国外航空发动机空气动力学研究概况

刘晓波，孙宗祥，钟萍，陈丽艳

国外航空发动机空气动力学研究概况

刘晓波，孙宗祥，钟萍，陈丽艳

(中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳621000)

在航空发动机研制过程中，会遇到一系列空气动力学问题，尤其是压气机、燃烧室、涡轮等重要部件的研究，需掌握复杂的空气动力学流动机理与物理现象。对此，国外进行了大量研究。本文综述了国外主要航空大国在航空发动机空气动力学研究方面的基本情况，主要包括研究机构设置、主要研究工作及重要研究设备。最后，结合国内的研究现状，为我国开展航空发动机空气动力学研究提出几点建议。

航空发动机；空气动力学；压气机；燃烧室；涡轮；试验设备

1 引言

航空发动机技术包含诸多关键技术，而空气动力学是其中一项十分重要的内容，涉及核心机(压气机、燃烧室、涡轮)内部的气流流动，还需考虑内、外流耦合及涡轮叶片内部气流特性问题[1]。美国、英国、俄罗斯、法国、德国是国外研究航空发动机的主要国家，在航空发动机研制过程中均成立了专门的空气动力学研究机构，建设了许多重要地面试验设备，对航空发动机遇到的关键空气动力学问题进行了技术攻关，并获得了大量研究成果。目前，国外关于航空发动机空气动力学研究的重点，是一种自适应发动机技术(通过增加第三气流提高核心机推力，降低燃油消耗)。美国的自适应通用发动机技术项目(ADVENT)及其后继自适应发动机技术发展项目(AETD)，都以此为研究重点。本文从上述部分国家进行航空发动机空气动力学研究的机构设置、具体研究工作及研究设备等方面进行了阐述，希望为解决国内航空发动机的重大空气动力学问题攻关提供参考；此外，结合国内研究现状，为我国开展航空发动机空气动力学研究提出几点建议。

2 美国

2.1机构设置

美国进行航空发动机空气动力学研究的主要机构有：航空航天局(NASA)下属的格林研究中心、空军下属的阿诺德工程发展中心(AEDC)和空军研究实验室(AFRL)。格林研究中心主要负责发动机主要部件(包括压气机、燃烧室、涡轮)的研究与试验[2]，进行流动物理方面的基础研究，拥有多个专门从事发动机部件研究的实验室，如航空声学推进实验室等。AEDC主要进行航空发动机一体化试验与评估，其开展推进试验研究已有50余年。AFRL技术部中设专门研究推进技术的部门，是航空发动机三大部件空气动力学研究的总管机构。

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发动机空气动力学方面的研究，基本上都与NASA提出的各项航空推进研究计划紧密相关，如超高效发动机技术(UEET)计划、高效发动机与发动机部件改进计划、先进亚声速技术与通用航空计划等，具体体现在三个方面[3]：

(1)压气机技术。近年来，其压气机研究主要在UEET计划的资助下展开，主要从主动和被动控制方面进行设计与验证，以增强稳定性，提高失速裕度。开发的性能预测程序复杂三维压气机叶型，能很好地设计和优化。如采用后掠叶片降低冲击损失，使用弓形静子降低端壁损失，采用特定叶片根部预防流动分离等。

(2)燃烧室技术。近年来，格林研究中心在提高现代燃烧室耐久性和稳定性的同时，继续开展降低氮氧化物排放的研究，开发了一种双环形燃烧室，并引入数字发动机控制概念，使氮氧化物降低了35%～40%；另外，通过引入双环预混涡流器和贫油直射式喷嘴，使氮氧化物降低50%～70%。燃烧室结构方面，开发了耐久性高温燃烧室火焰筒，并为高能量密度的浆形燃料研制了陶瓷火焰筒(目前可承受1 589～1 755 K的高温)、分段式翅壁型火焰筒和匍匐式火焰筒。数值计算方面，在1998年开发了国家燃烧室计算程序(NCC)。当与叶轮机性能预测程序(APNASA)一起使用时，NCC可实现对整个发动机的性能预测。

(3)涡轮技术。目前，格林研究中心正开展无冷却和有冷却的低压涡轮研究。主要包括涡轮叶尖间隙控制、利用吹吸气进行涡轮流动控制、涡轮工作状况监测研究、涡轮封严研究等。

