航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)

■ 李定乃 蔡建兵 / 中國航發(fā)動研所

航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)是根據(jù)發(fā)動機的設(shè)計參數(shù)和構(gòu)型，獲得發(fā)動機尺寸和質(zhì)量的技術(shù)，是連接發(fā)動機性能、結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計的橋梁，是建立基于多學(xué)科的高效綜合設(shè)計體系的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機綜合論證評估和綜合優(yōu)化。

航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量是評價發(fā)動機先進性的重要指標(biāo),是由發(fā)動機的流量、涵道比、壓比、渦輪前溫度、轉(zhuǎn)速等設(shè)計參數(shù)和構(gòu)型確定的。在發(fā)動機方案論證階段主要是通過發(fā)動機循環(huán)參數(shù)分析確定滿足發(fā)動機性能需求的發(fā)動機設(shè)計參數(shù)，而此時發(fā)動機各部件的設(shè)計還未開始，無法獲得發(fā)動機的尺寸和質(zhì)量，需要一種能快速把設(shè)計參數(shù)與發(fā)動機的尺寸和質(zhì)量關(guān)聯(lián)起來的技術(shù)來解決這一問題。因此，發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)應(yīng)運而生。在進行發(fā)動機循環(huán)參數(shù)分析時，運用發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)，可以把所選擇的循環(huán)參數(shù)所對應(yīng)發(fā)動機各部件的尺寸和質(zhì)量估算出來，使之具體化，進而在保證發(fā)動機性能的基礎(chǔ)上，開展以發(fā)動機的尺寸和質(zhì)量為目標(biāo)的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化工作。在中國航發(fā)運營管理體系（AEOS）的建設(shè)中，對發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算提出了更高的要求，因此，很有必要對發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進行分析研究，總結(jié)相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗。

航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估

算方法及特點分析

航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算方法主要有兩種：一是利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)擬合的經(jīng)驗公式計算法；二是根據(jù)部件簡化構(gòu)型計算發(fā)動機部件質(zhì)量的構(gòu)型法。用于估算發(fā)動機質(zhì)量的經(jīng)驗公式稱為質(zhì)量模型，是一種自上而下的分析，它基于已有的發(fā)動機設(shè)計數(shù)據(jù)，通過回歸分析，確定設(shè)計參數(shù)與質(zhì)量之間的函數(shù)關(guān)系。這種方法的優(yōu)點是速度快、算法簡單，但當(dāng)設(shè)計參數(shù)明顯偏離數(shù)據(jù)樣本時，其估算精度可能會降低。構(gòu)型法是一種自下向上的分析，通過部件的形狀、尺寸和材料等計算部件質(zhì)量，進而得到發(fā)動機整機質(zhì)量。這種方法的精度較高、適用性廣，但計算量大、算法復(fù)雜。航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)由經(jīng)驗公式法向構(gòu)型法發(fā)展，由整機級向部件級細(xì)化發(fā)展。

經(jīng)驗公式法

經(jīng)驗公式法有整機級和部件級兩種模型。

整機級經(jīng)驗公式是指發(fā)動機設(shè)計參數(shù)直接與發(fā)動機整機尺寸和質(zhì)量的關(guān)系曲線。這些經(jīng)驗公式主要通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析方法，把發(fā)動機流量、涵道比、壓比、渦輪前溫度、轉(zhuǎn)速等發(fā)動機設(shè)計參數(shù)以及代表發(fā)動機技術(shù)水平因子的發(fā)動機設(shè)計時間或者定型時間作為統(tǒng)計變量，建立變量與發(fā)動機的整機尺寸和質(zhì)量的關(guān)系式。整機級經(jīng)驗公式的估算精度不高，而且與所選取的發(fā)動機樣本的數(shù)量和類型有很大關(guān)系。波音公司通過對350臺發(fā)動機參數(shù)進行統(tǒng)計分析，得到發(fā)動機整機尺寸及質(zhì)量經(jīng)驗公式，經(jīng)驗證約有85%的發(fā)動機估算質(zhì)量在±15%誤差帶以內(nèi)。

部件級經(jīng)驗公式是指把發(fā)動機設(shè)計參數(shù)分解到各部件，得出各部件的設(shè)計參數(shù)與尺寸和質(zhì)量之間的關(guān)系曲線，再通過部件的尺寸和質(zhì)量組合成整機的尺寸和質(zhì)量。部件級經(jīng)驗公式可以把發(fā)動機整機質(zhì)量細(xì)分至每個部件，進行部件級尺寸和質(zhì)量估算。美國國家航空航天局（NASA）劉易斯（1999年更名為格倫）研究中心通過對發(fā)動機簡化部件模型的統(tǒng)計分析，發(fā)展建立了估算風(fēng)扇、風(fēng)扇過渡段、壓氣機、燃燒室、渦輪、框架和附件等軸流部件尺寸和質(zhì)量的公式，其精度在±10%以內(nèi)。法國航空航天研究院（ONERA）通過簡化部件模型建立了渦軸發(fā)動機部件尺寸和質(zhì)量估算公式，并在發(fā)動機方案設(shè)計和最優(yōu)化CREATION平臺中進行了應(yīng)用[1]。

