民用航空涡扇发动机设计的法律及气动问题*
2016-10-19王保国黄伟光徐燕骥谭春青
王保国，王 伟，黄伟光，徐燕骥，谭春青
(1.北京理工大学 宇航学院，北京 100081；2.中国铁建中非莱基投资有限公司，北京 100855；3.中国科学院 上海高等研究院，上海 201203；4.中国科学院 工程热物理研究所，北京 100190)
民用航空涡扇发动机设计的法律及气动问题*
王保国1，王伟2，黄伟光3，徐燕骥3，谭春青4
(1.北京理工大学 宇航学院，北京 100081；2.中国铁建中非莱基投资有限公司，北京 100855；3.中国科学院 上海高等研究院，上海 201203；4.中国科学院 工程热物理研究所，北京 100190)
低污染、低噪音、低油耗和大功率已成为现代民用航空发展的奋斗目标。低污染与低噪音在国际上十分重视并已有明确与严格的法律规定，而低油耗和大功率涉及到飞机飞行的经济性。为了实现上述目标，各国航空设计者和法律工作者都做了许多努力。文中从气动设计的角度，针对低污染燃烧室和低噪音尾喷口设计中的关键技术问题进行了深入的研究，其中许多措施可用于指导这类发动机的设计。另外，从法律的角度深入探讨了在航空领域国际上十分重视发动机污染物的排放以及噪音限制的社会缘由与法律渊源。文中还通过回顾航天科学中国际上制定的一系列对地球大气层以及外层空间保护的国际法律文件，得出如下结论：无论是在航空科学还是在航天科学的研究中，保护大气层环境不被污染与损害是飞机发动机燃烧室与航天器燃烧设计者必须要考虑的首要因素，是不可推卸的社会责任。
大涵道比；大型客机；涡扇发动机设计；法律法规
0 引 言
随着全球航空运输业的飞速发展，国际社会对环境保护问题越来越关注，并且使得飞机发动机排放污染问题和飞机噪声限制问题的研究变得十分重要[1-3]。如今，对于一个合格的飞机或航空发动机设计者来讲，除了对常规的气动设计和强度计算必须要熟练掌握之外，另外还应该具备系统学和系统工程方面的基础知识[4-5]，尤其是应该具备钱学森先生一直倡导的人-机-环境系统工程方面的相关知识[6-7]。因此从这个意义上讲，对于一个从事民用航空的飞机或发动机设计者来讲，针对民用航空发动机在“安全性，经济性，环保性，舒适性”等方面的特殊要求，深刻地认识飞机发动机排放所造成污染的危害性以及深入了解噪声限制的社会缘由是非常必要的。只有这样，设计工作者才能从原始设计中考虑相关的影响因素，才能有效地减少发动机排气污染和降低飞机发动机的噪声，保护人类赖以生存的大气环境。
文中以当前大型民用飞机中所广泛采用的涡扇发动机设计为切入点，从法律与环境保护的角度以及常规的气动设计角度详细地讨论了这类发动机设计中应该关注的几个关键问题，使飞行器与发动机设计者更深刻地认识到坚持“低污染，低噪音，低油耗和大功率”的方向才是发展现代民用航空的目标。
1)飞机废气排放的污染问题不可忽视。随着全球航空运输业的飞速发展，民航产业产值占全球GDP的份额在不断增长，据国际民用航空组织(The International Civil Aviation Organization，简称ICAO)和国际航空运输协会(the International Air Transport Association，简称IATA)公布的数据表明：当今世界民用航空年均产值总数已达到4000亿美元[8]，民航业产值占全球GDP的9%，每年运送超过20亿的乘客和4 100万吨货物和邮件[9]，另外，ICAO的环境保护委员会第六次会议(CAEP/6)预测，2000年到2020年全球航空运输业还将有4.3%的年增长率。
飞机是属于移动的排放源，其排放领域已通过航线网络扩展到全球，远远超出国别范畴，因此国际社会对飞机排放污染问题是十分关注的。飞机是能源消耗和废气排放量相当惊人的运输工具，以当今世界上最大的运输机空中客车A380为例，它可载运550名旅客，其发动机功率相当于3 500辆轿车。而一架喷气式客机从英国伦敦飞到澳大利亚悉尼所消耗的油料相当于400辆大众牌越野汽车(Vokwagenpolos)各自行驶1.6万多公里所消耗的能源，因此从商用飞机的能源消耗以及相应废气排放的人均公里(each passenger-kilometer)标准来看，它要比任何一款汽车高的多得多[8]。预计到2025年全世界空中客车运输机总量将达到1 500架。到那时，全世界航空客机数量达2.2万架，其喷出CO2相当于500万辆汽车排放的CO2.另外，现在全球每年汽车产量大约是6 000万辆，而正在世界各地公路上行驶的汽车有10亿辆。假设每辆汽车平均每天大约行驶1 h，而远航线飞机每天飞行至少10 h，它们每天燃烧的油料所产生上百万吨CO2直接进入地球大气层，因此这种巨量的废气排放将严重影响了天气状况，污染了大气环境，成为了温室气体(greenhouse gases)的来源之一。
