航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的性能方案設(shè)計(jì)

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的性能方案設(shè)計(jì)對(duì)于一款民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)來說，最重要的是什么？安全!省油!安！全！省！油！ 重要的話說三遍！正如有國外專家說的那樣：民用發(fā)動(dòng)機(jī)必須足夠安全、足夠省 油，否則就是白給航空公司，人家也不要?！罢赡改飺裥鲋改稀蹦敲创蠹艺f了，你就造個(gè)最安全、最省油的，很難嗎？我們先不涉及制造、 裝配，僅談一談?wù)麢C(jī)的性能設(shè)計(jì)問題。一款民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)要想和心目中的飛機(jī) 搭伙過日子，就得首先被航空公司挑中。與中國大媽挑女婿的標(biāo)準(zhǔn)類似，能被選 中的發(fā)動(dòng)機(jī)也要滿足以下幾點(diǎn)要求：力氣大（高推力）、吃得少（省油）、不要 動(dòng)不動(dòng)就撂挑子（安全性高），最好全年無休（可靠性高），有病不去醫(yī)院吃 個(gè)藥片就能好（維

2、修成本低），同時(shí)還要足夠沉穩(wěn)內(nèi)斂（低噪聲）、講究衛(wèi)生 （污染物排放少）。下面，就讓我們一起走近民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)，看看它是怎樣從 整機(jī)性能上勤修內(nèi)功征服丈母娘的吧。首先，幫助大發(fā)修煉的親友團(tuán)們，一定不能無的放矢。在相親之前，他們就 從各個(gè)渠道得到了大爺（適航當(dāng)局）大媽（航空公司或飛機(jī)制造商）更具體的要 求：可以現(xiàn)在沒有多大的事業(yè)，但應(yīng)該有能力（推力要求）吧，生活上不能太大 手大腳，要會(huì)過日子（耗油率要求）啊，還有，不能太矮也不能太高（尺寸要求）， 更不能是個(gè)大胖子吧（重量要求）。另外，身體一定要健康，一口氣上五樓不能 大喘氣（不喘振）。碰見個(gè)工作上生活上的溝溝坎坎，不能輕易喪失信心（惡劣 條件不熄

3、火）諸如此類。條件清楚了，大家趕緊記下來，名為“丈母娘擇婿 大全”，啊不，是“研制總要求”一一小伙子，玩命奮斗吧！“小”分子的“大”力量說到能力，到底大發(fā)為什么能這么猛啊。這里我們必須從氣體的狀態(tài)方程說 起，這個(gè)神奇的方程就是PV=RT （霍金長老說了，出現(xiàn)一個(gè)公式讀者就會(huì)下降 一半%_%）。喂喂，大家先別急著走，磨刀不誤砍柴功嘛。掌握了氣體狀態(tài) 方程這個(gè)大殺器，空氣分子們還不是被我們?nèi)我饽髨A搓扁，乖乖接受奴役。事情是這樣的，在我們周圍的空氣里面，住著無數(shù)調(diào)皮的空氣分子。根據(jù)脾氣秉 性的不同，又分為氮?dú)夥肿印⒀鯕夥肿?、水分子等各種類型。這些分子就像被 一桿子打散的桌球，時(shí)時(shí)刻刻處于不停的運(yùn)動(dòng)和

4、相互碰撞中。當(dāng)它們前進(jìn)的方向 上有東西擋路時(shí)，就狠狠地撞上去。遇上其它空氣分子還好，大不了大家都改個(gè) 方向繼續(xù)往前跑。若遇到列隊(duì)迎敵的固體分子們，那就是一個(gè)被立刻反射回來的 下場(chǎng)。當(dāng)然，此時(shí)銅墻鐵壁的固體分子也被狠狠地撞了一下腰。分子們個(gè)體太小，碰撞一下的力量當(dāng)然也是不值一提的。但架不住數(shù)量太多， 每時(shí)每刻都有數(shù)以億億億計(jì)的分子撞上來。所以宏觀來看，空氣中的任何物體都 會(huì)持續(xù)受到一個(gè)壓力的作用，即氣壓P?！斑?？我就算初中畢業(yè)也知道這個(gè)P 應(yīng)該叫壓強(qiáng)吧？！ ”沒錯(cuò)，說起這個(gè)名稱，那還真有個(gè)原因：發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各個(gè)部 件的表面積和各流道截面的面積一般是固定不變的，如果每次計(jì)算壓力都用壓 強(qiáng)乘以面積那也

