大涵道比風扇設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢

陳云永， 楊小賀， 衛(wèi)飛飛

中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司， 上海 200241

大涵道比風扇設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢

陳云永*， 楊小賀， 衛(wèi)飛飛

中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司， 上海 200241

風扇部件是民用渦扇發(fā)動機關(guān)鍵部件之一，自20世紀60年代以來在氣動設(shè)計等方面發(fā)生了顯著變化，其發(fā)展支撐了民機的更新?lián)Q代。對民機風扇葉片的發(fā)展歷史進行了回顧，對典型設(shè)計特征和參數(shù)進行了總結(jié)。著重介紹了民機風扇葉片的葉片數(shù)、葉尖切線速度、氣動葉型設(shè)計、降噪設(shè)計、材料工藝等發(fā)展變化，對其內(nèi)在原因進行了分析，并評述了其發(fā)展趨勢。

風扇； 葉片數(shù)； 切線速度； 葉型； 噪聲； 材料； 發(fā)展趨勢

特約

風扇部件是大涵道比商用渦扇發(fā)動機關(guān)鍵部件之一，對發(fā)動機的推力、耗油率、重量等指標有著決定性影響。以涵道比10量級的渦扇發(fā)動機為例，風扇部件提供了約75%的起飛推力和68%的巡航推力。風扇部件的重量在發(fā)動機中占有較大比重，約占發(fā)動機的18%，且風扇部件的重量直接影響風扇軸、包容機匣等部件的重量。風扇氣動性能對大涵道比渦扇發(fā)動機的耗油率有重要的影響，巡航狀態(tài)下，風扇效率降低1%，推力降低約0.68%，耗油率增加0.67%以上。此外，風扇是大涵道比渦扇發(fā)動機主要的噪聲源，特別是在適航要求的起飛和邊線工況，風扇噪聲占發(fā)動機整機噪聲的70%。同時，風扇作為發(fā)動機最前端的冷端部件，需要滿足鳥擊、包容性、吸雨、吸冰等適航要求。

綜上，大涵道比風扇部件設(shè)計需在提高效率的同時兼顧噪聲、鳥撞等要求。為滿足日益苛刻的民機經(jīng)濟性、安全性、可靠性、環(huán)保性等要求，風扇部件在氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、選材等方面均發(fā)生了顯著變化[1-4]。

1 發(fā)展歷程

適航條例是商用航空發(fā)動機必須滿足的最低要求，且適航條例對飛行噪聲、發(fā)動機可靠性、耐久性和可維護性等的要求越來越嚴格[4]。以噪聲指標為例，在第3階段的適航條例中有效感覺噪聲(EPN)指標較第2階段降低約20 dB，第4階段較第3階段降低10 dB，第5階段的噪聲指標還將進一步降低。圖1給出了飛機噪聲從20世紀60年代至今的演化歷程[1，4]。

隨著經(jīng)濟性和適航等要求的不斷提升，商用渦扇發(fā)動機從JT8D發(fā)展到目前即將進入市場的Leap-X，涵道比從1發(fā)展至10一級。選取典型商用航空發(fā)動機進行分析，表1中給出了風扇的特征參數(shù)。縱觀20世紀60年代以來的商用航空發(fā)動機風扇的發(fā)展歷程可以看出：為滿足經(jīng)濟性要求，涵道比不斷增大，以提高推進效率，降低耗油率。

圖1 飛機噪聲演化[1,4]Fig.1 Development trend of aircraft noise[1,4]

表1 典型商用航空發(fā)動機風扇特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of fan of typical commercial aero-engine

發(fā)動機型號風扇流量/(kg·s-1)涵道比葉尖直徑/m葉尖切線速度/(m·s-1)展弦比葉片形式JT8D-17A144.71.21.03421.53.3實心、窄弦、帶凸肩、直葉片JT9D-7A743.75.42.34421.84.6實心、窄弦、帶凸肩、直葉片CFM56-7B18315.95.51.55443.52.2實心、窄弦、無凸肩GE90-115B14208.43.25431.52.4寬弦、復(fù)合彎掠、復(fù)合材料GEnx1130.89.92.82345.62.4寬弦、復(fù)合彎掠、復(fù)合材料