2)推进系统和飞机机体的噪声问题十分突出。2003年10月，协和号超声速飞机完成最后一次飞行后告别了蓝天。30多年来，协和号飞机一直只能飞越无人区的大西洋海域，不能在其他地区飞行，其主要原因是该飞机飞行时产生的巨大的噪音干扰。飞机噪音问题是城市环境污染的重要问题之一，早在1952年5月首架喷气发动机商业飞机在英国开始投入飞行之时便引起了当地居民对Ghost(鬼怪)飞机产生的巨大噪声的强烈不满，在飞机出没的地方经常发生飞机噪声的侵扰与城市公众反侵扰之间的斗争。1969年，在ICAO的主持下，由美，英，法等主要民航运输国参加，成立了飞机噪声委员会(CAN)，负责处理世界范围的逐步升级的机场噪声问题。1997年NASA制定出在10 a之内将飞机噪声减少10 dB的目标。正是由于世界各国对飞机噪声引起的城市环境污染十分重视，再加上飞机制造技术与噪声控制技术的不断提高，使得一般喷气客机噪声降低有了明显的进展，实现了每十年减低10 dB的降噪效果，对乘客和地面的影响有了很大的改善。
近几年，中国扩建、改建和新建的各类机场数量剧增，2003年中国民航运输量已跃居世界第三位，中国已成为民航运输大国。这里应说明的是，目前中国的大、中型客机几乎全部依赖进口，民航运输大国并不等于中国已成为民航技术强国，为此2007年8月中国批准了《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006—2020)》，其中大型民用客机正式列为重大专项。
3)涡扇发动机—大型客机选用的动力装置。目前，世界干线客机的动力100%采用涡扇发动机，这种状态在未来相当长的时间内不会有根本的变化[10]。正是出于这种考虑，文中选用了涡扇发动机的设计作为讨论的对象与切入点。作为大型客机的动力装置，涡扇发动机的主要优势在于：它不仅能提供较快的飞行速度，而且具有良好的经济性、安全性、可靠性和维修性，即具有高循环参数、低油耗率、低污染、低噪声、高可靠性和长寿命等特征，它代表了一个国家民用航空发动机技术的技术水平，它可以满足ICAO提出的环保等方面的要求。
1 国际上对环境噪声以及污染排放的相关法规
1.1对大型客机适航噪声限制的规定
飞机的噪声是指飞机飞行时存在的各种噪声源的声辐射总和，其来源主要有2类：①推进系统的喷流噪声；②飞机的机体噪声和声爆(合称气动噪声)。飞机噪声就其实质而言起因于飞机内部的脉动质量源(单极子噪声源)、作用力的空间梯度(偶极子噪声源)以及应力张量的变化(四极子噪声源)。早在20世纪50年代，航空发动机喷流噪声的发声理论就由Lighthill提出。对于亚声速流，利用Lighthill理论得到的计算结果与飞行测量数据相符合。但是噪声在110 dB时，由于出现非线性、到130 dB时非线性变得更加严重，因此这时用Lighthill的理论计算便很难去预示强声场，为此这时国内外一直采用冷、热流缩比模型试验和实测去获取这时的数据。对涡轮喷气发动机当采用冷热缩比模型试验时，其频谱误差在±2 dB之内，试验结果相当准确。从机理上讲，喷流噪声是由于喷流与静止空气的剪切流产生的旋涡所造成，它反映了压力脉动(fluctuating pressure)的作用，因此压力脉动与边界层的转捩点、当地雷诺数、物型和表面状态等因素有关。另外亚声速喷流噪声的声功率W为[11]
(1)
长期以来，飞机噪声问题一直是城市环境污染问题之一。早在20世纪50年代首架装有喷气发动机的商用飞机在英国投入飞行时，就引起当地居民对民用Ghost飞机所产生的巨大噪声深感不满，为此在有飞机出没的地方就时常出现飞机噪声的侵扰与城市公众的反侵扰斗争。1969年，在国际民航组织(ICAO)的主持下由美、英、法等主要民航运输国家参加，成立了飞机噪声委员会(CAN)，负责处理世界范围内逐步升级的机场噪声问题。事实上，美国纽约港务局早在1951年就明文规定：“未经允许，任何喷气式飞机不得在机场起降”。另外，在ICAO的主持下，参照1944年在芝加哥召开的国际民航大会第37款之规定，1971年4月2日会议首次通过了飞机噪声标准以及推荐实施办法，并指定为大会的附件16.