(dòng)力學(xué)是其中一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容，涉及核心機(jī)(壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪)內(nèi)部的氣流流動(dòng)，還需考慮內(nèi)、外流耦合及渦輪葉片內(nèi)部氣流特性問(wèn)題[1]。美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、德國(guó)是國(guó)外研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要國(guó)家，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中均成立了專門的空氣動(dòng)力學(xué)研究機(jī)構(gòu)，建設(shè)了許多重要地面試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)遇到的關(guān)鍵空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，并獲得了大量研究成果。目前，國(guó)外關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)，是一種自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(通過(guò)增加第三氣流提高核心機(jī)推力，降低燃油消耗)。美國(guó)的自適應(yīng)通用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)項(xiàng)目(ADVENT)及其后繼自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展項(xiàng)目(AETD)，都以此為研究重點(diǎn)。本文從上述部分國(guó)家進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的機(jī)構(gòu)設(shè)置、具體研究工作及研究設(shè)備等方面進(jìn)行了闡述，希望為解決國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重大空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題攻關(guān)提供參考；此外，結(jié)合國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，為我國(guó)開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究提出幾點(diǎn)建議。

2 美國(guó)

2.1機(jī)構(gòu)設(shè)置

美國(guó)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的主要機(jī)構(gòu)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(fā)展中心(AEDC)和空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)。格林研究中心主要負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件(包括壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪)的研究與試驗(yàn)[2]，進(jìn)行流動(dòng)物理方面的基礎(chǔ)研究，擁有多個(gè)專門從事發(fā)動(dòng)機(jī)部件研究的實(shí)驗(yàn)室，如航空聲學(xué)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室等。AEDC主要進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)一體化試驗(yàn)與評(píng)估，其開(kāi)展推進(jìn)試驗(yàn)研究已有50余年。AFRL技術(shù)部中設(shè)專門研究推進(jìn)技術(shù)的部門，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)三大部件空氣動(dòng)力學(xué)研究的總管機(jī)構(gòu)。

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(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)方面的研究，基本上都與NASA提出的各項(xiàng)航空推進(jìn)研究計(jì)劃緊密相關(guān)，如超高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(UEET)計(jì)劃、高效發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)部件改進(jìn)計(jì)劃、先進(jìn)亞聲速技術(shù)與通用航空計(jì)劃等，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面[3]：

(1)壓氣機(jī)技術(shù)。近年來(lái)，其壓氣機(jī)研究主要在UEET計(jì)劃的資助下展開(kāi)，主要從主動(dòng)和被動(dòng)控制方面進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，以增強(qiáng)穩(wěn)定性，提高失速裕度。開(kāi)發(fā)的性能預(yù)測(cè)程序復(fù)雜三維壓氣機(jī)葉型，能很好地設(shè)計(jì)和優(yōu)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(yù)防流動(dòng)分離等。

(2)燃燒室技術(shù)。近年來(lái)，格林研究中心在提高現(xiàn)代燃燒室耐久性和穩(wěn)定性的同時(shí)，繼續(xù)開(kāi)展降低氮氧化物排放的研究，開(kāi)發(fā)了一種雙環(huán)形燃燒室，并引入數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制概念，使氮氧化物降低了35%～40%；另外，通過(guò)引入雙環(huán)預(yù)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(jié)構(gòu)方面，開(kāi)發(fā)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(shù)值計(jì)算方面，在1998年開(kāi)發(fā)了國(guó)家燃燒室計(jì)算程序(NCC)。當(dāng)與葉輪機(jī)性能預(yù)測(cè)程序(APNASA)一起使用時(shí)，NCC可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能預(yù)測(cè)。

(3)渦輪技術(shù)。目前，格林研究中心正開(kāi)展無(wú)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(jìn)行渦輪流動(dòng)控制、渦輪工作狀況監(jiān)測(cè)研究、渦輪封嚴(yán)研究等。

2.2.2AEDC

AEDC是推進(jìn)試驗(yàn)先驅(qū)，其試驗(yàn)艙能提供重要的試驗(yàn)與評(píng)估服務(wù)，支持美國(guó)國(guó)防部、工業(yè)部門和國(guó)際計(jì)劃。主要客戶是美國(guó)空軍，近年也為日本、德國(guó)等提供商業(yè)試驗(yàn)。