2.2.2AEDC

AEDC是推进试验先驱，其试验舱能提供重要的试验与评估服务，支持美国国防部、工业部门和国际计划。主要客户是美国空军，近年也为日本、德国等提供商业试验。

AEDC的航空推进试验舱，可进行发动机性能、操作性能、航空力学、结冰、侵蚀、进气道压力畸变、进气道温度畸变、加速任务、发动机进气道动力学、任务模拟和发动机部件等方面试验。拥有多座发动机试验舱，无论试验部件是小型巡航导弹发动机，还是航空工业所用的大型涡扇发动机，都能满足客户需求。AEDC在航空发动机空气动力学方面的研究，采取与航空航天工业公司联盟的方式进行。如与P&W公司、GE公司的喷气发动机试验合作，与波音公司和空军装备司令部共同进行的波音公司下一代亚、超声速运输机的发动机研发试验等。

2.2.3AFRL

AFRL中的推进技术研究可分为航空推进和航天推进两大类。从事航空推进的是涡轮发动机研究部门，主要对涡轮推进技术的发展进行规划与预测，并进行大量基础研究，同时对所设计的发动机进行技术评估。AFRL对航空发动机空气动力学的研究主要包括：发动机整体性能评估、燃烧试验研究、实验方法研究、风扇和压气机研究、机械系统研究、推进系统研究、结构设计及涡轮研究。

2.3研究设备

格林研究中心进行航空发动机空气动力学研究的设备，包括发动机部件和发动机整机试验设备两大类[4]。其中，发动机部件试验设备集中在航空声学推进实验室、发动机研究试验大楼、先进亚声速燃烧试验台和发动机部件研究实验室1B试验舱。发动机整机试验设备集中在发动机部件研究实验室2B试验舱和推进系统试验室。每个实验室都有用于不同发动机部件试验的多个试验台。

AEDC的717试验室专门从事航空推进系统试验，目前有9座设备[5]运行。其中，C-1和C-2试验舱构成航空推进系统试验设备，可模拟真实任务环境，是大型军用和商用发动机试验的国家唯一资产。这也使得AEDC成为美国空军在涡轮发动机试验领域的专业中心。J-1和J-2试验舱是开展中等尺寸和大型涡轮发动机试验的高空模拟试验设备，其能力与C-1和C-2设备相当，只是尺寸更小。SL-2和SL-3是海平面试验舱，无进气道和排气装置，大大降低了设备装置的运行成本，可经济开展大型加力涡轮发动机接近海平面条件(300 m高度)的试验。T-3、T-4和T-11高空试验舱是多用途多变化混合试验舱，开展小型和中等尺寸涡轮发动机试验。

AFRL有多座进行航空发动机空气动力学研究的试验设备，包括部件空气研究设备、旋转部件试验设备、压气机研究设备、高压燃烧室研究设备、涡轮发动机疲劳设备、发动机环境研究设备等。

3 俄罗斯

3.1机构设置

俄罗斯中央航空发动机研究院(CIAM)成立于1930年，是俄罗斯最大的航空研究机构，也是欧洲最大的航空发动机试验中心，能在接近真实飞行条件下对航空发动机及其部件、系统和构件进行试验研究。CIAM进行航空发动机空气动力学研究的技术力量，主要集中在其研究试验中心(CIAM RTC)。CIAM RTC是俄罗斯唯一及欧洲最大的能进行全尺寸吸气式发动机高空、速度及特种试验的中心，地位相当于美国的AEDC和格林研究中心。

作为俄罗斯航空发动机研究的牵头单位，CIAM与美国、英国、法国、德国、中国、印度、加拿大等国的著名航空发动机公司及研究机构均有合作。

3.2研究工作

CIAM几乎涉及所有与航空发动机相关的研究领域，从基础物理过程到新型航空发动机的设计、研制、改造与鉴定，对发动机使用过程中的可靠性和故障提供技术支撑。主要科研活动包括：气动、燃料、传热、结构强度分析和发动机控制理论方面的基础研究；喷气发动机理论和先进发动机性能优化研究；发动机部件与组件和燃气发生器系统的应用研究；对发动机制造设计局正在进行的研究项目给予科学理论保障；为实验发动机及其系统和零部件进行试验；探索改进航空发动机，并解决环保问题；负责确定航空发动机预研型号及其研制项目，制定相应的技术条件等。CIAM RTC主要进行以下工作：①动力设施配套建设，确保提供模拟飞行条件；②试验设备建设，使其能进行推力高达245 kN的航空发动机特种试验；③航空发动机及其部件的强度研究。