在1971年至1981年的十年间，曾对ICAO附件16进行了4次修订，并公布了3个版本。此外，随着飞机发动机排污控制方面标准以及推荐实施办法的制定与修订，有必要将有关环境保护方面的决议形成独立的章程。鉴于此，在1981年召开的ICAO第六次飞机噪声委员会会议上，通过了将附件16更名为“EnvironmentalProtection”的决议。同时，还通过了将1978年颁布的附件16(第3版)即“AircraftNoise”保留并作为新附件16的第一卷的决议，而第二卷则包括了有关飞机发动机排污方面的各项决议。在这之后，附件16的第一卷共进行了7次修订。每一次的修订，几乎都涉及了对测试程序的更新，而与亚声速喷气飞机相关的主要在第7次修订中，并且对涡喷飞机与重型螺旋桨飞机提出了更为严格的噪声要求，形成了新的第四章，这也就是学界通常讲的第四阶段噪声限制。图1给出了不同年代生产的大型客机适航噪声水平的发展趋势，基本上海每10a大型客机适航噪声约降低6EPNdB(这里的EPNdB代表“有效感觉噪声分贝”)，到2016年大型客机适航噪声将比第四阶段噪声限制低18EPNdB以上。这里应特别说明的是：A380客机已在2010年前就实现了比第4阶段噪声限制低18EPNdB的要求，它代表了当前在降噪方面最高的技术水平。对于大型客机适航噪声水平的发展趋势可用如下3点概括
1)在1968年左右，亚声速喷气飞机的适航噪声总体水平已经满足了第三阶段噪声限制的要求，而在1977年开始ICAO要求各国执行第三阶段噪声限制；
2)在1986年左右，亚声速喷气客机的适航噪声总体水平就已经满足了第四阶段噪声限制的要求，因此在2001年提出了第四阶段噪声限制，并在2006年开始执行；
3)在2002年左右，亚声速喷气客机的适航噪声总体水平就已经比第四阶段噪声限制要求低10EPNdB，因此今年ICAO有可能提出第五阶段噪声限制。
图1 不同年代生产的大型客机适航噪声水平的发展趋势Fig.1 Development trend of the noise level for large aircraft in different years
近些年，许多国家的大型机场都提出了各自的噪声限制、运营配额或噪声罚款，尤其是对于夜间(23：00～7：00)时对起降的飞机提出了严格的限制。另外，一些国家(例如英国)还采用了QC(即Quota Count)等级见表1，根据QC等级的不同，不同飞机在夜间的限飞时间也不同，越安静的飞机获得的许可飞行的时间越长，反之越短，例如等级为QC/8与QC/16的飞机在23：00～7：00期间是禁飞的。换句话说，为了降低机场周围的噪声，应该使飞机的QC等级降低。
表1 QC与EPNdB的关系
1.2对客机污染排放限制的规定
1.2.1低污染排放燃烧室的典型实例及限排标准
民用航空发动机污染排放物包括氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)，未燃碳氢(UHC)和冒烟(Smoke)等，其危害主要分为2大类，一类是对局部空气质量(Local Air Quality)的影响，即对机场附近的乘客、机场工作人员和周围居民的健康造成伤害；另一类是对全球气候的变化(Global Climate Change)产生影响。为了提高发动机的整机效率，必然会导致燃烧室工作压力和温度的提高，致使NOx成为最难控制的污染物。另外，虽然航空发动机的排放只占全球热动力装置中燃烧污染排放的一小部分，但它具有排放地域和空域集中的特点，因此美国从20世纪70年代就开始执行一系列国家大型计划支持民机低排放燃烧室的基础研究与技术验证工作。国外几十年的研究表明，美国已经取得了每15 a NOx排放降低50%的效果，而且新一代的低排放燃烧室已经达到了实用级别的技术成熟度。应该讲，在全球范围内美国的民用航空低排放燃烧室的设计技术处于世界领先水平，例如GE公司研制的GEnx-1B和GEnx-2B发动机就是典型例证。基于贫油燃烧技术所采用的双环预混旋流器燃烧室(TAPS)已经应用于型号并已经取证，实验已证实该设计达到了超低排放的标准并且证明了贫油燃烧的发展潜力。另外，GEnx发动机主要用于即将投入使用的波音787“梦幻飞机”。由于该发动机采用了高涵道比(10)与高总压比(45)以及高效率的部件，使得其耗油率比1999年投入使用的GE90-94B发动机降低了6.9%.