AEDC的航空推進(jìn)試驗(yàn)艙，可進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能、操作性能、航空力學(xué)、結(jié)冰、侵蝕、進(jìn)氣道壓力畸變、進(jìn)氣道溫度畸變、加速任務(wù)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道動(dòng)力學(xué)、任務(wù)模擬和發(fā)動(dòng)機(jī)部件等方面試驗(yàn)。擁有多座發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)艙，無(wú)論試驗(yàn)部件是小型巡航導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)，還是航空工業(yè)所用的大型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，都能滿足客戶需求。AEDC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)方面的研究，采取與航空航天工業(yè)公司聯(lián)盟的方式進(jìn)行。如與P&W公司、GE公司的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)合作，與波音公司和空軍裝備司令部共同進(jìn)行的波音公司下一代亞、超聲速運(yùn)輸機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)試驗(yàn)等。

2.2.3AFRL

AFRL中的推進(jìn)技術(shù)研究可分為航空推進(jìn)和航天推進(jìn)兩大類。從事航空推進(jìn)的是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研究部門，主要對(duì)渦輪推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行規(guī)劃與預(yù)測(cè)，并進(jìn)行大量基礎(chǔ)研究，同時(shí)對(duì)所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)評(píng)估。AFRL對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的研究主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能評(píng)估、燃燒試驗(yàn)研究、實(shí)驗(yàn)方法研究、風(fēng)扇和壓氣機(jī)研究、機(jī)械系統(tǒng)研究、推進(jìn)系統(tǒng)研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及渦輪研究。

2.3研究設(shè)備

格林研究中心進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的設(shè)備，包括發(fā)動(dòng)機(jī)部件和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)設(shè)備兩大類[4]。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)部件試驗(yàn)設(shè)備集中在航空聲學(xué)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、發(fā)動(dòng)機(jī)研究試驗(yàn)大樓、先進(jìn)亞聲速燃燒試驗(yàn)臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)部件研究實(shí)驗(yàn)室1B試驗(yàn)艙。發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)設(shè)備集中在發(fā)動(dòng)機(jī)部件研究實(shí)驗(yàn)室2B試驗(yàn)艙和推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)室。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都有用于不同發(fā)動(dòng)機(jī)部件試驗(yàn)的多個(gè)試驗(yàn)臺(tái)。

AEDC的717試驗(yàn)室專門從事航空推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)，目前有9座設(shè)備[5]運(yùn)行。其中，C-1和C-2試驗(yàn)艙構(gòu)成航空推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備，可模擬真實(shí)任務(wù)環(huán)境，是大型軍用和商用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的國(guó)家唯一資產(chǎn)。這也使得AEDC成為美國(guó)空軍在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域的專業(yè)中心。J-1和J-2試驗(yàn)艙是開(kāi)展中等尺寸和大型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的高空模擬試驗(yàn)設(shè)備，其能力與C-1和C-2設(shè)備相當(dāng)，只是尺寸更小。SL-2和SL-3是海平面試驗(yàn)艙，無(wú)進(jìn)氣道和排氣裝置，大大降低了設(shè)備裝置的運(yùn)行成本，可經(jīng)濟(jì)開(kāi)展大型加力渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)接近海平面條件(300 m高度)的試驗(yàn)。T-3、T-4和T-11高空試驗(yàn)艙是多用途多變化混合試驗(yàn)艙，開(kāi)展小型和中等尺寸渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。

AFRL有多座進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的試驗(yàn)設(shè)備，包括部件空氣研究設(shè)備、旋轉(zhuǎn)部件試驗(yàn)設(shè)備、壓氣機(jī)研究設(shè)備、高壓燃燒室研究設(shè)備、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)疲勞設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境研究設(shè)備等。

3 俄羅斯

3.1機(jī)構(gòu)設(shè)置

俄羅斯中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院(CIAM)成立于1930年，是俄羅斯最大的航空研究機(jī)構(gòu)，也是歐洲最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中心，能在接近真實(shí)飛行條件下對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件、系統(tǒng)和構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)研究。CIAM進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的技術(shù)力量，主要集中在其研究試驗(yàn)中心(CIAM RTC)。CIAM RTC是俄羅斯唯一及歐洲最大的能進(jìn)行全尺寸吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)高空、速度及特種試驗(yàn)的中心，地位相當(dāng)于美國(guó)的AEDC和格林研究中心。