此外，CIAM还具备高性能数值模拟能力，可对发动机内部流动的物理过程(定常与非定常的气体动力学现象、燃烧、传热等)、发动机部件及整机结构的耐久性进行模拟。

3.3研究设备

CIAM进行航空发动机空气动力学研究的主要设施包括：喷气发动机高空试车台、发动机小型试车台、可模拟不同气候的气候试车台、实验飞机起降研究的开口式风洞、研究压气机气动特性和强度的压气机试验台等。总体上，俄罗斯研究航空发动机设备与法国、英国的相当，但未达到美国的水准。

4 法国

4.1机构设置

法国进行航空发动机空气动力学研究的部门，主要集中在航空航天研究中心(ONERA)总体技术部下的应用空气动力学研究室(DAAP)。在应用空气动力学研究室，有一个专门研究叶轮机部件的团队，主要任务是对压气机和涡轮等部件的气动性能进行计算与预测。

4.2研究工作

近年来，ONERA主要通过地面试验台和数值计算方法进行航空发动机压气机、涡轮的气动性能预测与计算，分析发动机部件上的气流流动情况，了解不同气动现象。研究的主要内容包括：数值优化计算、风扇研究、非定常流研究、气动不稳定性研究、航空热力学研究、航空声学研究、微型涡轮研究、轴流式机械研究及离心式机械研究等。

数值计算方面，ONERA自行开发了一套软件(Cedre)，利用其可对单个转子结构(定常)和级间结构(非定常)进行三维、准三维计算。目前，ONERA的新型超级计算机已能对一种带多点喷射的燃烧室进行数值模拟，包括模拟燃烧气体及煤烟的排放与吸收、预测激波现象和大飞机声学传播现象等。

4.3研究设备

法国从事航空发动机空气动力学研究的设备主要位于ONERA的莫当中心[6]，包括S4B、BD2、R4和TURMA等4座设备。另外，还有3座具有代表性的吸气式推进(涡轮)高空试验台，分别是CEPr/R5、CEPr/R3和CEPr/R4。

TURMA[7]于1996年投资兴建，2008年正式交付使用，并完成了高压涡轮(包括静子与转子)的首次气动试验，使ONERA研究航空发动机空气动力学的能力得到较大提升。TURMA主要用来研究两级同转或反转涡轮的叶轮上空气动力学的流动问题。试验模型包括涡轮本身所有的固定部件(如静子、中间管道等)和转动部件(如转子)，连接涡轮上下游部件的其它附件(如界面管道)。可对单独的高压静子、整个高压涡轮(高压静子+高压转子，顺转或逆转)、整个高压涡轮+涡轮导向叶片(NGV)、整个高压涡轮+/-低压NGV+低压转子(顺转或逆转)等涡轮结构进行试验，每种涡轮的旋转方向和旋转速度完全独立控制。TURMA可称为微温试验台，使用全尺寸静子和转子，利用现有的测试技术能精确测定转子的力学性能，并准确分析转子、静子等部件上非常复杂的气动现象。

5 德国

5.1机构设置

德国进行航空发动机空气动力学研究的机构，主要为航空航天研究中心(DLR)下属的推进技术研究所。该研究所在柏林与哥廷根另设有两个分部，柏林分部的研究内容不详，哥廷根分部主要从事应用型航空学研究。该研究所下设8个研究室，分别为燃烧室研究室、燃烧试验研究室、风扇与压气机研究室、数值方法研究室、发动机研究室、发动机声学研究室、发动机测量技术研究室和涡轮研究室。

5.2研究工作

德国在航空发动机方面的研究侧重于基础研究。如压气机、涡轮等叶片上气流的流动情况研究，燃烧室空气动力学场诊断技术研究等[8]。总体看，DLR推进技术研究所主要从事叶轮机、燃烧室和发动机整机三方面研究。在叶轮机方面研究的主要目标，是验证桨扇技术、提高推重比和单位功率、改进空气动力学冷却理念、完善三维非定常计算方法等。在燃烧方面研究的重要目标，是研发和试验新概念燃烧室，在稳定无烟燃烧过程中降低氮氧化物生成。发动机整机的研究主要是考虑集成问题，如压气机、燃烧室和涡轮间的耦合匹配问题。此外，还进行发动机主动噪声控制与降低方法研究、尾气排放研究、点火安全性研究等。