圖2給出了20世紀60年代至今風扇涵道比的發(fā)展，經(jīng)歷了4個階段：20世紀60～70年代涵道比為1～3，典型機型如JT8D系列；70～90年代增大至5～6，如JT9D、CFM系列；90年代至2007年，涵道比增大至6～9，如Trent900、GE90等；2008年以后涵道比增大至10一級，如GEnx、Trent1000。當前齒輪驅(qū)動渦扇發(fā)動機PW1000G，涵道比提高至12，未來的開式轉(zhuǎn)子涵道比會進一步加大[5]。

涵道比增大，風扇增壓比降低，同時為滿足適航條例對飛行噪聲水平越來越嚴格的要求，風扇葉尖切線速度逐漸降低。圖3給出了20世紀60年代以來風扇葉尖切線速度的演化歷程[1,4]，可見，在20世紀80年代后，葉尖切線速度下降較快，這一方面是由于涵道比持續(xù)增大，另一方面也得益于寬弦葉片更好的做功能力。

為了滿足風扇效率越來越高的要求，葉片的氣動葉型由窄弦、帶凸肩發(fā)展到寬弦、無凸肩，從傳統(tǒng)重心積疊的直葉片到三維復(fù)合彎掠葉片。如圖4所示，取消凸肩、三維設(shè)計、復(fù)合彎掠等技術(shù)的應(yīng)用不斷提高風扇效率[1]。

圖2 風扇涵道比的演化[5]Fig.2 Development trend of fan bypass ratio[5]

為滿足風扇葉片減重和強度的要求，葉片的選材和結(jié)構(gòu)形式從實心鈦合金到空心鈦合金葉片乃至樹脂基復(fù)合材料等輕質(zhì)材料葉片。這些發(fā)展變化支撐了風扇部件的更新?lián)Q代。

圖3 風扇葉尖切線速度的演化[1,4]Fig.3 Development trend of tangential velocity of fan tip[1,4]

圖4 Rolls-Royce公司風扇葉片效率的演化[1,4] Fig.4 Development trend of Rolls-Royce fa efficiency[1,4]

2 技術(shù)發(fā)展趨勢

決定風扇部件設(shè)計的參數(shù)主要包含流量、壓比、效率、涵道比等參數(shù)[6]，同時風扇直徑受發(fā)動機裝機要求的限制。如第1節(jié)所述，從20世紀60年代以來大涵道比風扇的發(fā)展歷程可以看出，風扇的涵道比逐漸增大，增壓比逐漸降低，效率不斷提高，這些技術(shù)要求的變化促使風扇設(shè)計技術(shù)出現(xiàn)了革命性的變化，主要體現(xiàn)在葉片數(shù)、葉尖切線速度、氣動葉型設(shè)計、低噪聲設(shè)計、葉片材料與工藝幾個方面。

2.1 葉片數(shù)

典型商用發(fā)動機的風扇葉片數(shù)變化如圖5所示。寬弦風扇葉片出現(xiàn)后，葉片數(shù)較大幅度降低，并在后面發(fā)展過程中不斷降低。如CF6有38片葉片，GE90共22片，GEnx僅18片，而GE9X更是低至16片，葉片數(shù)下降的趨勢顯著。

圖5 風扇葉片數(shù)的演化Fig.5 Development trend of fan blade number

葉片數(shù)降低，在滿足強度要求的前提下允許采用更低的風扇輪轂比，從而降低風扇直徑，降低發(fā)動機迎風面積，進而降低飛行阻力。此外，葉片數(shù)降低，制造和運行成本降低。葉片數(shù)降低的同時，展弦比降低，弦長增大，從而葉片的單位弦向載荷降低，更容易控制葉型表面特別是吸力面的附面層分離，降低損失。同時，葉片數(shù)的減少可以在一定程度上減少葉型表面的壁面摩擦損失，提高風扇部件效率。