5、太傻了，所以直接扔掉面積不管，壓力就是壓強(qiáng)了！ 顯然，這個(gè)壓力的大小與單位時(shí)間內(nèi)撞上來的分子個(gè)數(shù)成正比。同樣數(shù)量的空氣 分子被塞到大小不同的箱子中，它們對(duì)箱壁的壓力也會(huì)不同。箱子越大，分子們 越稀疏，撞到同一塊地方的分子就越少，壓力也就越小。具體說來就是，壓力P 與氣體體積V是成反比的。只要溫度不變，那么體積增加一倍時(shí)，壓力必然減 小一半，二者的乘積卻總也不變。同樣的，分子們?cè)交钴S，速度越大，撞擊的力度自然也越大?？墒?，空氣分子體 重有高有低，撞來撞去的速度也大不一樣，怎么就知道這一團(tuán)氣體就比那一團(tuán)活 躍呢？為此，科學(xué)家們使用了“平均動(dòng)能”這一術(shù)語。只要?dú)怏w分子的平均動(dòng)能 變大，我們就可以認(rèn)為

6、“平均來說”撞擊力更強(qiáng)了。壓力是大量微觀分子作用力 的宏觀表現(xiàn)，所以平均值完全夠用了，沒必要知道某個(gè)分子的具體情況（某分子： 你統(tǒng)計(jì)局的吧?。?。由于單個(gè)分子的質(zhì)量實(shí)在是太小了，導(dǎo)致平均動(dòng)能的數(shù)值也 很小，使用起來還是不那么方便。于是大家又發(fā)明了一個(gè)量來代表平均動(dòng)能，那 就是溫度T。簡單地說，溫度就是物體冷熱程度的表征。當(dāng)溫度升高時(shí)，分子們 的撞擊力越大，氣體壓力也就越大。有了壓力P、體積V、溫度T，氣體的狀態(tài)也就基本確定了（請(qǐng)對(duì)公式中的 R視而不見，那是個(gè)氣體常數(shù)）。設(shè)計(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能方案，也就是 千方百計(jì)利用這三個(gè)量之間的關(guān)系，誘使空氣分子們多干活、少吃飯。但在具體討論整體性能方案之前

7、，還有兩個(gè)最基本的問題需要解決：如何吸 氣、如何噴氣。對(duì)于吸氣，工程師們提出了一個(gè)很有效的解決方案：你空氣分子 不愿意主動(dòng)進(jìn)來，那就拉你一把。幫兇如下：風(fēng)扇這個(gè)誘拐空氣分子的幫兇，洞悉分子們喜歡大房子的特點(diǎn)，簡簡單單就 把人騙進(jìn)來了：少年，你想擁有自己的房子嗎？你想鴿子籠變行宮嗎？那就進(jìn)來 看看吧！通過風(fēng)扇的高速旋轉(zhuǎn)，大量的空氣被甩向后方，造成風(fēng)扇附近的空氣 分子越來越少一一空房無人入?。∮谑沁h(yuǎn)處的分子們紛紛前來改善住房條件（可 見萬物一理，房子是妥妥的剛需?。?，沒想到剛跑過來就被扔進(jìn)后面的黑工廠 當(dāng)牛做馬。就這樣，吸氣問題簡簡單單搞定。噴氣問題的解決有些麻煩。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)必須噴出高速氣體才能產(chǎn)

8、生推力，但這必 須依賴較高的壓比條件：內(nèi)部壓力與外界壓力的比值越大，噴氣的速度就越高。 然而，內(nèi)部壓力是不會(huì)憑空升高的，必須要有一個(gè)費(fèi)力壓縮的過程（請(qǐng)自行吹氣 體會(huì)一下）。為使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部壓力增大，必須使用壓氣機(jī)。在大蒲扇一樣的壓氣機(jī)葉片強(qiáng) 力扇動(dòng)下，空氣分子們被迫往后走。而壓氣機(jī)流道又被設(shè)計(jì)成前高后低的樣子， 葉片也一級(jí)比一級(jí)短，于是越往后走越擁擠，最終達(dá)到增壓的目的。其實(shí)從這一 角度來說，最前面的風(fēng)扇也是一個(gè)壓氣機(jī)。只不過從用途來說，風(fēng)扇的主業(yè)是把 空氣分子們“誘拐”進(jìn)來，主要的壓縮過程是由后面的增壓級(jí)和高壓壓氣機(jī)實(shí) 現(xiàn)的。循環(huán)參數(shù)的學(xué)問發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程是一個(gè)不停吸氣壓縮-燃燒膨脹-噴氣的循

