軸流壓氣機通流設(shè)計系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展

■ 安利平 羅秋生 劉昭威 王子登 / 中國航發(fā)渦輪院

作為航空軸流壓氣機氣動設(shè)計的核心，通流設(shè)計方法經(jīng)過多年的發(fā)展，有力地支撐了壓氣機氣動設(shè)計體系。但傳統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計工具存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可視化設(shè)計缺乏、設(shè)計操作效率低等問題，加之新一代航空發(fā)動機性能需求不斷提高，使得壓氣機通流設(shè)計面臨新的挑戰(zhàn)。

先進的航空發(fā)動機壓縮系統(tǒng)基本采用多級軸流壓氣機的設(shè)計，壓氣機的總壓比、效率、穩(wěn)定裕度等核心指標(biāo)直接決定了航空發(fā)動機的總體性能的先進性，因此，航空軸流壓氣機設(shè)計技術(shù)一直是各研究機構(gòu)的研發(fā)重點。

為進行軸流壓氣機氣動方案設(shè)計，吳仲華于1952年提出了兩類相對流面理論，將復(fù)雜的三維流動流場分解為S1、S2兩個流面上的二維流動問題來求解，為葉輪機械內(nèi)部流動計算奠定了扎實的理論基礎(chǔ)，并最早在S2流面上推導(dǎo)出壓氣機設(shè)計的完整計算方法，這一方法后來也被稱為壓氣機通流設(shè)計方法。經(jīng)過50余年的發(fā)展與積累，通流設(shè)計方法已經(jīng)成為壓氣機氣動設(shè)計領(lǐng)域的核心。即便在計算流體力學(xué)技術(shù)日趨成熟、計算機水平突飛猛進的今天，通流設(shè)計在壓氣機氣動設(shè)計中仍是最為基礎(chǔ)和核心的環(huán)節(jié)。

通流設(shè)計系統(tǒng)建設(shè)是一個長期積累、不斷完善的過程。通流設(shè)計技術(shù)水平直接體現(xiàn)了壓氣機設(shè)計部門的技術(shù)能力。提升通流設(shè)計能力只有通過完全的自主研發(fā)，才能掌握核心技術(shù)方法，獲得符合工程設(shè)計實際需求的通流設(shè)計程序和軟件，從而形成完全自主的通流設(shè)計能力和設(shè)計體系。

通流設(shè)計面臨的新問題和新挑戰(zhàn)

通流設(shè)計經(jīng)過多年的發(fā)展，經(jīng)歷不斷的積累完善和工程實踐驗證，已經(jīng)成為壓氣機氣動設(shè)計的核心支柱。但也需要清醒地認識到，當(dāng)前發(fā)動機整機性能要求不斷提高，壓縮部件設(shè)計也呈現(xiàn)出新的趨勢和特點。同時，隨著計算機輔助設(shè)計的發(fā)展，以及系統(tǒng)工程方法在項目運行中的應(yīng)用，已有的通流設(shè)計方法和工具也面臨新的問題和挑戰(zhàn)。

新型壓縮部件的通流設(shè)計問題

當(dāng)前，航空發(fā)動機性能需求體現(xiàn)出全新的特點。高效、節(jié)能、環(huán)保、安靜成為民用航空發(fā)動機的最為重視的關(guān)鍵詞，而變循環(huán)、熱管理、電磁紅外隱身設(shè)計等全新設(shè)計概念也逐步應(yīng)用于軍用航空發(fā)動機的研發(fā)當(dāng)中。航空發(fā)動機需求的全新變化，使得壓氣機通流設(shè)計也面臨新的問題和挑戰(zhàn)，下面以變循環(huán)發(fā)動機和升力風(fēng)扇的壓縮部件為例進行簡要說明。

