[科普中国]-发动机空气动力学

简介

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。

国外发展美国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：

(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，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。

俄罗斯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。

法国近年来，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。

德国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。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。