葉片數(shù)降低，同時為滿足強度、振動的要求，尖部弦長受到限制，從而導致尖部稠度的降低，涵道比10一級的風扇葉片，尖部稠度低至1.1左右。尖部稠度降低，對激波波形更敏感，影響失速裕度，而三維設(shè)計的發(fā)展可以較為準確地模擬風扇葉片的流場，從而實現(xiàn)葉尖低稠度設(shè)計。

2.2 葉尖切線速度

由圖3可知，風扇葉尖切線速度逐漸降低[1,4]，這主要是由于增壓比的降低和降噪的需求。圖6給出了切線速度與增壓比的關(guān)系，兩者基本在一個線性擬合的區(qū)間內(nèi)。進一步，如圖7所示(圖中，Vt代表葉尖切線速度，V1、V2為葉尖切線速度的2個取值)，在一定的葉尖切線速度下，隨增壓比的增大，效率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。未來低增壓比低切線速度的風扇，適合發(fā)展層流葉型等技術(shù)提高效率，且需要提高通流能力以解決低增壓比帶來的起飛推力損失問題。

聲能量和激波馬赫數(shù)的關(guān)系式為

(1)

式中：E為聲能量；p0為聲壓；Z為激波強度；γ為比熱比；λ為聲波波長；Ma為激波馬赫數(shù)。

從式(1)可以看出，聲能量和激波馬赫數(shù)呈四次方關(guān)系。因此降低葉尖切線速度可以有效降低發(fā)動機的激波噪聲。此外，切線速度降低，馬赫數(shù)降低，也有利于提高風扇部件的效率。

圖6 葉尖切線速度與增壓比的關(guān)系Fig.6 Relation of tangential velocity of fan tip and pressure ratio

圖7 葉尖切線速度、增壓比及效率之間的關(guān)系Fig.7 Relation of tangential velocity of fan tip, pressure ratio and efficiency

由于風扇切線速度的降低，為達到一定的壓比，根部彎角增大，風扇出口金屬角度彎過軸向，如GEnx風扇葉片根部幾何出氣角過軸向達20°，導致根部二次流流動強烈，設(shè)計難度加大，并提高了增壓級進口導葉根部的馬赫數(shù)。設(shè)計中，通過葉型設(shè)計和非軸對稱端壁等措施降低風扇根部二次流的影響，通過增壓級進口導葉根部后掠和流路的局部曲率設(shè)計降低來流馬赫數(shù)。此外，風扇切線速度降低，為滿足增壓比的要求，葉型彎角更大，風扇出口絕對氣流角增大，導致外涵出口導葉彎角增大，降低了出口導葉的總壓恢復(fù)系數(shù)，在導葉設(shè)計中，采用三維設(shè)計來降低這一不利影響。對常規(guī)雙軸直驅(qū)的發(fā)動機構(gòu)型來說，風扇低切線速度導致增壓級切線速度的降低，從而增壓級負荷提高，尤其是大涵道比的風扇增壓級，增壓級的切線速度大幅下降。在增壓級設(shè)計中，采用加強增壓級根部做功和高流通速度來保證內(nèi)涵的失速裕度。隨著風扇切線速度的進一步降低，常規(guī)構(gòu)型的風扇與增壓級之間轉(zhuǎn)速矛盾更加突出，而齒輪驅(qū)動風扇可以使增壓級和風扇工作在不同轉(zhuǎn)速，從而兼顧風扇效率和增壓級做功能力的要求。此外，GE公司發(fā)展對轉(zhuǎn)風扇解決該問題，采用兩排對轉(zhuǎn)的低速風扇實現(xiàn)較高的增壓比。

2.3 氣動葉型設(shè)計

早期的風扇葉片為大展弦比直葉片設(shè)計，容易產(chǎn)生振動、顫振的問題，為解決該問題，在葉片結(jié)構(gòu)上增加凸肩，而凸肩會帶來效率上的降低。寬弦葉片出現(xiàn)后，取消凸肩，風扇效率有了較大幅度的提升[2,7-10]。