構(gòu)型法

構(gòu)型法是通過給定發(fā)動機和部件氣動參數(shù)和發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于發(fā)動機部件的二維流道設(shè)計方法并采用一些成熟的經(jīng)驗公式，建立各主要部件的尺寸和質(zhì)量估算方法，從而獲得整臺發(fā)動機的尺寸和質(zhì)量。部件設(shè)計參數(shù)包括壓力、最高溫度、材料、幾何形狀、級數(shù)、輪轂比以及轉(zhuǎn)速等，這些設(shè)計參數(shù)值的選擇不僅確定了部件的性能還直接與部件的尺寸和質(zhì)量關(guān)聯(lián)起來，可以進行基于部件尺寸和質(zhì)量為目標(biāo)的部件設(shè)計參數(shù)優(yōu)化研究。該方法的精度得到了提升，誤差在±10%。NASA劉易斯研究中心的尺寸和質(zhì)量估算程序WATE-II和小型航空發(fā)動機質(zhì)量估算程序WATE-S均是基于該方法開發(fā)的。國內(nèi)學(xué)者也進行了相關(guān)跟蹤研究，并對發(fā)動機尺寸和質(zhì)量模型進行了修正，如北京航空航天大學(xué)的郭淑芬團隊采用構(gòu)型法和經(jīng)驗公式法相結(jié)合對發(fā)動機的軸流壓氣機、離心壓氣機、渦輪、燃燒室、減速器、粒子分離器軸和附件的尺寸或質(zhì)量估算公式進行了研究[2-3]。

航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)的應(yīng)用分析

單一的循環(huán)熱力參數(shù)研究已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高性能經(jīng)濟性航空發(fā)動機的研制要求，基于多學(xué)科的高效綜合設(shè)計體系應(yīng)充分綜合考慮發(fā)動機循環(huán)參數(shù)、部件氣動和結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、強度、噪聲，以及研制成本等方面的問題。航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)廣泛應(yīng)用于高效綜合設(shè)計體系中并發(fā)揮著重要的作用。

NPSS平臺

為了把發(fā)動機尺寸和質(zhì)量計算程序加入推進系統(tǒng)數(shù)值仿真平臺（NPSS），NASA格倫研究中心把原有的WATE-II程序改寫為面向?qū)ο蟮腤ATE++程序，同時對程序進行了升級改進，使得WATE不僅能與NASA的NPSS程序無縫連接，還增加了程序適用發(fā)動機的類型并將計算精度提高至±10%以內(nèi)。圖1為WATE++在NPSS平臺中計算發(fā)動機尺寸和質(zhì)量的過程[4]。該過程主要分兩個步驟：首先，在進行發(fā)動機各狀態(tài)氣動熱力循環(huán)分析時，程序會自動收集WATE++模型計算時所需的數(shù)據(jù)，如發(fā)動機各部件的性能和截面參數(shù)、發(fā)動機的功率和轉(zhuǎn)速等；然后，把發(fā)動機氣動熱力循環(huán)參數(shù)分析時搜集的數(shù)據(jù)，尺寸、質(zhì)量計算所需的其他參數(shù)作為WATE++模型的輸入，進行發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算，最后程序會繪制出發(fā)動機流道圖。

圖1 WATE++在NPSS平臺計算發(fā)動機尺寸和質(zhì)量過程

TERA平臺

歐洲環(huán)境友好型航空發(fā)動機（VITAL）項目成功開發(fā)了技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境風(fēng)險評估工具（TERA），能夠在發(fā)動機方案論證階段就對發(fā)動機的設(shè)計難點、設(shè)計成本和污染排放等方面進行綜合高效的評估，縮短了發(fā)動機的研制周期、降低了研制成本和風(fēng)險。

在該項目中，英國羅羅公司開發(fā)了發(fā)動機初步設(shè)計工具Genesis，在發(fā)動機氣動熱力參數(shù)確定后，就能通過計算分析，給出發(fā)動機主要部件尺寸和質(zhì)量，如發(fā)動機的輪盤和 葉 型。ONERA開 發(fā) 了CREATION平臺，其目的是評估、優(yōu)化和改進旋翼機系統(tǒng)，量化新技術(shù)對旋翼機性能的影響。圖2為該平臺的7個模塊關(guān)系，其中兩個中心模塊（目標(biāo)模塊）為飛行性能模塊和環(huán)境影響模塊，圍繞這兩個中心模塊，有5個方法模塊用來提供飛行性能和環(huán)境影響評估的方式，分別為任務(wù)分析模塊、架構(gòu)與布局模塊、質(zhì)量與結(jié)構(gòu)模塊、氣動性能模塊以及動力裝置模塊。動力裝置模塊中發(fā)動機循環(huán)參數(shù)分析與優(yōu)化過程如圖3所示，在進行發(fā)動機循環(huán)參數(shù)分析過程中完成了發(fā)動機的尺寸和質(zhì)量計算，在完成以發(fā)動機功率為目標(biāo)循環(huán)分析后，再以旋翼機完成給定任務(wù)所需的燃油質(zhì)量和發(fā)動機質(zhì)量之和最小為目標(biāo)進行進一步優(yōu)化。