作為俄羅斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究的牽頭單位，CIAM與美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、中國(guó)、印度、加拿大等國(guó)的著名航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司及研究機(jī)構(gòu)均有合作。

3.2研究工作

CIAM幾乎涉及所有與航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的研究領(lǐng)域，從基礎(chǔ)物理過(guò)程到新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、研制、改造與鑒定，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中的可靠性和故障提供技術(shù)支撐。主要科研活動(dòng)包括：氣動(dòng)、燃料、傳熱、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和發(fā)動(dòng)機(jī)控制理論方面的基礎(chǔ)研究；噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)理論和先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化研究；發(fā)動(dòng)機(jī)部件與組件和燃?xì)獍l(fā)生器系統(tǒng)的應(yīng)用研究；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)制造設(shè)計(jì)局正在進(jìn)行的研究項(xiàng)目給予科學(xué)理論保障；為實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及其系統(tǒng)和零部件進(jìn)行試驗(yàn)；探索改進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)，并解決環(huán)保問(wèn)題；負(fù)責(zé)確定航空發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)研型號(hào)及其研制項(xiàng)目，制定相應(yīng)的技術(shù)條件等。CIAM RTC主要進(jìn)行以下工作：①動(dòng)力設(shè)施配套建設(shè)，確保提供模擬飛行條件；②試驗(yàn)設(shè)備建設(shè)，使其能進(jìn)行推力高達(dá)245 kN的航空發(fā)動(dòng)機(jī)特種試驗(yàn)；③航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件的強(qiáng)度研究。

此外，CIAM還具備高性能數(shù)值模擬能力，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的物理過(guò)程(定常與非定常的氣體動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象、燃燒、傳熱等)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件及整機(jī)結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行模擬。

3.3研究設(shè)備

CIAM進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的主要設(shè)施包括：噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)高空試車臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)小型試車臺(tái)、可模擬不同氣候的氣候試車臺(tái)、實(shí)驗(yàn)飛機(jī)起降研究的開(kāi)口式風(fēng)洞、研究壓氣機(jī)氣動(dòng)特性和強(qiáng)度的壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)等?？傮w上，俄羅斯研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備與法國(guó)、英國(guó)的相當(dāng)，但未達(dá)到美國(guó)的水準(zhǔn)。

4 法國(guó)

4.1機(jī)構(gòu)設(shè)置

法國(guó)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的部門，主要集中在航空航天研究中心(ONERA)總體技術(shù)部下的應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究室(DAAP)。在應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)研究室，有一個(gè)專門研究葉輪機(jī)部件的團(tuán)隊(duì)，主要任務(wù)是對(duì)壓氣機(jī)和渦輪等部件的氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算與預(yù)測(cè)。

4.2研究工作

近年來(lái)，ONERA主要通過(guò)地面試驗(yàn)臺(tái)和數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)、渦輪的氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)與計(jì)算，分析發(fā)動(dòng)機(jī)部件上的氣流流動(dòng)情況，了解不同氣動(dòng)現(xiàn)象。研究的主要內(nèi)容包括：數(shù)值優(yōu)化計(jì)算、風(fēng)扇研究、非定常流研究、氣動(dòng)不穩(wěn)定性研究、航空熱力學(xué)研究、航空聲學(xué)研究、微型渦輪研究、軸流式機(jī)械研究及離心式機(jī)械研究等。

數(shù)值計(jì)算方面，ONERA自行開(kāi)發(fā)了一套軟件(Cedre)，利用其可對(duì)單個(gè)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(定常)和級(jí)間結(jié)構(gòu)(非定常)進(jìn)行三維、準(zhǔn)三維計(jì)算。目前，ONERA的新型超級(jí)計(jì)算機(jī)已能對(duì)一種帶多點(diǎn)噴射的燃燒室進(jìn)行數(shù)值模擬，包括模擬燃燒氣體及煤煙的排放與吸收、預(yù)測(cè)激波現(xiàn)象和大飛機(jī)聲學(xué)傳播現(xiàn)象等。

