航空发动机风扇/压气机技术发展的若干问题与思考

刘永泉*,刘太秋季路成

1.中航工业沈阳发动机设计研究所,沈阳 110015 2.北京理工大学 宇航学院,北京 100081

目前,增强国防实力、破解安全困局以及提升工业基础、优化经济产业结构等已成为国家重大需求。而航空发动机作为战略高技术行业,却受到发达国家技术封锁。依托于强大的经济实力,我国军民航空发动机科技及其产业正在迎来千载难逢的发展机遇。面对这一令当代国外航空人不敢奢望的重大机遇,国内航空发动机业界是否做好了充分准备?望发达国家发展惯势,如何发挥后发优势；深刻内省自身不足,如何拾遗补缺、拓展提高；催动内生创新,如何适应自身特点形成核心竞争力?对这些问题如不能给出清晰的解决思路并付诸实施,将可能痛失发展机遇,对航空产业生存乃至国家安全、经济与社会发展贻患巨大。

为此,本文针对航空发动机核心部件——风扇/压气机的国际发展趋势以及国内发展现状与存在的问题,给出其后续发展的方向、思路和重点。希冀能为我国军民航空发动机科技进一步发展提供参考。

1 发展状况

历经70余年,伴随飞机及其发动机动力发展,作为航空发动机核心部件,风扇/压气机技术一直是各国不遗余力发展的重点,已经取得辉煌成就并正在稳步发展[1-4],整体发展状况可从几个方面清晰展现,如图1所示[5]。

1.1 设计方法体系发展

Navier-Stokes方程是描述风扇/压气机内部流动的基本物理模型,但鉴于有关流动机理认识的阶段性以及相关技术支撑发展滞后,应对现实需求,在不同时期,研究者不得不对Navier-Stokes方程进行假设、简化,见图2,形成了从一维、二维、准三维设计乃至基于全三维定常/非定常流动分析与优化等精细层次各异的设计方法,完成了从不能考虑叶片扭向变化、采用简单典型叶型、简单展向积叠向通流理论支撑、全三维叶片生成、多级全三维定常/非定常流动分析、各种优化方法以及气动弹性和气动噪声等多学科支撑的设计体系的转变。尤其是近10年来,随着伴随优化方法的出现[6-8],其优化工作量不随设计参数数目改变的优势使得多级风扇/压气机精细化设计日趋成为现实,罗尔斯-罗伊斯(R.R)等国外发动机大公司已将其作为设计体系的主要部分,见图3[9],弥补了原有设计体系三维阶段对人为因素的依赖,这被认为是十多年来风扇/压气机设计体系最重要的发展。事实上,伴随着试验数据和机理认识的丰富积累,风扇/压气机设计体系一直处于不断发展完善中。正因为此,过去半个多世纪中,出现了J79、F404、F110、F119、EJ200、Aπ-31Φ、RB119、GENX 等先进军民航空发动机,风扇/压气机设计技术呈现长足进展。

图1 飞机、动力及其叶轮机发展[5]Fig.1 Development of aircraft,engine and turbine[5]

图2 设计方法与工具体系发展Fig.2 Development of design methods and tools

图3 R.R公司伴随优化设计体系[9]Fig.3 Adjoint optimization design system of R.R[9]

1.2 设计理念与思路转变

风扇/压气机的发展历程中,随着关于流动机理、性能特征认识的丰富积累,其设计理念与思路也发生了重大转变。

1)从机翼外流到叶片内流的转变

早期,研究者注重风扇/压气机与机翼的相似性,设计中也曾主要借鉴机翼翼型,但研究者逐渐注意到风扇/压气机内部流动与机翼外流的根本差异:机翼外流是单边曲率影响下的无限空间内流动,而风扇/压气机内部流动是受限空间、多边曲率影响下具有流向/径向强压力梯度、固有非定常性(热功交换)的流动。这种认识上的重大转变使风扇/压气机设计思路与飞机机翼分道扬镳,形成了给定流量下合理分配流向与展向加功量、精细组织流动曲率、关注向心力场平衡、控制流动扩压度的设计思路,并体现为负荷系数、扩压因子(或D因子,或最大静压升系数)、损失系数、落后角等独特设计准则参数,已经与外流机翼设计思路、方法完全分野,自成一体。