到目前为止，ICAO已经公布了关于民用航空发动机限排标准的几个版本，从2014年开始，执行CAEP/8(Committee on Aviation Environmental Protection/8)标准，它对NOx排放提出了更严格的限制。针对航空NOx污染排放的限制，2010年ICAO提出对于增压比为30的民用航空发动机，中期(到2016年)目标为较CAEP/6标准低45%，远期(到2026年)比CAEP/6标准低60%[12]，另外，美国国家航空航天局(NASA)针对亚声速固定翼民用飞机提出了N+1，N+2和N+3的概念，分别要求在2015年、2020年和2025年将民用航空发动的NOx排放比现引标准CAEP/6降低60%，75%和75%以上[13]；欧盟在2000年提出到2020年NOx的排放比CAEP/2降低80%的设想。另外欧盟还在2010年提出到2050年NOx的排放较2000年进一步降低90%的设想。
1.2.2低排放燃烧室的定义以及燃烧室的划代
根据适航法规以及发展目标，按照NOx减排程度可将民用航空低排放燃烧室分为3个等级：以CAEP/6为基准，减少30%～50%为低排放(Low Emissions，LE)；减少50%～75%为超低排放(Ultra-Low Emissions，ULE)；减少75%以上称为超超低排放(Super Ultra-Low Emissions，SULE)。另外，国外还按照NOx排放水平的高低对民用航空低排放燃烧室进行了划代：第一代是指常规单环腔燃烧室(SAC)，亦可称为低排放燃烧室的前身(PreLEC)；第二代是指常规燃烧室基础上发展出来的低排放燃烧室(LEC)，它基本上是采用了富油-焠熄-贫油(RQL)技术；第三代是指采用了贫油燃烧技术的双环腔燃烧室(DAC)；第四代是指20世纪90年代后开始发展的比第三代排放低40%以上的低排放燃烧室，例如P&W公司的TALON(Technology for Advanced Low NOx)系列低排放燃烧室，GE公司的TAPS以及R&R公司的ANTLE都属于这一代[14]。
1.3航空航天科学的发展不可忽视地球与太空环境的保护
20世纪60年代以来，随着世界各国工业化的发展和人类对自然资源的索取与开发，空气污染严重、臭氧层变薄甚至出现空洞、大气层出现温室效应，导致全球气候变暖对自然生态和人类生存环境产生了显著影响；水资源十分短缺而且受到严重污染；土壤状况由于受侵蚀、盐碱化和荒漠化而恶化；森林资源以及动植物物种与其栖息地急剧减少，人类地球环境在不断恶化，因此国际环境问题已引起全世界的关注。
1.3.1对地球大气层的法律保护
国际上为应对远程跨界大气污染，防止人类活动对大气环境造成破坏，因此1979年就缔结了欧洲国家间的《长程跨界大气污染公约》(英文缩写为LRTAP公约)，这是世界上第一个面对空气污染问题而制定的公约，缔约国主要是欧洲国家以及美国和加拿大。从1984年到1999年间，缔约方在LRTAP公约的框架下先后签订了8个协议书，例如《关于削减硫氧化物排放至少30%的协定书》(1985年)、《关于削减氮氧化物排放的议定书》(1988年)、《关于削减挥发性有机化合物排放的议定书》(1991年)等。关于臭氧层保护问题，在联合国环境规划署的主持下各国于1985年在维也纳达成了《保护臭氧层维也纳公约》(1985年)，1987年在蒙特利尔通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》(1987年)，这个议定书又分别于1990年、1992年和1999年进行了4次修订，5次调整受控物质，应该讲这个议定书是国际环境保护公约史上的一个里程碑。当然飞机在大气层中的飞行也应该遵守这些国际公约列出的法规。另外，关于全球气候变化的应对问题，1992年达成了联合国《气候变化框架公约》、1997年通过了《京都议定书》等。
1.3.2对外层空间的法律保护
对外层空间环境问题，1963年联合国通过了《各国探索和利用外层空间活动的法律原则宣言》的第1962号决议(简称为1963年《外空宣言》)；1966年联合国又通过了《关于各国探索和利用包括月球和其他天体在内的外层空间活动原则条约》，该条约因1967年10月生效，因此常简称为1967年《外空条约》。毫无疑问，人类进行航天探索应遵守这些条约。文献[7]第334页～第339页详细给出了空间环境保护的法律渊源与基本原则，给出了空间发展的3个阶段以及硬法与软法共治的法治框架，文中因篇幅有限对此不作讨论。事实上，在ICAO的主持下民用航空制定的一些适航条件都是在上述国际公约和国际宣言的框架指导下制定的，实现环境友好飞行是ICAO的一项基本宗旨[15]。