4.3研究設(shè)備

法國(guó)從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的設(shè)備主要位于ONERA的莫當(dāng)中心[6]，包括S4B、BD2、R4和TURMA等4座設(shè)備。另外，還有3座具有代表性的吸氣式推進(jìn)(渦輪)高空試驗(yàn)臺(tái)，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(zhuǎn)子)的首次氣動(dòng)試驗(yàn)，使ONERA研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)的能力得到較大提升。TURMA主要用來(lái)研究?jī)杉?jí)同轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)渦輪的葉輪上空氣動(dòng)力學(xué)的流動(dòng)問(wèn)題。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶u輪本身所有的固定部件(如靜子、中間管道等)和轉(zhuǎn)動(dòng)部件(如轉(zhuǎn)子)，連接渦輪上下游部件的其它附件(如界面管道)?？蓪?duì)單獨(dú)的高壓靜子、整個(gè)高壓渦輪(高壓靜子+高壓轉(zhuǎn)子，順轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn))、整個(gè)高壓渦輪+渦輪導(dǎo)向葉片(NGV)、整個(gè)高壓渦輪+/-低壓NGV+低壓轉(zhuǎn)子(順轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn))等渦輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，每種渦輪的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度完全獨(dú)立控制。TURMA可稱為微溫試驗(yàn)臺(tái)，使用全尺寸靜子和轉(zhuǎn)子，利用現(xiàn)有的測(cè)試技術(shù)能精確測(cè)定轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能，并準(zhǔn)確分析轉(zhuǎn)子、靜子等部件上非常復(fù)雜的氣動(dòng)現(xiàn)象。

5 德國(guó)

5.1機(jī)構(gòu)設(shè)置

德國(guó)進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的機(jī)構(gòu)，主要為航空航天研究中心(DLR)下屬的推進(jìn)技術(shù)研究所。該研究所在柏林與哥廷根另設(shè)有兩個(gè)分部，柏林分部的研究?jī)?nèi)容不詳，哥廷根分部主要從事應(yīng)用型航空學(xué)研究。該研究所下設(shè)8個(gè)研究室，分別為燃燒室研究室、燃燒試驗(yàn)研究室、風(fēng)扇與壓氣機(jī)研究室、數(shù)值方法研究室、發(fā)動(dòng)機(jī)研究室、發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)研究室、發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量技術(shù)研究室和渦輪研究室。

5.2研究工作

德國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面的研究側(cè)重于基礎(chǔ)研究。如壓氣機(jī)、渦輪等葉片上氣流的流動(dòng)情況研究，燃燒室空氣動(dòng)力學(xué)場(chǎng)診斷技術(shù)研究等[8]。總體看，DLR推進(jìn)技術(shù)研究所主要從事葉輪機(jī)、燃燒室和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)三方面研究。在葉輪機(jī)方面研究的主要目標(biāo)，是驗(yàn)證槳扇技術(shù)、提高推重比和單位功率、改進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)冷卻理念、完善三維非定常計(jì)算方法等。在燃燒方面研究的重要目標(biāo)，是研發(fā)和試驗(yàn)新概念燃燒室，在穩(wěn)定無(wú)煙燃燒過(guò)程中降低氮氧化物生成。發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的研究主要是考慮集成問(wèn)題，如壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪間的耦合匹配問(wèn)題。此外，還進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)噪聲控制與降低方法研究、尾氣排放研究、點(diǎn)火安全性研究等。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬方面，DLR推進(jìn)技術(shù)研究所專門為計(jì)算和研究葉輪機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)流動(dòng)開(kāi)發(fā)的一套數(shù)值模擬軟件TRACE。經(jīng)過(guò)近十年的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，此軟件已逐漸完善。已成為DLR計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)方法，經(jīng)常用來(lái)自動(dòng)優(yōu)化壓氣機(jī)的葉片，而且還可對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。這套軟件在許多大學(xué)里面也有成功應(yīng)用，如對(duì)復(fù)雜的非定常葉輪機(jī)流動(dòng)進(jìn)行科學(xué)分析；在工業(yè)部門也得到了應(yīng)用，如開(kāi)發(fā)和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)部件。

5.3研究設(shè)備

DLR推進(jìn)技術(shù)研究所有23座不同類型的設(shè)備，如大氣部段燃燒室(ASC)、單頭部燃燒室(SSC)、高壓燃燒試驗(yàn)臺(tái)(HBK1、HBK2、HBK3、HBK4)、多級(jí)雙轉(zhuǎn)軸壓氣機(jī)試驗(yàn)設(shè)備(M2VP)、低速葉柵風(fēng)洞(NGG)、離心式壓氣機(jī)設(shè)備、探頭校準(zhǔn)設(shè)備(SEG)、亞聲速葉柵風(fēng)洞、聲學(xué)試驗(yàn)段等。這些設(shè)備對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究起到了十分重要的作用。