2)叶片气动外形的转变

叶片气动外形发展历程中在两个层次上出现了三大变化。在基元叶栅层面,见图4[10],从开始仿照机翼选用NACA系列等标准叶型[11],到开发出适应风扇/压气机的双圆弧、多圆弧叶型[12]、任意多项式造型[13]、可控扩散叶型[14]或按需求定制叶型、计算机优化叶型,其构造思路上已经从孤立翼型转变为精细控制叶型表面压力梯度以避免附面层增厚分离。与此同时,一方面,延伸叶栅层面上述转变,也出于耐用性、成本、裕度、可靠性等考虑,叶片设计理念由窄弦、高展弦比向宽弦、低展弦比转变,见图5；另一方面,受掠形机翼启示,叶片展向积叠思路由束缚于展向近直叶片转变为后掠叶片、前掠叶片,并在深刻认识掠即体现负荷展向匹配后,转变为根据设计需要而定制复合掠叶片。除此之外,随着叶身融合、前缘边条叶片等应对端区叶表/端壁附面层交汇和来流附面层扭曲问题的技术措施出现,整个三维叶片发展呈现由第1、2代三维叶片向第3代三维叶片的转变[15],见图6。值得一提的是,对于高负荷风扇/压气机,在高密流比、掠弯积叠情形下,强的三维效应使得基元叶栅(叶型)研究的工程适用性大打折扣。

图4 叶型发展改自文献[10]Fig.4 Blade profile development(modified from Ref.[10])

图5 三维叶片发展Fig.5 Development of 3D blades

图6 3代三维叶片发展特征[15]Fig.6 Development features of three generations’3D blades[15]

3)来流速度选择的转变

来流速度是风扇/压气机初始设计时必须作出选择的框架基础参数。为提高航空发动机性能,业内在提高通流来流速度、叶片基元来流速度两方面做出了努力,并出现了思路转变。首先,为减小发动机迎风面积和重量,起初通流速度是不断提高的,但最后认识到最高的通流马赫数在0.65～0.70之间,再高则易使叶片通道发生堵塞、效率低下；而公开发表的文献中,为降低进气道损失而增加通流速度至超声速的努力却因工程实用风扇本身设计难度而不了了之。在提高叶片基元来流速度方面,初期超声速进气的尝试大多因马赫数高导致激波诱导附面层分离而失败,却形成了最高法向马赫数不要超过Pearcy准则数1.27、合理组织激波结构可在约束损失弊端情况下利用激波增压优势、带箍转叶尖部/静叶根部不要超声等理念,该理念还直接促成获得了激波曲面三维性的认识,并设想通过类似机翼后掠而消除激波损失及其诱导附面层分离[16],但其尝试终因忽视了旋转内流与外流间的本质差别而失败,然而却为后来的超跨声速、复合弯掠风扇/压气机发展奠定了基础。

时至今日,随着流动认识加深,上述理念仍在发生着转变:选取高稠度以允许激波后附面层有限分离,从而使叶片基元来流马赫数可提高至1.6～1.7[17],通过叶身融合处理弱化或消除角区因激波附面层干扰而产生的分离,从而使转/静叶根部可以适当超声[18]。从高负荷叶片基元来流速度的展向分布来看,经过70年的研究探索和工程实践,其思路已由展向全亚声速的亚声速风扇/压气机取向,拓展为首1～2级采用根部至少10%～20%展高保留亚声速而其余展高为超声速进气的跨声速风扇/压气机,展向全部超声速的超声速风扇/压气机因裕度、效率过低而极少有应用。

4)由局部向全局把握的转变

风扇/压气机设计曾经只重点关注设计转速、设计点气动性能等局部问题。如今,伴随总体认识、实际运行经验的积累以及航空发动机性能要求的全面提高,风扇/压气机设计越来越注重全局把握。主要体现在:

① 由重点关注设计转速、设计点气动性能到全面关注整个转速范围性能并针对最大推力、巡航等关键工况点进行折衷、提升,由关注新机性能到关注寿命期内整体性能水平,出现了考虑运行环境对气动外形继而对性能影响的鲁棒设计。

② 由早期仅关注气动外形宏观参数影响,转而开始附带关注粗糙度、倒圆/倒角、轮箍缝隙以及变形等工艺、结构和运行因素影响。

③由孤立关注风扇/压气机,转变为兼顾从推进系统甚至飞机推进系统一体化的高度关注进气道(弯折管路)、燃烧室对风扇/压气机部件的耦合影响,尤其出现了进气道-风扇耦合分析与设计,使风扇设计更接近实际环境。

④随着单位轴向尺度下负荷能力需求的提高、降噪需求日益严苛,风扇/压气机设计还由单独关注气动性能,转变为除此而外愈发关注叶片气弹特性、噪声特性以及相应的优化改进设计。

⑤ 风扇/压气机技术创新由内生驱动转向兼顾总体牵引驱动,出现了对应变循环的多流路排气风扇(核心机驱动风扇),对应间冷(回热)循环的间冷压气机,为满足大涵道比和降低噪声要求出现齿驱风扇,为满足降低陀螺力矩且提高单位轴向长度加功量要求而出现对转风扇,根据总体需要组合轴流、斜流、离心压气机等。

1.3 设计性能指标发展

经过70余年的发展,风扇/压气机设计及性能指标已经取得了辉煌进步。主要具体指标如下:

1)级负荷系数(基于叶尖转速):核心压气机级负荷系数由最初不到0.2提高到0.25～0.28之间；军机风扇/低压压气机级负荷系数实用型号提高到0.25～0.28,预先研究的达到0.28～0.35以上。

2)叶尖转速:见图7[19],从最初300 m/s,到最高尝试600 m/s,最终风扇稳定于450～550 m/s之间,压气机则稳定于400 m/s左右。

3)叶尖马赫数:从20世纪40年代初低于1.0,到20世纪50年代大量尝试从亚声速到高马赫数(1.5～2.5),之后到20世纪60年代又理性回归到1.2左右,继而在1970—1990年间再度冲击1.4～1.8,迄今渐渐稳定在1.3～1.5之间,见图8[19]。

4)展弦比:叶片展弦比一直在降低,风扇从早期4～5下降到1.2～2.0,压气机从早期高达4.5到当代1.0～1.5,见图9[19]。下降趋势非常明显,但随着气动弹性评估以及材料、结构进步有略微回升趋势。

5)D因子:从早期0.3～0.4提高到今天常用的0.5,个别甚至超过0.6。

6)压比:风扇转子压比从早期1.5～2.5之间的各种尝试到如今惯常选择1.5～1.8之间,见图10[19]；压气机平均级压比则从早期1.2左右到如今实用1.3～1.4,先进压气机已经达到1.5～1.6,见图11[2]；风扇/压气机总压比则从早期5左右发展到今天民用、军用发动机分别达到40、25以上,见图12[10]。

图7 叶尖转速发展历程[19]Fig.7 Development course of tip speed

图8 叶尖相对马赫数发展历程[19]Fig.8 Development course of relative tip Mach number

图9 展弦比发展历程[19]Fig.9 Development course of aspect ratio

图10 风扇转子压比发展历程[19]Fig.10 Development course of pressure ratio of fan rotor

图11 压气机级压比发展历程[2]Fig.11 Development course of pressure ratio of compressor stage[2]

图12 风扇/压气机总压比发展历程[10]Fig.12 Development course of total pressure ratio of fan/compressor[10]

图13 材料与结构变化对风扇/压气机影响历程[10]Fig.13 Influence of materials and structures on fan/compressor[10]

图14 各类压气机工作范围Fig.14 Work range of several kinds of compressors

7)效率:总体在不断提高,风扇绝热效率峰值约从0.80提高到0.86～0.88；压气机效率也如此,进步明显。

8)材料与结构:从早期铝、钢材料以及常规叶片、轮盘连接结构,发展至钛、镍材料以及整体叶盘结构,使得平均半径折合转速从早期250 m/s到今天400 m/s,级平均压比/温升从1.2/15℃ 提高到1.6～1.8/45～60℃以上,见图13[10]。

1.4 气动热力学若干疑题

从技术科学角度看,过去70年,虽然风扇/压气机取得长足发展并日趋成熟,但相比于飞机设计领域已形成完整的气动布局理论而言,风扇/压气机设计领域尚未形成系统的气动热力布局理论。就此,文献[5]初步总结了若干疑难问题如下。

1)最恰当的风扇/压气机构型问题

在给定压比情况下,初始概念设计中选择何种风扇/压气机构型更好?例如,既然中大型航空发动机中后面级采用轴流形式导致叶片短、损失大,那么能否后面级组合采用斜流或离心压气机?全轴流构型未必是最好的。因此,设计初期,构型方案选择对最终设计性能往往是决定性的,必须得到重视。这就牵扯到各种压气机构型的应用范围问题。事实上,这是个老问题,国外各大公司及科研机构已经独立形成比较粗放的经验,见图14,这些经验很难公开,另一方面,随着技术进步,各种单独或组合形式压气机应用范围并非一成不变,故该问题仍需不断关注。

2)最大负荷问题

不断提高风扇/压气机负荷能力是该领域的一贯目标。美国IHPTET计划第三阶段就曾提出过最大负荷设计问题,但公开文献一直未予阐释。文献[20]对此进行了探讨,指出最大负荷是综合用尽基元叶栅、展向积叠、排间匹配等方面潜力以及主被动控制措施寻求负荷最大化。值得补充的是,最大负荷不单单强调压比最高,而是全面兼顾效率和裕度等指标。

3)加功分布规律问题

多级风扇/压气机中,设计点流向各级、各排之间以及单排叶片沿流向、法向加功量分布如何直接决定着全工况性能,然而该问题至今仅停留在因公司、设计师而异的经验层面,并未获得根本解决。这实质是压缩系统流动三维曲率设计问题,而从设计方法看,体现为叶栅基元S1面内流线曲率与通流S2流面内流线曲率组合方式与规律的问题。该问题另外部分可表述为恰当展弦比选择问题,直接关系压缩系统紧凑性。

4)三维叶片参数化问题

当前风扇/压气机设计主要通过通流布局、中弧线叠加厚度分布、展向积叠以及基于三维CFD分析反复“补救”等步骤实现,手段上实质是二维的、“伪”全三维的,这与需要实现三维流线曲率控制的流动全局三维性存在矛盾。然而,除全三维流线曲率控制理论与方法至今仍毫无头绪外,至少叶片参数化应该是全三维的,而这也面临困难:原有设计体系下,我们已经习惯于基元叶栅+展向积叠的参数化模式,关于各造型参数影响重要性的认识也停留于此框架内,以至于非轴对称端壁[21]、叶身融合[22]等都被看做是新技术,但实质是三维叶片参数化认识不足的问题。

5)流动黏性问题

湍流问题是流体力学的终极疑题,对风扇/压气机内部流动尤其如此,过去以采用Baldwin-Lomax(BL)、Spalart-Allmaras(SA)、k-ε 涡黏性模型的雷诺时均Navier-Stokes(RANS)模拟已经使风扇/压气机设计水平及性能发生了翻天覆地的变化。近年更精细的脱体涡模拟(DES)、大涡模拟(LES)甚至直接数值模拟(DNS)成为可能,相关结果已经显现刻画出流动的准确性取得长足进步,但如何解读这些结果并应用于设计却仍是大问题；图15所示为某压气机RANS和LES模拟结果的密度梯度分布,可见流动差异之大。这对机理认识、设计体系完善提出了新要求。

图15 RANS与LES结果对比Fig.15 Comparison of RANS and LES results

6)非定常设计问题

风扇/压气机流动具有固有非定常属性,但当前设计体系采用掺混界面或冻结转子法,无法包含非定常流动相位因素,完全忽略了非定常流动本质。研究者一直期待嵌入时间维影响以获得更高的时均性能、气动弹性和气动噪声特性。这方面,21世纪初,有学者提出缘线匹配技术[23],见图16,其以相邻叶排相邻前尾缘线空间相位关系为设计自由度,可以调控非定常流动相位。从2004年R.R公司论文看,至少该技术已应用于涡轮叶片抑振设计(被另命名为 Wake Shaping技术[9]),见图17,LEAP-X发动机高压涡轮设计也是应用此技术。尽管该技术处于初步概念研究阶段,但正如Yao等[24]的综述文章指出,该技术可能是非定常设计的关键。非定常设计另外重要的问题是,如何在一维、二维设计阶段考虑非定常影响。

图16 缘线匹配技术[23]Fig.16 Edge-matching technique[23]

7)复杂循环中的压缩流动

近年来,许多复杂先进循环概念发动机被提上开发日程,使得风扇/压气机发展面临新问题。以图18所示间冷压气机为例,其出现意味着压气机设计中必须考虑热源、湿压缩以及流路曲率、容积惯性影响,压气机与间冷器需要一体化设计,强流热惯性引起的压缩系统稳定性问题需要考虑等。这些复杂循环带来的问题一旦解决将为航空发动机发展迎来新机遇。

8)与飞机气动布局关联问题

为达到极致发挥飞机发动机一体化对于提升发动机效用的作用,需要将飞机气动布局与发动机匹配精细到压缩系统层面,以图19所示进气道嵌埋式飞机与推进系统为例,采取进气道-风扇耦合设计,甚至飞机-进气道-风扇耦合设计,均能带来整体性能提升。再如F35B,其升力风扇设计也需要精细到与飞机气动布局匹配的层面。

图17 抑振设计[9]Fig.17 Reducing vibration design[9]

图18 间冷压气机新问题Fig.18 New problems of intercooling compressors

上述疑难问题根源在于风扇/压气机流动假想模型与真实功能流动仍存在巨大差异,通过研究缩小该差异是提升风扇/压气机继而航空发动机水平的关键途径。

2 我国风扇/压气机领域存在的问题

我国航空工业发展至今,已经具备了自主设计风扇/压气机的能力,尤其自1990年开始建立的设计体系,为我国风扇/压气机技术能力提升做出了巨大贡献。代表性成果包括级增压比为2.2～2.3量级的单级风扇ATS-2[25]和J285[26]、中等推力发动机风扇和压气机、大推力发动机风扇和压气机等。尽管如此,我国风扇/压气机技术领域仍存在下述问题制约着整体发展。

1)基础与关键技术研究的总体牵引偏弱

风扇/压气机技术遵循内生的发展逻辑,但同时必须服务于航空发动机总体需求,否则,其性能指标再高也无法集成为先进整机。因此,在总体牵引下开展风扇/压气机基础与关键技术研究才有意义。但是,国内风扇/压气机领域前瞻基础与关键技术研究相对偏重,按其技术内生逻辑发展,单方面追求高压比、高效率,总体牵引却偏弱。主要体现在国内根据总体发展需求提出基础与创新技术能力不足,这方面,美、俄等发达国家则做得很好,能够凭借总体概念预研驱动风扇/压气机技术创新[27-28],例如升力风扇、核心机驱动(多路排气)风扇、间冷压气机等技术创新都是在这种情况下出现的。

2)基础研究系统性、全面性、深入度不足

长期以来,与行业一致,风扇/压气机领域也是难甩测仿思维定势,力图多快好省,不肯也等不及基础研究,造成该领域基础研究系统性、全面性、深入度不足。

① 相关流动机理认识、理论建模、方法开发不足,尤其针对前述构型选择、最大负荷、加功分配、三维叶片参数化、黏性流动等风扇/压气机领域疑难问题几乎尚无系统全面的研究。

②数值、试验获得的基础与工程数据积累少、系统性差、缺乏解读和经验关系提炼、难以利用。突出的例子是,欧美关于扩压通道的大量基础试验数据总结为图20所示最大压升能力规律[29],是一维设计与特性分析的关键经验关系。国内至今尚未开展此项工作,仅参考国外略去细节的文献和引进一维程序,未掌握其条件、范围,难以支撑一维方法的消化吸收和拓展提升。

图20 Koch扩压通道最大静压升试验经验关系[29]Fig.20 Koch’s maximum effective static pressure rise coefficient[29]

③轻视核心方法与工具系统的持续自主研发。这方面最突出表现在二维正问题、三维CFD工具以及核心测试方法开发上。二维正问题方法对多级压气机设计极其关键,其开发因需要凝练大量试验数据积累而异常困难,因而以俄罗斯为例,CIAM等研究机构一直维持几个团队坚持自主开发工作。三维CFD也是如此,仅以美国的一个大型程序FUN3D开发为例,NASA常年维持20人左右团队专职对其持续开发完善[30]。

3)技术体系较全但可靠性弱

迄今,国内风扇/压气机技术体系是较为完备的,但更新完善却止步不前,细节也常需要继续推敲。以现今气动设计体系为例,该体系主体引进于俄罗斯,固化了20世纪90年代以前的研究成果,至今未能完全消化吸收并升级换代。更大的问题在于,体系中各程序所用经验关系原理、适用范围、使用规范的细节尚不清晰,体现在设计上的可靠性较差,撞运气成分居多。这一点在多级轴流压气机设计上较为明显。实际上,大到负荷分布规律问题,小到叶排轴向间距选取,国内仍未有足够可靠的经验和认识,面对新设计任务,不得已参考国外,难以真正自主设计并走出自己的特色之路。

4)创新与前瞻储备不足

充分利用、挖掘测绘反设计的成果,在此基础上进行科技创新的前瞻研究,形成技术储备是风扇/压气机领域乃至航空发动机发展的保障。国内在此方面严重不足,主要体现在:

① 最大负荷设计始终是风扇/压气机技术创新方向。近年来,大小叶片技术在提高小流量风扇/低压压气机负荷能力方面取得了巨大成功,但在应用于高轮毂比、流路变化平缓的高压压气机以提高负荷的努力却遭遇困难；应用流动控制技术提高负荷却因缺少严谨的宏观效益分析而显得任意；提高单级负荷、减少级数却常导致总的轴向弦长超过低负荷、多级数情况等,尚无法为先进发动机研制提供坚实支撑。

② 多路排气风扇/压气机是变循环发动机牵引的创新方向。国内目前虽有研究,但对于不同工况三维流动曲率组织关注不够,未与总体结合进行细致设计与评估。

③ 精细化设计是发展趋势,而高性能风扇/压气机精细化设计越来越人力难为,必须依靠计算机优化,而常规优化方法计算量随设计参数数目增多呈指数增长,无法实用。伴随方法计算量不随参数数目变化的优势使其成为精细化设计的唯一候选。事实上,R.R公司10年前已经将此方法纳入设计体系,至今仍不断完善。国内尚未给予足够重视。

④ 非定常设计是风扇/压气机设计方法发展的符合学术逻辑的终极理想,但迄今为止停滞不前。一方面受阻于非定常流动模拟方法发展仍不足以用于工程设计,另一方面,如何从海量结果数据中抽提关键设计决策信息,非定常设计的抓手在哪?这些问题是非定常设计的重要阻障。值得一提的是,国内原创的缘线匹配技术可能是非定常设计的重要抓手。

上述问题未尽全部,但可见一斑,风扇/压气机领域需要认真对待。

3 发展思考

未来10～20年是我国航空发动机科技发展的机遇期,千载难逢,必须做好充分准备。就风扇/压气机气动而言,鉴于前述国际发展态势和国内存在的问题,应该做好3个层次的工作:

一是拾遗补缺、继承发展。从风扇/压气机技术基本内在需求出发,进行基础与工程试验数据库、设计体系的资源整合、补充、评估、规范化等创新。

二是夯实基础、拓展提高。深化机理研究与模型提炼,进行设计体系完善化开发,工程实践风扇/压气机先进设计理论与方法,与国际水平接轨。

三是勇于挑战、探索超越。前瞻未来发展,挑战风扇/压气机负荷最大化,探索新概念风扇/压气机技术。形成比肩乃至超越发达国家的核心竞争力。

总括上述3个层次工作,后续的具体发展方向如下:

1)基础与工程试验数据库的建设与应用

搜集、整理国内外现有各型风扇/压气机基础与工程试验数据,并以支撑设计参数借鉴、设计方法开发、设计体系校验为根本目的,进行参数化归类、系统补缺、设计解读、准则提炼,建立和应用风扇/压气机基础与工程试验数据库。

① 基础试验。主要工作包括:轴向、径向扩压通道扩压能力试验；典型叶栅性能和设计参数(自身)相关性试验；大折转亚声速叶栅、超声速叶栅试验；大小叶片、串列叶栅试验；前缘、角区和泄漏流动试验；多级压气机端区流动发展的试验；典型径向扩压器气动性能及流场试验；轴流叶栅气动弹性试验等。

②工程试验。主要工作包括:典型首级风扇；带内外涵路风扇试验；典型多级轴流压气机气动性能试验及排间参数测量；单级、多级斜流/离心压气机；轴流-斜流/离心组合压气机气动性能试验及排间参数测量。

③ 试验件的设计解析。主要工作包括:基础试验的关联分析；试验件设计参数化归类；国外收集、国内现有试验件的设计反演；试验设计的数值解析；规律、准则归纳提炼。

④ 试验数据库的构建与集成。

2)设计体系资源整合、评估、规范化

梳理现有设计体系资源(数据、工具、规范),深刻掌握现有设计体系资源的理论、方法、准则、机理基础,依靠已掌握风扇/压气机、离心压气机基础与工程试验数据库,逐一评估和标定一维设计、二维设计、三维分析等设计体系核心工具,系统评估设计体系自洽性,完成设计体系使用的规范化,大幅提高现有设计体系的工程可靠度。

① 现有设计体系资源梳理。主要工作包括:梳理现有设计体系的数据、工具、规范资源；梳理设计体系的理论、方法、机理基础。

②现有设计资源评估与标定。主要工作包括:一维设计与一维特性分析、优化,二维通流设计与通流特性分析、优化；S1分析与反问题设计、叶片造型、三维CFD分析(网格、格式、转挨与湍流模型等)等设计和分析工具的评估与标定；设计系统自洽性研究；设计规范研究。

3)设计体系完善性开发

在设计体系资源整合、评估、规范化基础上,着眼弥补设计体系在机理、模型、方法等方面相对国外现状的重要差距,着眼满足风扇/压气机设计系统自洽性,补充必要的设计、分析、优化工具,对现有设计体系进行完善和提升,并针对性地进行校验、评估、规范化,实现设计体系与国际发达水平同步。

① 快速一维设计循环研究。结合近年风扇/压气机发展,改进一维模型与设计、特性分析与优化方法；风扇/压气机及容腔系统瞬态特性分析的一维方法；气弹特性和气动噪声特性分析与优化的一维方法。

②性能定制二维设计循环研究。考虑端壁黏性的风扇/压气机通流设计方法；适应高负荷、高流路曲率变化的风扇/压气机特性分析的二维方法；风扇/压气机及容腔系统瞬态特性分析的二维方法。

③叶片参数化造型研究。叶片性能与几何参数相关性研究；风扇/压气机第3代全三维参数化造型技术；相关校验、评估、规范化。

④ 高精度定常/非定常、线化/非线性三维CFD研究。高质量网格技术及网格依赖性；高精度格式适应性；先进转挨模型、湍流模型；非定常计算方法研究；定常/非定常混合计算；定常/非定常伴随优化方法；三维高效综合优化方法；大规模并行计算；结果后处理与解读；校验标定与规范化。