圖1 變循環(huán)發(fā)動機壓縮部件及通流設(shè)計

變循環(huán)發(fā)動機是航空發(fā)動機發(fā)展的一個重要方向。變循環(huán)發(fā)動機的壓縮部件的結(jié)構(gòu)（如圖1所示）與傳統(tǒng)渦扇發(fā)動機相比更為復(fù)雜。整個壓縮部件共包括3個涵道，在第三外涵道處采用了葉尖風(fēng)扇（Flade）設(shè)計，核心機驅(qū)動風(fēng)扇（CDFS）與高壓壓氣機為同軸驅(qū)動，在CDFS之后有較大的流量被分配到第二外涵道。變循環(huán)壓縮部件多涵道、多狀態(tài)的設(shè)計特點，對傳統(tǒng)的通流設(shè)計提出了新的要求。通流設(shè)計需要滿足多涵道、不同流量分配下的壓氣機S2流面性能參數(shù)計算，從而滿足變循環(huán)發(fā)動機對壓縮系統(tǒng)多工況下的性能要求。

升力風(fēng)扇（如圖2所示）是垂直起降推進系統(tǒng)的重要部件。與傳統(tǒng)的壓氣機部件不同，它采用兩級對轉(zhuǎn)設(shè)計，錐齒輪傳動，傳動軸從機匣進入，與旋轉(zhuǎn)軸垂直，出口支板和出氣段流道采用非軸對稱設(shè)計。以上設(shè)計特點需要壓氣機通流設(shè)計在對轉(zhuǎn)設(shè)計、非軸對稱布局等方面進行創(chuàng)新和改進，以滿足特定壓縮部件的設(shè)計需求。

此外，吸附式壓氣機、大小葉片、組合壓氣機等壓氣機技術(shù)也對通流設(shè)計方法提出了新的要求。

圖2 對轉(zhuǎn)升力風(fēng)扇基本結(jié)構(gòu)

可視化圖形交互通流設(shè)計軟件需求

由于多數(shù)壓氣機的設(shè)計程序開發(fā)較早，一些實際應(yīng)用問題逐步顯現(xiàn)，部分功能已經(jīng)相對落后，影響了設(shè)計程序的使用和設(shè)計效率的提升，主要集中體現(xiàn)在以下幾個方面。

一是數(shù)據(jù)輸入輸出操作繁瑣易錯。由于一些原始程序開發(fā)時間較早，受開發(fā)年代的技術(shù)限制，通流設(shè)計程序全部采用數(shù)據(jù)文本文件進行計算的輸入和結(jié)果的輸出。以一個8級壓氣機通流設(shè)計為例，其輸入數(shù)據(jù)1100余行，輸出數(shù)據(jù)2400余行，數(shù)據(jù)輸入量大，設(shè)計人員需要花費較多的時間在數(shù)據(jù)文件的編輯與整理上，嚴(yán)重影響設(shè)計效率。

二是圖形交互設(shè)計功能無法實現(xiàn)。壓氣機通流設(shè)計需要進行大量的曲線編輯以及調(diào)整操作，子午面幾何、性能參數(shù)沿葉高的分布等參數(shù)均采用各類曲線表示。在以往的通流設(shè)計過程中，設(shè)計人員在文本編輯器中進行數(shù)據(jù)編輯，然后采用第三方繪圖軟件進行曲線繪制，判斷曲線設(shè)計是否合理，并對不合理處進行修改，如此反復(fù)，直至滿足設(shè)計需求。因此，壓氣機通流設(shè)計對圖形交互設(shè)計功能的需求較為迫切，而核心設(shè)計程序由于開發(fā)時間較早，所采用的程序語言不支持可視化圖形程序設(shè)計。

三是數(shù)據(jù)版本管理不夠科學(xué)規(guī)范。壓氣機通流設(shè)計過程中，為了獲取較好的設(shè)計性能，需要進行大量的設(shè)計迭代，同時在與其他學(xué)科進行協(xié)調(diào)的過程中，往往也需要對設(shè)計進行多次不同程度的修改。因此，版本管理在壓氣機通流設(shè)計中十分重要。運用科學(xué)的版本管理，采用不同版本之間的對比設(shè)計，有助于提高設(shè)計水平，同時能夠保證設(shè)計數(shù)據(jù)與來源的可靠性和可追溯性，進一步提升設(shè)計質(zhì)量。而在以往的設(shè)計過程中，版本管理完全依靠設(shè)計人員的設(shè)計習(xí)慣，數(shù)據(jù)管理不成體系，版本之間的對比設(shè)計也難以實現(xiàn)，影響了設(shè)計水平和設(shè)計質(zhì)量的進一步提升。