圖2 CREATION平臺模塊關(guān)系

圖3 發(fā)動機循環(huán)參數(shù)分析與優(yōu)化過程

德國MTU公司開發(fā)了內(nèi)部設(shè)計工具MOPEDS[5]，在發(fā)動機初步設(shè)計過程中計算分析發(fā)動機的循環(huán)參數(shù)和各部件的氣動參數(shù)、幾何參數(shù)、質(zhì)量大小、噪聲大小以及制造成本，如圖4所示。

圖4 MOPEDS結(jié)構(gòu)

在設(shè)計平臺中應(yīng)用的特點和作用

航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)已經(jīng)成為先進航空發(fā)動機設(shè)計體系中重要的環(huán)節(jié)。把發(fā)動機的氣動性能和結(jié)構(gòu)強度連接起來，進行動力級和飛機平臺級的綜合優(yōu)化設(shè)計，主要有以下幾個方面的特點和作用。

第一，航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機項目論證或者方案論證的階段早期，主要是集成在綜合設(shè)計平臺中，用于以發(fā)動機級或者飛機平臺級設(shè)計需求為目標(biāo)的循環(huán)參數(shù)以及構(gòu)型確定和優(yōu)化工作。這些設(shè)計需求包括發(fā)動機功率和耗油率、發(fā)動機的排放和噪聲要求、飛行平臺性能和結(jié)構(gòu)布局、發(fā)動機級或飛機平臺級的經(jīng)濟性等。這樣可以充分考慮參數(shù)給定的合理性，合理約束總體對部件參數(shù)的選擇，特別是小尺寸效應(yīng)對部件效率的影響、小尺寸結(jié)構(gòu)對強度方面的影響，以及部件性能參數(shù)對部件結(jié)構(gòu)形式（壓氣機的類型、燃燒室的類型等）的選擇。

第二，航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)把發(fā)動機性能和結(jié)構(gòu)連接起來，起到了橋梁的作用。在發(fā)動機論證初期，進行發(fā)動機循環(huán)參數(shù)分析可以獲得發(fā)動機的氣動性能，進行初步的發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度、尺寸和質(zhì)量優(yōu)化、轉(zhuǎn)子動力學(xué)方面的多學(xué)科綜合優(yōu)化分析研究，進一步實現(xiàn)循環(huán)參數(shù)優(yōu)化。

第三，航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)可以促進動力和飛行平臺性能綜合優(yōu)化。在方案論證階段，飛行平臺在動力選配和飛行平臺性能優(yōu)化設(shè)計時，需要評估動力系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)質(zhì)量和尺寸，進而評估飛行平臺的性能和優(yōu)化動力系統(tǒng)的選配。在動力系統(tǒng)沒有備選方案時，航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)可以發(fā)揮重要作用，給出相對準(zhǔn)確的動力系統(tǒng)的質(zhì)量和尺寸。

結(jié)束語

國內(nèi)航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)發(fā)展過程主要是一個跟蹤研究的過程，也是從基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的經(jīng)驗公式法到構(gòu)型法的發(fā)展過程，因此發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算的方法基本相同、估算公式相似。主要的研究工作是基于不同的發(fā)動機類型、部件類型、樣本數(shù)量等數(shù)據(jù)對估算公式中的系數(shù)進行修正，以獲得更適合特定發(fā)動機及部件尺寸和質(zhì)量的估算公式，因此計算精度都得到了較大提升，但可能會犧牲公式的適用范圍。隨著航空發(fā)動機基于多學(xué)科的高效綜合設(shè)計體系的推進和逐步完善，航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)的作用將會逐漸發(fā)揮和顯現(xiàn)，但仍需要在以下方面開展深入研究：首先，正確地認(rèn)識和對待航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)，促使該技術(shù)納入綜合設(shè)計優(yōu)化平臺；其次，進一步開展航空發(fā)動機尺寸和質(zhì)量估算技術(shù)研究，充分挖掘現(xiàn)有成熟發(fā)動機的參數(shù)，形成自己的設(shè)計準(zhǔn)則；最后，提升總體綜合設(shè)計水平，突破多學(xué)科綜合設(shè)計知識壁壘，提煉設(shè)計方法，建立方案論證階段的綜合設(shè)計優(yōu)化平臺。