隨著三維數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，風扇葉片向三維復(fù)合彎掠方向發(fā)展[11-13]，典型特征為葉片中上部后掠，葉片尖部前掠。葉片中上部后掠，可以減弱激波強度，降低激波損失。并且，后掠可以控制激波方向，將激波反射到機匣壁面，從而有利于敷設(shè)聲襯來降低噪聲水平。葉片尖部前掠，可以增大失速裕度，但過大的前掠會帶來振動問題，并增大顫振和掉角的風險。隨著樹脂基復(fù)合材料在風扇葉片上的應(yīng)用，大大降低了葉片的離心載荷，從而允許葉片后掠的徑向位置逐漸上移，降低激波占整個葉高的比例，降低損失，也有利于控制激波噪聲。圖8為GEnx和即將進入市場的Leap-X風扇葉片的對比，可見Leap-X風扇后掠徑向位置上移，且葉尖前掠的區(qū)間降低。

早期涵道比較小，設(shè)計采用展向等功設(shè)計。等功設(shè)計展向一致性較好，摻混損失小，但隨著葉片不斷增大，根尖切線速度差增大，為協(xié)調(diào)大尺寸葉片展向流動的差異，20世紀70年代至80年代初，發(fā)展為展向變功設(shè)計，典型特征為在根部設(shè)計低切線速度區(qū)間，降低做功量，中上部加大做功，而到尖部降低做功，以降低激波/附面層干擾和葉尖泄漏流敏感性。

葉型前緣的設(shè)計對葉型損失和裕度均有重要作用，圓形、橢圓形、非對稱橢圓形葉片的前緣形狀和馬赫數(shù)分布如圖9所示。早期受限于對流動的認識，葉型前緣為圓形，圓形前緣易于加工，但會在前緣形成局部高馬赫數(shù)區(qū)，從而增大葉型損失并降低迎角范圍。后期，葉型發(fā)展至橢圓形前緣，前緣高馬赫數(shù)區(qū)得到明顯改善，從而有效提高失速裕度。為進一步優(yōu)化前緣流場，橢圓形前緣發(fā)展為非對稱橢圓形前緣，從而實現(xiàn)前緣流動的控制，提高效率和裕度，但非對稱橢圓形前緣試制難度增加，精度上不易保證。

圖8 GEnx和Leap-X風扇葉片F(xiàn)ig.8 Fan blades of GEnx and Leap-X

圖9 風扇葉片前緣形狀和馬赫數(shù)分布對比Fig.9 Comparison of shape in leading edge and Mach number distribution of fan blades

2.4 低噪聲設(shè)計

商用大涵道比渦扇發(fā)動機性能提高的同時，對噪聲提出了越來越嚴格的要求，隨著適航條例噪聲標準的制定，航空飛行器噪聲的要求更加系統(tǒng)性、嚴格化。這不僅影響起飛降落費用，也限制了航線對機場的選擇，從這個角度來講，噪聲不僅是適航性的一個指標，同時也是一個經(jīng)濟性指標。因此，低噪聲設(shè)計是風扇部件氣動設(shè)計的一個重要組成部分。

如圖10所示，風扇噪聲是發(fā)動機主要的噪聲源。風扇噪聲包括轉(zhuǎn)靜干涉噪聲、激波噪聲(組合單音)、寬頻噪聲等。風扇噪聲的控制[14]主要有兩個途徑：一是在風扇氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計時兼顧聲學設(shè)計的要求，降低聲源強度；二是在聲傳播管道中利用吸聲裝置吸收部分聲能，降低向外輻射的遠場噪聲。具體措施有：

1) 降低葉尖切線速度，噪聲級可顯著減小。該方法效果明顯，但在降低葉尖切線速度和保證氣動性能方面需要達到平衡。

2) 設(shè)計風扇轉(zhuǎn)子掠形和葉型，降低激波前馬赫數(shù)，從而降低激波噪聲[15-17]。該方法效果明顯，同理，也需要與保證氣動性能達到平衡。

圖10 飛機噪聲分量Fig.10 Aircraft noise component

3) 采用Tyler-Sofrin管道聲模態(tài)截止理論準則[18]，考慮截止頻率影響下的轉(zhuǎn)靜葉片數(shù)目選擇[19]。該方法是目前廣泛應(yīng)用的降低轉(zhuǎn)靜干涉噪聲的最基本的方式。

4) 采用合適的轉(zhuǎn)靜間距。增大間距可以降低轉(zhuