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

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？平安!省油!安！全！?。∮?！重要的話說三遍！正如有國(guó)外專家說的那樣：民用發(fā)動(dòng)機(jī)必需足夠平安、足夠省油，否那么就是白給航空公司，人家也不要。“丈母娘擇婿指南”那么大家說了，你就造個(gè)最平安、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(guó)大媽挑女婿的標(biāo)準(zhǔn)類似，能被選中的發(fā)動(dòng)機(jī)也要滿意以下幾點(diǎn)要求：力氣大（高推力）、吃得少（省油）、不要?jiǎng)硬粍?dòng)就搭挑子（平安性高），最好全年無休（牢靠性高），有病不去醫(yī)院吃個(gè)藥片就能好（修理本錢低），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)功制服丈母娘的吧。首先，關(guān)心大發(fā)修煉的親友團(tuán)們，肯定不能無的放矢。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）更詳細(xì)的要求：可以現(xiàn)在沒有多大的事業(yè)，但應(yīng)當(dāng)有力量（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）。此外，身體肯定要健康，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，不能輕易喪失信念（惡劣條件不熄火）……諸如此類。條件清晰了，大家抓緊登記來，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'力氣說到力量，究竟大發(fā)為什么能這么猛啊。這里我們必需從氣體的狀態(tài)方程說起，這個(gè)奇妙的方程就是PV=RT（霍金長(zhǎng)老說了，消失一個(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。把握了氣體狀態(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，在我們四周的空氣里面，住著很多淘氣的空氣分子。依據(jù)脾氣秉性的不同，又分為氮?dú)夥肿?、氧氣分子、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)方向連續(xù)往前跑。假設(shè)遇到列隊(duì)迎敵的固體分子們，那就是一個(gè)被立即反射回來的下場(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，碰撞一下的力氣當(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?！斑祝课揖退銓W(xué)校畢業(yè)也知道這個(gè)P應(yīng)當(dāng)叫壓強(qiáng)吧？！”沒錯(cuò)，說起這個(gè)名稱，那還真有個(gè)緣由：發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件的外表積和各流道截面的面積一般是固定不變的，假如每次計(jì)算壓力都用壓強(qiáng)乘以面積那也太傻了，所以直接扔掉面積不管，壓力就是壓強(qiáng)了!明顯，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?cè)较∈?，撞到同一塊地方的分子就越少，壓力也就越小。詳細(xì)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)，壓力必定減小一半，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。可是，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“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)分子的詳細(xì)狀況（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便利。于是大家又創(chuàng)造了一個(gè)量來代表平均動(dòng)能，那就是溫度T。簡(jiǎn)潔地說，溫度就是物體冷熱程度的表征。當(dāng)溫度上升時(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RR視而不見，那是個(gè)氣體常數(shù)R視而不見，那是個(gè)氣體常數(shù)R視而不見，那是個(gè)氣體常數(shù)）o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)采用這三個(gè)量之間的關(guān)系，誘使空氣分子們多干活、少吃飯。但在詳細(xì)爭(zhēng)論整體性能方案之前，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：你空氣分子不情愿主動(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，洞悉分子們喜愛大房子的特點(diǎn)，簡(jiǎn)簡(jiǎn)潔單就把人騙進(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)扇四周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(jiǎn)簡(jiǎn)潔單搞定。噴氣問題的解決有些麻煩。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)必需噴出高速氣體才能產(chǎn)生推力，但這必需依靠較高的壓比條件：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)憑空上升的，必需要有一個(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，必需使用壓氣機(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，最終到達(dá)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■噴氣的循環(huán)?？諝夥肿觽儚拇髿庵衼?，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)數(shù)選取”這一極端重要又極端糾結(jié)的工程開頭的。一的江湖字號(hào)“循環(huán)參數(shù)”航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體方案設(shè)計(jì)，就是從“循環(huán)參抱負(fù)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)，大家覺察圖中黃色局部的面積恰好等于發(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？明顯，我們可以加長(zhǎng)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，加熱比和增壓比的增長(zhǎng)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)被酷熱的燃?xì)馑鶡龤?。一的江湖字?hào)“循環(huán)參數(shù)”航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體方案設(shè)計(jì)，就是從“循環(huán)參各種限制的存在，說明選取合理的循環(huán)參數(shù)絕不是件易事。依據(jù)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,安排不同的任務(wù)指標(biāo)，讓它們能夠相互協(xié)作，無縫連接，以到達(dá)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)耗油量又必需低于每小時(shí)一噸。怎么辦？湊吧！首先，算一算也許需要多少空氣流量才能讓推力到達(dá)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，所攜帶的大量熱量就被鋪張掉了，因此在追求低耗油率的民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，參加內(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。從最開頭的0.2~1（大多數(shù)人踏實(shí)工作）漸漸進(jìn)展到現(xiàn)在的10以上（一人工作，十人圍觀……）O當(dāng)然，涵道比不行能無限增加。任務(wù)總量固定的狀況下，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，就必需確定一個(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?xì)饽抢锏玫降墓β?也許有非常之一立即被貪污揮霍掉了，傳遞給壓氣機(jī)的只剩非常之九。壓氣機(jī)也不甘示弱，連續(xù)揮霍非常之一，剩下的才用來干活（壓縮空氣）。更氣人的是,壓氣機(jī)和泯輪都是大貪污犯，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，你隨便吧,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)查爭(zhēng)論，看看每個(gè)部件的底線究竟是多少：風(fēng)扇，你拿百分之八行嗎？不行？非要十個(gè)點(diǎn)，好吧，國(guó)情如此,登記來！高壓渦輪，你的要求是一一不低于九個(gè)點(diǎn)，還得進(jìn)口溫度不低于一千七,Ok,寫上！該你了，燃燒室……。依據(jù)這樣縝密的調(diào)查，就得到了設(shè)計(jì)各個(gè)部件所需要留意的限制性條件和也許數(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”。這些條件主要表達(dá)了各部件各系統(tǒng)專業(yè)在目前或?qū)硪欢螘r(shí)間內(nèi)可以到達(dá)的研制水平。上限等等知道了主要參數(shù)的也許范圍，可以進(jìn)行性能方案計(jì)算了吧？還是不行！由于壓氣機(jī)、渦輪們雖然喜愛多貪多占，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），工作悠閑下來了（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，必需知道它們?nèi)抗ぷ鳡顟B(tài)下的特性。糟糕的是，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案才剛剛開頭啟動(dòng)設(shè)計(jì)啊！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??？！大家立刻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“?！币幌?，轉(zhuǎn)化為可用的圖。詳細(xì)來說就是，在圖上選一個(gè)點(diǎn)，比方轉(zhuǎn)速1.0、效率0.88、壓比45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“?；焙蟮摹巴ㄓ锰匦詧D”。有了特性圖，有了邊界條件，有了也許的風(fēng)扇流量、涵道比、限制溫度等參數(shù)，最終可以歡樂的計(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)算少那么四五個(gè)多那么七八個(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。考慮到有時(shí)候會(huì)消失單發(fā)空中停車的狀況,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(zhǎng)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)部工作，那么基本的準(zhǔn)那么還是要守的。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，那必定有多少出來。功平衡是說，渦輪通過同一根軸傳送出去的功，必定跟同一軸上壓氣機(jī)接受到的功相等。而轉(zhuǎn)速平衡就是，假如渦輪與壓氣機(jī)在同一根軸上，那二者的轉(zhuǎn)速必定相等。在這些準(zhǔn)那么的支配下，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詳細(xì)表現(xiàn)。首先，你不能突破溫度限制，比方燃燒室出口溫度，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。再比方風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，假如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。最終，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)致工作溫度上升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(guó)內(nèi)各部件研制的技術(shù)水平，合理安排指標(biāo)難度，降低整體風(fēng)險(xiǎn)。比方依據(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(guó)外低一些，那么沒方法，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、凹凸壓軸轉(zhuǎn)速，以及各部件的性能參數(shù)，如流量、溫度、效率、壓比等。依據(jù)這些參數(shù)，還可以連續(xù)計(jì)算動(dòng)身動(dòng)機(jī)整個(gè)流道的也許尺寸框架，即初步流道（上圖右）。有了初步流道，有了各部件需要到達(dá)的性能指標(biāo)，最終可以發(fā)給各專業(yè)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)了呢。當(dāng)然，勝利總是曲折的。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：假如評(píng)估后覺察飛機(jī)的要求還是能到達(dá)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)估后不滿意飛機(jī)要求？