2 民用航空涡扇发动机气动设计的基本策略和关键技术
民用航空涡扇发动机气动设计的基本策略是发动机的设计应遵循人机环境安全工程原理中给出的系统总体评价的4项指标[16-17]，即实现“安全、环保、高效、经济”四项指标的前提下进行民用航空涡扇发动机的气动设计。对于民用航空涡扇发动机来讲，发动机的噪音和发动机排气的污染直接影响着“环保”与“安全”这2大指标。如果指标达不到，民航客机不满足适航条件，飞机就不能在机场正常起落，因而这样的客机就丧失了基本的生命力，失去了存在的价值。毫无疑问，实现环境友好飞行，既是国际民航组织的一项基本宗旨，也是民用航空发动机设计的基本原则，设计人员不可忽视。21世纪大型涡扇发动机的发展充满着强劲的活力，GE公司的GEnx发动机和R&R公司的Trent 1000系列发动机代表了当前大推力涡扇发动机的顶级水平。由于这两型发动机采用了高的循环参数和一系列先进的技术，发动机的性能全面达到了相当高的水平(即具有高循环参数、低油耗率、低污染、低噪声、高可靠性和长寿命等显著特点)，能够满足波音787飞机的要求，为“绿色航空”做出了重大贡献。
2.1加强风扇噪声的产生和传播机理以及控制方法的研究
美国和欧洲自20世纪60年代就开始开展风扇噪声产生和传播机理以及控制方法的研究，经过几十年的研究，目前对风扇离散噪声产生的机理有了相当深入的了解，尤其是近20年来，在风扇离散噪声预测技术和控制技术方面取得了很大的进展，使得当代高性能风扇离散噪声及其前传噪声水平有了大幅度的降低。相比之下在风扇宽频噪声的预测技术以及风扇后传噪声的控制上还有相当大的挖掘潜力。随着对风扇噪声设计水平要求的不断提高，国际上已将噪声应用基础研究的重点放在了结合先进的CFD技术，发展能够更准确的预测离散噪声(Tone Noise)和宽频噪声(broadband Noise)产生与传播的各种先进数值模拟技术上。事实上，噪声的可靠分析和预测强烈地依赖于CFD计算结果的可靠性。鉴于风扇/压气机内部的流动十分复杂，而且在未来相当长时间里也难以发展出普适的湍流模式。另外，目前湍流转捩模型的研究也很不成熟，因此很难准确模拟出叶轮机械中的许多复杂的流动现象，所以如何快速预测出噪声声场一直是计算声学领域努力的方向。目前国际上重点围绕以下4个方面展开研究工作[18]
1)评估当前CFD技术对各种离散噪声源的预测能力，研究将预测的宽频噪声源加入到CFD技术中的可行性；
2)发展CFD技术与声传播和辐射计算的接口技术，以及从声源到远场的全声场预测技术；
3)利用试验测量结果校验与完善上述模型和技术；
4)发展低噪声风扇设计的新概念、新方法和新设计技术。
2.2污染物控制的基本原理以及几种低污染燃烧技术
在燃烧理论中[19-22]，常规燃烧室多采用富油燃烧模式并且以扩散燃烧为主，燃烧组织常沿着一条温度逐渐升高而后再下降的方式运行，这样便会导致主燃区高温燃烧区域大、停留时间长，NOx排放量大而且出口前NOx的消减反应很慢，因此常规燃烧室不容易满足低NOx的排放要求。在航空发动机燃烧室中，温度是决定NOx排放的首要因素。通常，在理想的平衡系统中，高温燃烧NOx生成量最大，在贫油和富油燃烧时都会减少，而且NOx峰值都会处在化学恰当比偏贫一侧。上述这些特点就为航空发动机低排放燃烧室的研制提供了最基本的理论依据。
目前已研发出3种低污染燃烧技术，即富油-焠熄-贫油燃烧(RQL)[23]。贫油预混预蒸发燃烧(LPP)[24]以及贫油直接喷射燃烧(LDI)[25-26]。尽管上述这些低污染的燃烧技术，有些已经用于型号的研发、实验取证，并且已经表明这些低污染燃烧技术在降低NOx排放方面具有巨大的潜力，但这些技术也面临着诸多新挑战：这是由于航空发动机燃烧室中，复杂的雾化、混合、反应等物理与化学过程对污染物的生成影响极大，因此就必须深入了解与掌握发动机在典型工况下燃油燃烧和污染物生成的机理，而后依据基本污染控制原理采用不同的低排放燃烧策略。同时，未来的低排放燃烧室还面临着自燃、回火、燃烧不稳定性和喷嘴结焦等诸多的挑战，这就需要利用燃烧数值模拟和光学诊断等先进工具，对其喷雾、混合、流动、燃烧以及它们之间的相互作用，开展定常与非定常相结合的理论分析、数值计算与试验研究，以推动低排放燃烧室设计技术的进一步发展与完善。
2.3民用涡扇发动机设计的某些关键技术
20世纪60年代以来，涡扇发动机逐渐代替了涡喷发动机，成为民用飞机的主要动力装置。经过50 a的发展，涡扇发动机的性能、经济性、安全性、可靠性、可维护性以及噪声和污染物排放等指标都有了显著的改进。如今，现代民航客机几乎没有例外地全都采用高涵道比的涡扇发动机。为了提升涡扇发动机的性能，早在20世纪80年代末，美国就投巨资实施“综合高性能涡轮发动机技术”即IHPTET计划[27]。在这个计划中，研究了大量的新技术并综合应用气动热力学、材料、结构设计以及控制方面的创新成果去实现2005年发动机推重比增加100%～120%，耗油率下降15%～30%，生产和维修成本降低35%～60%的目标。在IHPTET计划尚未结束时，2003年美国又开始实施“先进可承受通用涡轮发动机”即VAATE计划[28]，旨在通过核心机的基础上发展与研制更高性能、更耐久性和更低费用的军用与民用航空发动机。另外，1999年底，NASA还围绕大涵道比涡扇发动机实施了一项为期5年的“超高效发动机技术”即UEET计划[29]，NASA实施UEET计划的目的是研究降低发动机的噪声、排气污染以及提高发动机经济性的新技术。UEET计划的目标是：与GE90发动机相比，超高效发动机的耗油率要降低10%，噪声降低10 dB，NOx排放量降低20%，使用费用降低50%.为了实现这个目标，UEET计划采用了NASA基础研究计划中已经获得的许多研究成果。除此之外，其他各大航空发动机公司也组织了相应的研究计划。大涵道比涡扇发动机经历了50多年的发展，其中GEnx和Trent 900发动机代表了当代涡扇发动机的最高水平。以下分5个方面讨论大涵道比涡扇发动机气动设计的某些关键技术。
2.3.1风扇/压气机设计技术
大涵道比涡扇发动机的风扇/压气机设计的要求是：减少级数、提高级的增压比、提高气动效率、降低噪声，同时还要保证有宽广的稳定工作范围。值得注意的是，在民用涡扇发动机的设计过程中，为追求低耗油率指标，导致涵道比越来越大，所以风扇直径也就越来越大。同时，为满足国际民航适航条例的要求，风扇叶尖切线速度受到限制以便降低风扇的气动噪声(因转子噪声近似与叶尖速度的4次方成正比)。
在进行风扇/压气机的设计中，一方面三维数值计算得到了广泛的应用，另一方面新的设计概念和设计思想(例如大小叶片技术、对转叶轮设计技术等)也得到了应用。采用小展弦比叶片的好处在于使弦长雷诺数更大、叶片表面和端壁的增压梯度减小，端壁边界层增长率更小、径向间隙与弦长之比以及轴向间隙与弦长之比更低、子午面内激波更斜等，因此上述这些因素都有利于风扇/压气机效率的提高和抗失速能力的增强[30]。另外，采用小展弦比叶片可以减少叶片的数目，从而减少零件数、减轻重量和降低了成本。采用叶片弯掠造型的好处是：使叶栅通道内部的三维负荷分布发生变化，其目的在于调整二次流、泄漏流以及叶片表面边界层的演化以便达到对通道内流动的控制。此外，叶片在子午面沿高度和轴向进行适当的掠，还可以有效地降低法向马赫数，降低流入马赫数条件下的激波强度，降低与激波相关的流动损失。事实上，20世纪90年代英国R&R公司曾利用三维气动力学分析软件设计了一个直径为2.79 m的掠形叶片风扇。该叶片前缘呈短弯刀形，使进入发动机的气流沿叶片展向平稳地减速，这就可以克服或减弱了突然减速造成激波损失的现象、提高了叶片效率。与不掠风扇相比，掠后使风扇通过的空气流量增高了10%，叶片进口马赫数降低了10%，巡航效率也有所提高。
2.3.2涡轮设计技术
现代大涵道比涡扇发动机涡轮部件的进口温度越来越高，涡轮负荷越来越大、质量越来越轻、效率越来越高。首先高负荷高效率的涡轮设计依赖于全三维气动设计技术，事实上美国UEET计划的目标就是利用全三维设计计算来设计单级压比为5.5的高压涡轮。另外，对转涡轮技术也始终贯穿于美国的IHPTET计划与VAATE计划之中。此外，在UEET计划中，对转涡轮也被列为涡轮部件的关键技术。这里应该指出的是，尾迹与边界层相互作用引起的calming效应在低压涡轮的设计(例如Trent 500系列发动机)中已得到成功的应用。事实上，涡轮的高效冷却技术一直是高温涡轮设计时最为关注的问题，GE公司开发了涡轮内部增强冷却的先进冷却技术，R&R公司研制了传热性能良好的壁面冷却温控系统并且已经用在Trent 800发动机的高压涡轮叶片上[31]。
在发动机设计中，叶尖间隙问题一直是关注的焦点，尤其是高温部件。飞机在起飞过程中，由于叶片和机匣热膨胀系数的不同，叶尖间隙会先减小到一个最低点，然后再增大。在飞机处于巡航状态时，叶尖间隙过大对发动机性能损失较大。文献[32]的研究表明：高压涡轮的间隙每减小0.25 mm，则耗油率就下降1%，同时污染物排放也会减少。另外，间隙减小0.25 mm，就可以使排气温度(EGT)减小10 ℃，因此减小叶尖间隙可以使热端部件的寿命增加、耗油率降低，显然减小叶尖间隙恰是民用大涵道比涡扇发动机追求的目标。为此，文献[33]研制出第一代机械动作器去主动控制间隙的大小，实验结果表明：此机械式主动间隙控制系统最大的位移可达2.032 mm.毫无疑问，这个移动距离已经满足了发动机间隙控制的要求。