9、環(huán)?？諝夥肿?們從大氣中來，又最終混入大氣，真是塵歸塵，土歸土，因果循環(huán)一至于此。也 因此這一點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)各部件、流道各截面的壓力、溫度、流量等參數(shù)就有了統(tǒng) 一的江湖字號(hào)“循環(huán)參數(shù)”一一航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體方案設(shè)計(jì)，就是從“循環(huán)參 數(shù)選取”這一極端重要又極端糾結(jié)的工程開始的。理想的航空發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)為上圖所示的布萊頓循環(huán)（請(qǐng)自行體會(huì)氣體狀態(tài)方程是怎 樣在圖中進(jìn)行表現(xiàn)的）。經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)推導(dǎo)，大家發(fā)現(xiàn)圖中黃色部分的面積恰 好等于發(fā)動(dòng)機(jī)所做的功，而它的來源就是“等壓加熱”階段燃油的燃燒。那么， 怎么才能讓發(fā)動(dòng)機(jī)做更多的功呢？顯然，我們可以加長四邊形的水平邊（高加熱 比方案）或者弧形邊（高增壓比方案）。然而，

10、加熱比和增壓比的增長程度總是 有限的，里面有各種各樣的限制：最典型的就是燃燒室的出口溫度限制，以保證 渦輪不會(huì)被熾熱的燃?xì)馑鶡龤?。各種限制的存在，說明選取合理的循環(huán)參數(shù)絕不是件易事。按照江湖上的 說法，循環(huán)參數(shù)選取就是給發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)部件，風(fēng)扇啦，燃燒室啦，渦輪啦， 分配不同的任務(wù)指標(biāo)，讓它們能夠相互配合，無縫銜接，以達(dá)到和諧工作之目 的。比方說，飛機(jī)要求發(fā)動(dòng)機(jī)在巡航飛行時(shí)輸出兩噸的推力，同時(shí)耗油量又必須 低于每小時(shí)一噸。怎么辦？湊吧！首先，算一算大概需要多少空氣流量才能讓推 力達(dá)到兩噸。其次，確定一個(gè)合理的涵道比，即空氣分子們進(jìn)入外涵流道和內(nèi)涵 流道數(shù)量的比值。由于內(nèi)涵噴管排出的空氣溫度很高，

11、所攜帶的大量熱量就被浪 費(fèi)掉了，因此在追求低耗油率的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，參與內(nèi)涵工作的空氣比例 越小越好。在這種背景下，一代代發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比就變得越來越大了。從最開始 的0.21（大多數(shù)人踏實(shí)工作）逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的10以上（一人工作，十人圍 觀）。當(dāng)然，涵道比不可能無限增加。任務(wù)總量固定的情況下，踏實(shí)干活的越少， 每個(gè)人的負(fù)擔(dān)也就越重。在增加涵道比的過程中，為保證內(nèi)涵氣流足夠猛，壓氣 機(jī)的增壓比、燃燒室的出口溫度以及渦輪的膨脹比都是要增加的，而這往往導(dǎo)致 發(fā)動(dòng)機(jī)的超溫、喘振等一系列不良行為。因此，在方案設(shè)計(jì)之初，就必須確定一 個(gè)合理的涵道比目標(biāo)。另一方面，壓氣機(jī)和渦輪自己也要吃飯啊。渦輪從高溫燃

12、氣那里得到的功率， 大概有十分之一立刻被貪污揮霍掉了，傳遞給壓氣機(jī)的只剩十分之九。壓氣機(jī)也 不甘示弱，繼續(xù)揮霍十分之一，剩下的才用來干活（壓縮空氣）。更氣人的是， 壓氣機(jī)和渦輪都是大貪污犯，其它部件也要跟著喝湯！進(jìn)氣道？拿走千分之三！ 燃燒室？拿走百分之五!發(fā)電機(jī)？ 一百千瓦夠不夠尾噴管？呵呵，你隨意吧， 反正也不剩什么了要是就這么搞下去，發(fā)動(dòng)機(jī)就成了油老虎，光吃飯不生產(chǎn)，那真是送人都沒 人要。為此，性能方案的設(shè)計(jì)師們進(jìn)行了充分的調(diào)查研究，看看每個(gè)部件的底線 到底是多少：風(fēng)扇，你拿百分之八行嗎？不行？非要十個(gè)點(diǎn)，好吧，國情如此， 記下來!高壓渦輪，你的要求是一一不低于九個(gè)點(diǎn)，還得進(jìn)口溫度不低于

