現在也不是寒暑假期間,四人不可能心無旁騖的展開設計工作,通常只能白天收集資料,晚上去圖書館或者教室討論、計算、設計。
陳東風和楊輝的大涵道比發動機設計任務在經過1天的知識積累後,兩人開始了第一次的討論。
“東風,發動機推力要達到1400N左右,原先的核心機能否勝任?你的外涵道可以佔到總推力的多大比例?”楊輝的這個問題是基於Mini2000核心機設計的關鍵。
對於大涵道比渦扇發動機而言,外涵推力在總推力中起主要作用。外涵道推力計算的準確與否,對於該型發動機性能計算來講,有着重要的影響。而外涵道推力系數是否準確,直接影響着外涵道推力的計算。
“現在的民用航發外涵道推力佔總推力的60%-75%,當然涵道比都是大於4的,而且這些發動機的壓氣比很大,遠大於我們現在覈心機的5,一般都是大於20的,有九級軸流壓氣機。如果我們不改進核心機的話,燃油效率雖然會提高1倍左右但是不能滿足長時間的巡航的。美國10年前通用的大涵道比軍用航發TF39-GE-1A可以達到8,普惠的民用大涵道比航發JT9D-3爲5.4。涵道比的制約很大程度上來自於風扇的重量。如果使用空心風扇的話是有機會達到6左右的。”
“那就是要增加壓氣機的級數了?離心壓氣機的效率可不高啊。”
“一般一級離心式壓氣機的效率在60%-70%之間,2級可以達到9左右,但是效率降低後,可能飛龍的速度會進一步下降,巡航速度可能達到200KM/h左右就已經很好了。除此以外,由於核心機的也需要做一些微調,如燃燒室的體積等。”陳東風把他粗略計算過的數據告訴楊輝。
“東風,飛龍的大涵道比渦扇發動機的動力大部分是來自於內涵道高溫高度氣體使外涵道低溫低速氣體膨脹產生的,可以知道外涵道進氣量的大小是非常重要的,可見涵道大小的重要性,只有最合適的大小才能發揮出發動機的最佳性能。我們需要進行大量的計算得出最佳的涵道面積比,得出最佳的進氣口形狀,得出風扇葉片的形狀,而且這需要大量的試驗數據來驗證。”
“由於核心機的壓氣機有改變,所以基本上要全部重新來一遍了。還是我來負責核心機,你來負責風扇等其他子系統?”陳東風提議。
“那就這麼定了,風扇的設計需要配合你的核心機基本參數如出口溫度、壓力和推力等,其他的子系統基本和以前差別不大,也是要核心機出來後再微調。所以我前期想先跟着你學習核心機的理論計算方法,幫你做一些計算工作。”
“那,最好不過了,就這麼說定了。”陳東風肯定了他的想法。
陳東風還是決定從建立對象的熱力學數學模型開始,再結合計算流體力學等對發動機進行優化設計和性能評估。這樣不僅可以有效減少發動機的試驗費用,避免實際的試驗風險,還可以縮短研製週期,降低開發成本。同時,發動機數學模型的應用極爲廣泛,它是控制、故障診斷、發動機性能分析、發動機控制系統設計的基礎。
陳東風的核心機的數學模型方法選擇的是部件級數學模型方法。部件級數學模型沿發動機氣路流程建立發動機各個部件的氣動熱力學模型,通過求解部件間平衡方程的形式,使得各部件匹配工作。
根據大涵道比發動機的特點,研究大涵道比渦扇發動機的一些關鍵建模技術,其中包括:風扇內外涵道分開建模、內外涵道分開排氣、增壓級部件導葉角建模、外涵通道的反推裝置建模等。
陳東風考慮到大涵道比發動機的內部構造極其複雜,作爲部件級數值仿真模型不可能反應發動機所有的部件特徵。作爲真實航空發動機而言,其內部氣體流動是三維的,涉及複雜的工程熱物理與流體力學知識。不同於他設計Mini2000核心機的情況,由於Mini2000壓氣比小並且只有單級壓氣機,而已內部的氣體動力學計算可以簡化爲二維流動,並且忽略複雜的燃燒與傳熱模型,不考慮雷諾數對特性圖的影響。
所謂雷諾數(Reynolds number)一種可用來表徵流體流動情況的無量綱數。Re=ρvd/μ,其中v、ρ、μ分別爲流體的流速、密度與黏性係數,d爲一特徵長度。例如流體流過圓形管道,則d爲管道的當量直徑。利用雷諾數可區分流體的流動是層流或湍流,也可用來確定物體在流體中流動所受到的阻力。
現在如果簡化內部氣體流動模型,那麼對於結構複雜的大涵道比發動機而言,會造成部件級數值仿真模型計算數據不準確。經過再三的考慮,陳東風還是決定採用三元流理論來進行設計。
說到三元流動理論就不得不提吳仲華老先生了,1970年在先進壓氣機國際會議上,與會科學家就把吳仲華創立的“葉輪機械三元流動理論”更明確地定名爲“吳氏通用理論”,理論中的基本方程則稱爲“吳氏方程”。?
陳東風已經開始研究三元流動理論了,只是現在還比較生疏,他思來想去,爲了加快進度,還是邊設計邊深入學習三元流理論。
陳東風在和楊輝討論過後,覺得目前對三元流動理論的掌握還不足以讓他們開始進行理論建模。所以他們還是要先進行一段時間對三元流動理論的學習。
所謂三元流動,其含義是指在實際流動中,所有流動參數都是空間座標系上三個方向變量的函數。其通用理論的中心思想是將葉輪機械內部非常複雜、難以求解的三元(空間)流動,分解爲相交的兩族相對流面上比較簡單的二元(流片)流動,只使用這兩族流面就可以很容易地得到三元流場的近似解,同時使用這兩族流面進行迭代計算,可以得到三元流動的完整解。
三元流動是透平機械氣動熱力學的專門問題。最初是航空上爲了提高飛機性能,對壓縮機的設計不斷提出新的技術要求和性能指標,從而使壓縮機的第一級由亞音速過渡到超音速。流線的曲率和斜率對氣流參數的影響就特別突出,要設計樣的葉輪機械就必須突破“沿圓柱表面”流動的束縛,把流線的曲率和斜率考慮進去,同時還要考慮熵和功沿徑向的變化。因此,迫切需要建立新的流動模型,把二元流發展到三元流。按三元流動理論設計出既彎又扭的三元葉輪,才能適應氣流參數(如速度、壓力等)在葉道各個空間點的不同,並使其既能滿足大流量、高的級壓力比,又具有高的效率和較寬的變工況範圍。
好在陳東風他們的飛龍是不需要考慮超音速飛行的,這在讓他們可以不用考慮“沿圓柱表面”流動的束縛問題,這大大降低了他們的設計難度。