⑤非定常设计与多学科综合优化研究。快速形变分析；静强度分析；动强度分析；颤振预测；静态与动态温度场预测；以缘线匹配为设计自由度,开展气动与静强度、动强度、气弹特性、噪声特性综合优化。

⑥ 仿真、设计、优化体系软件化工具与平台建设。

4)压气机先进设计理论与方法研究

针对先进风扇/压气机、组合压气机,在设计体系不断完善性开发基础上,深入认识流动机理,系统掌握基本设计规律,进一步使先进设计、分析、优化方法与设计实践融合,攻关关键设计难题并进行试验验证,使风扇/压气机工程设计达到国际水平。

① 风扇/压气机气动热力布局及机理研究。系统开展风扇/压气机气动热力布局研究；风扇/压气机叶片参数与叶排内部流动机理(角区、叶端间隙)；风扇/压气机排间匹配；进气道/风扇/压气机匹配；风扇/压气机非定常流动机理及排间间隙影响；工程实用的流动控制机制。

② 风扇/压气机基本设计规律研究与验证。深刻掌握总体要求和风扇/压气机流动机理设计的全局理念；先进风扇设计、验证、规律及其规范化；进气道、风扇、内外涵路配合；先进多级压气机设计、验证、规律及其规范化；压气机流动与性能的低速大尺寸模拟技术；多级轴流压气机试验调试技术；风扇/压气机内流动控制措施应用技术；设计体系可靠性分析与验证。

③ 风扇/压气机多学科优化设计研究。进气道/风扇/内外涵路的噪声预测与抑制设计；风扇/压气机强迫振动、颤阵预测技术与改进设计。

5)压气机负荷最大化研究

针对推重比为12以上涡扇发动机需求,从基元叶栅、叶身积叠、排间匹配及流动控制4个方面出发继续提高风扇/压气机负荷水平,掌握相关流动机理,开发相应设计技术,开展试验验证,积累关键试验数据,提炼设计准则和规范,建立并完善风扇/压气机负荷最大化设计理论方法,此处最大负荷为单位轴向尺度内负荷最大化。

① 风扇/压气机负荷最大化的总体研究。发动机总体对风扇压气机负荷最大化的需求分析；风扇/压气机负荷最大化潜力研究。

② 风扇/压气机负荷最大化的机理研究。根据负荷最大化潜力因素分解,研究相关因素的影响机理和改进潜力。

③ 风扇/压气机负荷最大化的关键设计方法研究。负荷最大化的方案设计技术；负荷最大化导致的设计体系模型修正；端区流动组织；通流空间全三维参数化造型；基于伴随的反问题和全三维定常气动/非定常流固耦合优化。

④ 风扇/压气机负荷最大化设计与验证。超跨声速风扇/压气机级负荷最大化系列设计与验证；(对应推重比超过12)风扇/压气机最大负荷系列设计与验证；进气道/风扇/压气机/内外涵路一体化设计与验证。

6)新概念风扇/压气机

面向航空发动机长远发展,开展新概念风扇/压气机预先研究,探索掌握其基本性能、适用范围,为后续发展提供技术储备。具体研究方向如表1所示[28]。

4 结束语

总结了风扇/压气机领域的国际发展态势和国内存在的技术问题,并对后续发展思路和方向给出了建议。总体来看,与航空发动机科技发展相通,风扇/压气机领域发展需要重视基础研究、重视研究工作的系统性、重视螺旋上升的研究规律,过去想过的,仍可能是今天、明天的问题；过去做过的,未必不需要继续深化；过去行不通的,未必今天仍然行不通。传统科技难以创新,掌握不易、出成绩更难,对于风扇/压气机领域的技术研究是系统工程,后续需要高校、研究机构和企业通力协作,开创中国航空发动机科技与产业新局面。

表1 新概念风扇/压气机示例[28]Table 1 Instance of new concept fan/compressor[28]

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