13、一千七， Ok，寫上！該你了，燃燒室。根據(jù)這樣縝密的調(diào)查，就得到了設(shè)計(jì)各個(gè)部 件所需要注意的限制性條件和大概數(shù)值范圍：部件效率范圍、壓比范圍、溫度 上限等等，江湖黑話稱之為“循環(huán)參數(shù)邊界條件”。這些條件主要體現(xiàn)了各部 件各系統(tǒng)專業(yè)在目前或未來一段時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到的研制水平。知道了主要參數(shù)的大概范圍，可以進(jìn)行性能方案計(jì)算了吧？還是不行！因?yàn)?壓氣機(jī)、渦輪們雖然喜歡多貪多占，可貪占的比例從來就不是個(gè)固定值。工作負(fù) 荷大的時(shí)候（轉(zhuǎn)速高）可能少拿點(diǎn)（效率高），工作清閑下來了（轉(zhuǎn)速低）又多 揮霍一些（效率低）。要進(jìn)行整機(jī)級(jí)計(jì)算，必須知道它們所有工作狀態(tài)下的特性。 糟糕的是，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案才剛剛開始啟動(dòng)

14、設(shè)計(jì)??！壓氣機(jī)、渦輪之流影子 都沒一個(gè)，更別提部件設(shè)計(jì)完成才能得到的特性圖了。特性不明拿什么計(jì)算啊？！ 大家頓時(shí)陷入了雞生蛋蛋生雞的兩難境地。然而，我們聰明的設(shè)計(jì)師們是不會(huì)被 困難擊倒噠。俗話說沒有困難制造困難也要上，沒有特性圖那就拿別個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī) 的先用著！一般來說，別人的特性圖用起來總是不踏實(shí)的，那上面一圈圈一條條的線， 你都不知道它們代表了幾十年前的技術(shù)水平啊。為此，我們還需要先“?！?一下，轉(zhuǎn)化為可用的圖。具體來說就是，在圖上選一個(gè)點(diǎn)，比如轉(zhuǎn)速1.0、效率 0.88、壓比4.5,感覺指標(biāo)太低了，達(dá)不到新時(shí)代干更多活吃更少飯的目的，那 就改成轉(zhuǎn)速1.0、效率0.91、壓比4.7試試。當(dāng)然，同

15、時(shí)也要把圖上其它點(diǎn)的效 率和壓比全部按相同的比例折算一下。如此改造后，就有了相對(duì)可用的“?；?后的“通用特性圖”。有了特性圖，有了邊界條件，有了大概的風(fēng)扇流量、涵道比、限制溫度等參 數(shù)，終于可以快樂的計(jì)算了呢。對(duì)民航發(fā)動(dòng)機(jī)來說，設(shè)計(jì)師們一般會(huì)選一個(gè)飛機(jī) 要求的工況點(diǎn)作為設(shè)計(jì)點(diǎn)（很可能就是最先用來“?！碧匦詧D的點(diǎn)），并同時(shí) 計(jì)算少則四五個(gè)多則七八個(gè)非設(shè)計(jì)點(diǎn)。這些設(shè)計(jì)點(diǎn)、非設(shè)計(jì)點(diǎn)一般分別對(duì)應(yīng)飛 機(jī)的起飛、爬升、巡航等飛行模式?？紤]到有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)單發(fā)空中停車的情況， 還要計(jì)算一個(gè)最大連續(xù)點(diǎn)：在此工況下未停車發(fā)動(dòng)機(jī)能夠長時(shí)間工作，負(fù)荷整 個(gè)飛機(jī)的飛行推力需求。順便說一下，既然各部件在同一發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工