6 建議

航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究十分復(fù)雜，涉及旋轉(zhuǎn)空氣動(dòng)力學(xué)、氣體熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)與材料學(xué)、傳熱學(xué)、制造工藝學(xué)等幾乎全部學(xué)科，要成功研制出高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)，必須攻克其空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。結(jié)合國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀，提出幾點(diǎn)建議：

(1)開(kāi)展空氣動(dòng)力學(xué)研究，可從葉柵的葉型、壓力分布、結(jié)構(gòu)材料選??；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)靜子的影響，多級(jí)壓氣機(jī)級(jí)間氣流的影響等開(kāi)始。基于中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心現(xiàn)有的試驗(yàn)條件和數(shù)值模擬能力，及在外流空氣動(dòng)力學(xué)研究方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，可部分開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)研究，特別是開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)外流耦合研究、空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)量研究、燃燒室研究、利用前期開(kāi)展超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算獲取的寶貴經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算研究。

(2)借鑒國(guó)外組織管理模式，重點(diǎn)開(kāi)展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。目前，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)大致可分為院校、研究所和工廠三大部分。院?？刂萍夹g(shù)成熟度的前三級(jí)，主要側(cè)重于理論和方法研究，包括氣動(dòng)方面的問(wèn)題。研究所控制技術(shù)成熟度的四至六級(jí)，主要進(jìn)行設(shè)計(jì)、試飛與運(yùn)行，側(cè)重于結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題。而工廠控制技術(shù)成熟度七至九級(jí)，側(cè)重于生產(chǎn)與維修等方面的問(wèn)題。因而中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心可在院校和研究所之間找到切入點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)成熟度一至六級(jí)之間的研究。在管理模式和研究?jī)?nèi)容上，可借鑒格林研究中心、AFRL和DLR推進(jìn)技術(shù)研究所的模式，開(kāi)展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

(3)CFD技術(shù)可作為中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心切入航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究的切入點(diǎn)和突破口。目前，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)了一些數(shù)值模擬軟件(CFD技術(shù))用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究，而且有些已經(jīng)商用，尤其是國(guó)外。不過(guò)，從應(yīng)用情況來(lái)看，其可靠性還有待進(jìn)一步完善。模擬不準(zhǔn)確是因?yàn)槲纯紤]空氣動(dòng)力學(xué)中氣流旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究還是要以試驗(yàn)為主。在試車臺(tái)或試驗(yàn)車測(cè)得其真實(shí)數(shù)據(jù)，CFD數(shù)據(jù)主要起部分校準(zhǔn)和驗(yàn)證的作用。但隨著CFD技術(shù)的快速發(fā)展，其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究方面的作用將越來(lái)越重要。

(4)試驗(yàn)設(shè)備在航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)研究上起十分重要的作用，需要建設(shè)一些零部件試驗(yàn)臺(tái)，(如亞、跨、超聲速的葉柵風(fēng)洞，風(fēng)扇噪聲試驗(yàn)臺(tái)，高壓與低壓燃燒室試驗(yàn)臺(tái)，多級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，高壓與低壓渦輪試驗(yàn)臺(tái))和研究壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪耦合與匹配問(wèn)題的整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)。

(5)結(jié)合基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究，搞出有顯示度的成果。航空發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)尚未取得重大進(jìn)展的原因，在于空氣動(dòng)力學(xué)研究沒(méi)有突破，需要大量技術(shù)儲(chǔ)備。因此，目前中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心應(yīng)遵循科學(xué)規(guī)律，認(rèn)真梳理關(guān)鍵技術(shù)，找準(zhǔn)突破口和切入點(diǎn)，由小到大地把航空發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究結(jié)合起來(lái)。

[1]劉大響.航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展與建議[J].中國(guó)工程科學(xué)，2000，(6)：76—82.

[2]鄧明.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理與構(gòu)造[M].北京：國(guó)防工業(yè)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(dòng)力學(xué)的情報(bào)研究。