通流設(shè)計系統(tǒng)建設(shè)

為進一步提升壓氣機通流設(shè)計水平與設(shè)計效率，應(yīng)通過通流設(shè)計系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，簡化設(shè)計操作流程，提高設(shè)計質(zhì)量，實現(xiàn)壓氣機通流設(shè)計技術(shù)方法和軟件的完全自主研發(fā)。壓氣機通流設(shè)計系統(tǒng)建設(shè)的工作應(yīng)主要集中在以下幾方面。

通流設(shè)計方法的持續(xù)研究

雖然通流設(shè)計的核心基礎(chǔ)算法已經(jīng)較為成熟，求解的有效性和穩(wěn)定性也經(jīng)過了多年的工程檢驗，但隨著壓氣機負荷的不斷提高，以及壓氣機結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)的通流設(shè)計方法需要開展持續(xù)深入的研究，在經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃驮O(shè)計算法方面持續(xù)優(yōu)化、創(chuàng)新，以適應(yīng)壓氣機設(shè)計的全新需求。

一是經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷母倪M優(yōu)化。通流設(shè)計過程中所采用的一系列經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜎Q定了通流設(shè)計的計算精度，主要包括損失模型、落后角模型、最佳迎角模型等，其中損失模型又包括葉型損失、摻混損失、激波損失、端壁邊界層損失等，上述模型多是基于20世紀(jì)70年代平面葉柵試驗結(jié)果總結(jié)發(fā)展而來。例如，通常所用的落后角模型（如圖3所示）為不同稠度（σ）下落后角隨進口氣流角的變化經(jīng)驗曲線。在通流設(shè)計中會應(yīng)用大量的經(jīng)驗關(guān)系模型曲線，隨著壓氣機負荷不斷提高，三維效應(yīng)愈發(fā)明顯，部分模型的計算精度已經(jīng)無法滿足設(shè)計要求。經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷母倪M優(yōu)化實際上是一個長期積累的過程，在以往的工程設(shè)計過程中積累的大量壓氣機試驗數(shù)據(jù)為經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷男拚峁┝藢氋F的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷男拚粌H可以采用人工調(diào)整對比設(shè)計結(jié)果的方法進行，也可以結(jié)合多種非線性優(yōu)化算法（如遺傳算法、響應(yīng)面算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）等進行經(jīng)驗參數(shù)范圍的自主尋優(yōu)，以提升經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷挠嬎憔取?/p>

二是創(chuàng)新通流設(shè)計算法研究。矩陣通流和流線曲率等傳統(tǒng)的通流設(shè)計方法已經(jīng)成為較為成熟，但在當(dāng)前新的設(shè)計需求下（如多涵道、大曲率變化等），出現(xiàn)了計算穩(wěn)定性不足、設(shè)計結(jié)果與實際流動偏差較大的問題。同時，傳統(tǒng)通流設(shè)計在軸向超聲流動求解過程中會出現(xiàn)多解問題，因此發(fā)展新的通流設(shè)計計算方法有現(xiàn)實的工程意義。當(dāng)前，將計算流體力學(xué)技術(shù)應(yīng)用于壓氣機通流設(shè)計的研究逐步發(fā)展，已經(jīng)具備應(yīng)用條件；采用時間推進方法求解S2流面上簡化的納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，可以捕捉葉輪機S2流面徑向流動摻混，同時也不受以往通流設(shè)計軸向氣流不能超聲速的限制；計算機運算能力的發(fā)展，使得時間推進求解速度大大增加，常規(guī)設(shè)計算例只需1～2min即可得到收斂解。圖4為采用基于時間推進求解S2流面方程的多級軸流壓氣機計算網(wǎng)格和計算結(jié)果。