16、作，那么基本的準(zhǔn)則還是要守 的。主要有三條：流量平衡、功平衡與轉(zhuǎn)速平衡。流量平衡是說，有多少空氣進(jìn) 去，那必然有多少出來。功平衡是說，渦輪通過同一根軸傳送出去的功，必然跟 同一軸上壓氣機(jī)接受到的功相等。而轉(zhuǎn)速平衡就是，如果渦輪與壓氣機(jī)在同一根 軸上，那二者的轉(zhuǎn)速必然相等。在這些準(zhǔn)則的支配下，各個(gè)部件工作時(shí)相互關(guān)聯(lián)、 相互制約，發(fā)動(dòng)機(jī)就變成了一個(gè)非線性的強(qiáng)耦合系統(tǒng)。而這種和諧匹配的工作關(guān) 系，也就被稱為部件的“共同工作”。既然要共同工作了，那真是牽一發(fā)而動(dòng)全身。請(qǐng)看上圖（左），不同的涵道 比-總壓比組合，對(duì)應(yīng)的耗油率也是不同的。而上面蛛網(wǎng)一樣縱橫交織的線，就 是各種限制條件密集交織的具體表現(xiàn)。首

17、先，你不能突破溫度限制，比如燃燒室 出口溫度，目前世界上已做到一千七百攝氏度以上，再高的話渦輪就直接熔化掉 了，于是圖中添上了溫度限制線。再比如風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，如果不想讓葉片直接飛出去 的話，就別轉(zhuǎn)那么快。嗯，紅線轉(zhuǎn)速線也要有。最后，各種惡劣條件，什么發(fā)動(dòng) 機(jī)性能退化啦，制造公差啦，吸雨吸雹啦，反正可能導(dǎo)致工作溫度升高或推力不 足的因素都得給它兜著，在設(shè)計(jì)時(shí)就要留出足夠的裕度來。當(dāng)然，也需要綜合、客觀考慮國內(nèi)各部件研制的技術(shù)水平，合理分配指標(biāo)難 度，降低整體風(fēng)險(xiǎn)。比如根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平，最終設(shè)計(jì)出的壓氣機(jī)效率很可能比 國外低一些，那么沒辦法，把高壓渦輪的效率指標(biāo)向上抬一抬，或者溫度再提高 個(gè)十度二十度

18、的吧。經(jīng)過各種糾結(jié)各種砍價(jià)各種PK，就得到了整個(gè)工作循環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)：涵道 比、總壓比、推力、耗油率、高低壓軸轉(zhuǎn)速，以及各部件的性能參數(shù)，如流量、 溫度、效率、壓比等。根據(jù)這些參數(shù)，還可以繼續(xù)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)流道的大概 尺寸框架，即初步流道（上圖右）。有了初步流道，有了各部件需要達(dá)到的性能 指標(biāo)，終于可以發(fā)給各專業(yè)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)了呢。當(dāng)然，成功總是曲折的。很可能部件設(shè)計(jì)后個(gè)別指標(biāo)確實(shí)達(dá)不到，那就要拿來進(jìn) 行整機(jī)性能匹配評(píng)估：如果評(píng)估后發(fā)現(xiàn)飛機(jī)的要求還是能達(dá)到的，那局部的不達(dá) 標(biāo)也只能捏著鼻子認(rèn)了（嘿嘿，知道為啥做總體方案時(shí)會(huì)留點(diǎn)裕度了吧）。啥， 評(píng)估后不滿足飛機(jī)要求？呵呵，走好不送！以上，就是一個(gè)簡化的循環(huán)參數(shù)選取流程。由于顧客（飛機(jī)）的要求越來越苛刻， 導(dǎo)致匹配出來的循環(huán)參數(shù)也越來越難以實(shí)現(xiàn)。特別是為了滿足大推力低油耗的要 求，壓氣機(jī)和渦輪的效率必須越來越高，工作的負(fù)荷卻越來越大。而為了保證 總體指標(biāo)達(dá)標(biāo)，渦輪效率低了，壓氣機(jī)就要高。進(jìn)氣道一家霸道了，后面的部件 都要倒霉一一這時(shí)候，爭(zhēng)吵就不可避免了：地主家也沒有余糧啊，憑啥分給它的 指標(biāo)這么低？我們專業(yè)也難??！在這種壓蹺蹺板的過程中，總體方案的設(shè)計(jì)師們 必須學(xué)會(huì)帶著鐐銬跳舞，學(xué)會(huì)在鋼絲上找平衡。其實(shí)，戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢走鋼絲的情形未必全部發(fā)生在指標(biāo)分配環(huán)節(jié)，后續(xù)的設(shè)計(jì)過 程也屢見不鮮。比如部件設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行的整機(jī)加減速控制規(guī)律設(shè)