在航空发动机数值模拟方面，DLR推进技术研究所专门为计算和研究叶轮机空气动力学流动开发的一套数值模拟软件TRACE。经过近十年的开发和验证，此软件已逐渐完善。已成为DLR计算空气动力学的标准方法，经常用来自动优化压气机的叶片，而且还可对航空发动机燃烧室的燃烧过程进行数值模拟。这套软件在许多大学里面也有成功应用，如对复杂的非定常叶轮机流动进行科学分析；在工业部门也得到了应用，如开发和优化发动机部件。

5.3研究设备

DLR推进技术研究所有23座不同类型的设备，如大气部段燃烧室(ASC)、单头部燃烧室(SSC)、高压燃烧试验台(HBK1、HBK2、HBK3、HBK4)、多级双转轴压气机试验设备(M2VP)、低速叶栅风洞(NGG)、离心式压气机设备、探头校准设备(SEG)、亚声速叶栅风洞、声学试验段等。这些设备对航空发动机空气动力学研究起到了十分重要的作用。

6 建议

航空发动机空气动力学研究十分复杂，涉及旋转空气动力学、气体热力学、结构与材料学、传热学、制造工艺学等几乎全部学科，要成功研制出高性能航空发动机，必须攻克其空气动力学问题。结合国内航空发动机空气动力学研究现状，提出几点建议：

(1)开展空气动力学研究，可从叶栅的叶型、压力分布、结构材料选取；转子转动对静子的影响，多级压气机级间气流的影响等开始。基于中国空气动力研究与发展中心现有的试验条件和数值模拟能力，及在外流空气动力学研究方面积累的丰富经验，可部分开展航空发动机的空气动力学研究，特别是开展航空发动机的内外流耦合研究、空气动力学测量研究、燃烧室研究、利用前期开展超燃冲压发动机内流场计算获取的宝贵经验，开展航空发动机内流场的计算研究。

(2)借鉴国外组织管理模式，重点开展基础和应用研究。目前，国内航空发动机产业大致可分为院校、研究所和工厂三大部分。院校控制技术成熟度的前三级，主要侧重于理论和方法研究，包括气动方面的问题。研究所控制技术成熟度的四至六级，主要进行设计、试飞与运行，侧重于结构方面的问题。而工厂控制技术成熟度七至九级，侧重于生产与维修等方面的问题。因而中国空气动力研究与发展中心可在院校和研究所之间找到切入点，进行技术成熟度一至六级之间的研究。在管理模式和研究内容上，可借鉴格林研究中心、AFRL和DLR推进技术研究所的模式，开展基础和应用研究。

(3)CFD技术可作为中国空气动力研究与发展中心切入航空发动机空气动力学研究的切入点和突破口。目前，国内外已开发了一些数值模拟软件(CFD技术)用于航空发动机空气动力学研究，而且有些已经商用，尤其是国外。不过，从应用情况来看，其可靠性还有待进一步完善。模拟不准确是因为未考虑空气动力学中气流旋转问题，进行航空发动机空气动力学研究还是要以试验为主。在试车台或试验车测得其真实数据，CFD数据主要起部分校准和验证的作用。但随着CFD技术的快速发展，其在航空发动机空气动力学研究方面的作用将越来越重要。

(4)试验设备在航空发动机空气动力学研究上起十分重要的作用，需要建设一些零部件试验台，(如亚、跨、超声速的叶栅风洞，风扇噪声试验台，高压与低压燃烧室试验台，多级压气机试验台，高压与低压涡轮试验台)和研究压气机、燃烧室、涡轮耦合与匹配问题的整机试验台。

(5)结合基础研究与应用研究，搞出有显示度的成果。航空发动机在国内尚未取得重大进展的原因，在于空气动力学研究没有突破，需要大量技术储备。因此，目前中国空气动力研究与发展中心应遵循科学规律，认真梳理关键技术，找准突破口和切入点，由小到大地把航空发动机空气动力学问题的应用研究与基础研究结合起来。

[1]刘大响.航空发动机技术的发展与建议[J].中国工程科学，2000，(6)：76—82.

[2]邓明.航空燃气涡轮发动机原理与构造[M].北京：国防工业出版社，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

刘晓波(1974-)，男，湖南隆回人，副研究员，主要从事空气动力学的情报研究。