圖3 通流設(shè)計落后角經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

圖 4 時間推進通流求解多級壓氣機流動

可視化圖形交互通流設(shè)計軟件開發(fā)

航空多級軸流壓氣機的通流設(shè)計的專業(yè)性較強、技術(shù)領(lǐng)域相對集中，所以雖然算法程序在不斷更新升級，但圖形化交互設(shè)計的發(fā)展相對滯后，影響了設(shè)計效率的提升。隨著科技的快速發(fā)展，計算機輔助設(shè)計已經(jīng)深入工程領(lǐng)域的方方面面?？梢暬瘓D形交互設(shè)計能夠有效提升設(shè)計軟件的易用性和直觀性，提高設(shè)計結(jié)果的可靠性和有效性，減少設(shè)計人員重復(fù)性操作，提高設(shè)計效率。

為此，筆者所在單位開發(fā)了可視化圖形交互通流設(shè)計軟件。該軟件集成了已有的通流設(shè)計程序，對幾何參數(shù)、性能參數(shù)、設(shè)計結(jié)果和準(zhǔn)則參數(shù)均可進行圖形化顯示（如圖5所示）。設(shè)計人員通過可視化交互操作，完成數(shù)據(jù)的修改和分析工作，避免了繁瑣的數(shù)據(jù)文本修改過程，提高了設(shè)計效率。同時，將壓氣機專業(yè)多年積累的設(shè)計流程和部分設(shè)計經(jīng)驗嵌入軟件當(dāng)中，便于設(shè)計人員對結(jié)果進行評估，有效提升了設(shè)計質(zhì)量。

設(shè)計數(shù)據(jù)版本管理及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化

圖5 可視化通流設(shè)計軟件開發(fā)

圖6 不同版本對比通流設(shè)計

壓氣機設(shè)計是一個反復(fù)迭代修正的過程。隨著設(shè)計過程的深入，所面臨的設(shè)計問題不斷顯現(xiàn)，設(shè)計人員通常需要不斷修改自己的設(shè)計，在不同的設(shè)計階段會形成不同的設(shè)計版本。在開發(fā)壓氣機通流設(shè)計軟件時，應(yīng)將數(shù)據(jù)版本管理及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化作為重要內(nèi)容，與設(shè)計軟件共同開發(fā)，使得設(shè)計軟件具備數(shù)據(jù)版本管理功能。直接通過這種設(shè)計軟件，不僅能夠?qū)簹鈾C專業(yè)內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)據(jù)版本的合理規(guī)劃管理，還能與數(shù)據(jù)庫對接，滿足上一級設(shè)計體系對數(shù)據(jù)的管理要求；建立科學(xué)的版本命名規(guī)則，使得版本管理更為清晰明確；通過建立合理的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，將設(shè)計人員和設(shè)計時間與設(shè)計數(shù)據(jù)共同存儲，保證了數(shù)據(jù)來源的可追溯性，有效提升了設(shè)計質(zhì)量；同時，開發(fā)多版本設(shè)計對比功能（如圖6所示），將數(shù)據(jù)版本管理與設(shè)計功能有機結(jié)合，大幅度提高了設(shè)計修正的對比直觀性，進一步提升設(shè)計效率。

結(jié)束語

軸流壓氣機通流設(shè)計系統(tǒng)的自主建設(shè)關(guān)乎壓氣機專業(yè)的核心設(shè)計能力，是實現(xiàn)從設(shè)計需求到工程產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。壓氣機通流設(shè)計系統(tǒng)建設(shè)是一項長期積累、不斷完善的過程。只有面向工程實際，堅持自主研究通流設(shè)計算法，堅持自主開發(fā)設(shè)計工具，建立健全滿足壓氣機專業(yè)設(shè)計流程、符合設(shè)計習(xí)慣的通流設(shè)計系統(tǒng)，才能夠不斷提升壓氣機氣動設(shè)計水平，為航空發(fā)動機正向設(shè)計體系建設(shè)提供有力技術(shù)支撐。