2.3.3噪声控制和几种降噪技术
现代民用涡扇发动机的噪声，可以通过选择适当的发动机循环参数以及先进的部件降噪设计技术来实现。随着发动机推力的不断提高和耗油率不断降低，民用涡扇发动机的涵道比越来越大。为了不使叶尖切线速度过大而产生很大的噪声，就必须要降低风扇的转速。但风扇与低压压气机系统相连，降低风扇的转速就与保持低压压气机的效率相矛盾。解决上述矛盾的一个有效办法是在风扇与低压压气机之间引入一个减速齿轮箱，这样既可以根据风扇的压比来选择风扇的最低转速，又可以使低压系统的转速按要求选择的尽量高。文献[34]介绍了P&W公司对涵道比为12，通过一个减速比为3.7的齿轮箱由低压轴来驱动的实例。该装置在NASA的实验表明：该发动机可以实现降低噪声6EPNdB的预期目标。
另外，通过转子叶片尾缘吹气也可以实现降低干涉噪声的目的。其实，在20世纪90年代末期，MIT曾进行这方面的尾缘吹气试验，试验结果显示：在谐波基础上，尾缘吹气可以使尾迹前四阶的谐波振幅减小一半以上。
2.3.4发展更低排放的燃烧室技术
美国GE公司在NASA的ERP(Environmentally Responsible Aviation)项目中，为了满足N+2计划的减排目标，在双环预混旋流器燃烧室(TAPS)基础上继续增加头部预混的空气量，并着力解决操作性和耐久性问题。另外，英国R&R公司ANTLE燃烧室在发动机整个工作范围内采用了三级供油以实现贫油低排放燃烧控制策略。很显然，所有上述这些技术一旦突破，都将给未来更低排放的燃烧室的研发带来极大的受益。
2.3.5开展多学科耦合与优化设计
现代先进的大涵道比涡扇发动机的进口温度有的已超过2 100 K，这样的高温已经远远超过许多金属所能够承受的温度，因此采取什么样的措施可以使涡轮热端部件能承受这样高的热负荷便是设计人员最为关注的课题。为了有效的预测涡轮热端部件的温度，国内外学者一直非常关注流/热耦合的数值方法[35-36]。由于现代高效的涡轮冷却系统极其复杂，叶片内部冷却通道曲折、气膜冷却孔数成百上千，这使得数值计算时网格生成遇到极大困难。在这种情况下，计算多采用非结构网格。
在叶轮机械中，叶排尾迹引起的强迫作用有着明显的特征。在压气机中，尾迹引起的气流绝对速度方向和横向分速度的脉动幅度最大。而在涡轮中，尾迹引起的气流绝对速度和流向分速的脉动幅度最大[37]。上游叶片的尾迹或位势作用会影响气流的流向与切向速度的扰动，这种扰动经过下游叶排会引起攻角的周期性变化。另外，脉动的攻角又会导致脉动的升力和扭矩的变化。如果这种非定常力的频率等于叶片的固有频率，则可导致严重的叶片振动，甚至引起叶片断裂。除了转/静叶片排相互作用引起非定常力之外，流体粘性以及转子的高速旋转使得叶轮机内广泛存在着失速以及激波等非定常流动现象。当失速团的脱落频率以及激波的抖动频率等于叶片固有频率时会引发颤振，严重时颤振可导致机毁人亡。因此在叶轮机械的研制中，强迫共振和颤振应当尽量去避免。对于复杂的压气机压缩系统，在设计时要考虑一系列的流固耦合问题，其中包括颤振裕度、频率安排以及共振与失速时过应力能力等问题。但十分遗憾的是，当今在叶片的气固耦合设计系统中，这些工作目前主要是依赖于设计者的经验。对于叶轮机械中多学科的优化设计问题，仍是今后迫切需要去发展的重要方向[38-39]。
3 结 论
大涵道比涡扇发动机以其高循环参数、低油耗率、低污染、低噪声、高可靠性以及长寿命为显著特征，它代表了一个国家民用航空发动机技术的最高水平，也是一个国家科技水平和创新能力的重要标志。航空涡扇发动机是集气动、工程热力学、结构与强度、控制、测试、计算机、制造技术、材料科学等多种学科为一体的当代最复杂的动力装置。我们相信：随着基础学科的创新与先进技术的不断突破，涡扇发动机的性能会得到不断地提升。总之，发展一种更低排放、更低噪音、环境友好、发动机维修更加智能化的大推力，低耗油率、长寿命的民用涡扇发动机是十分必要的。它既需要科研人员脚踏实地的不懈努力，更需要统一规划、精细组织、协同奋战，这是一项复杂的系统工程，钱学森系统工程的思想很值得借鉴。
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Legal and aerodynamic issues related to turbofan engines designed for civil aviation
WANG Bao-guo1，WANG Wei2，HUANG Wei-guang3，XU Yan-ji3，TAN Chun-qing4
(1.SchoolofAerospaceEngineering，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081,China；2.CRCCChina-AfricaLekkiInvestmentLtd.，Beijing100855，China；3.ShanghaiAdvancedResearchInstitute，ChinaAcademyofSciences，Shanghai201203,China；4.InstituteofEngineeringThermophysics，ChinaAcademyofSciences，Beijing100190,China)
The fundamental goal of the development of modern civil aviation is to achieve low pollution，low noise，low fuel consumption and high power.Reducing levels of pollution and noise has become worldwide consensus under the guidance of stringent international standards as well as national laws and regulations.Low fuel consumption and high power are closely linked with aviation’s economic impact.To achieve these goals and objectives，aviation designers and legal practitioners around the world have made great contribution in this field.This paper，from the perspective of aerodynamic design，aims to explore crucial technical issues involved in low pollution combustion and low noise exhaust nozzle，suggesting measures that can be used to guide the design of such engines.Furthermore，we discusses social mechanisms and sources of law relating to pollutant and noise engine emissions.Reviewing a series of international legal documents on protection of the Earth’s atmosphere and outer space，the paper concludes：the protection of the atmosphere，whether in the field of aviation or space science，should be the primary factor to be considered for engine chamber and spacecraft combustion designer，pointing to the inescapable social responsibility.
high bypass ratio;large commercial airplane;design of turbofan;laws and regulations
10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0517
1672-9315(2016)05-0709-10
2016-03-15责任编辑：刘洁
王保国(1947-)，男，山东临清人，教授，博士生导师，E-mail：bguowang@163.com
V231.3
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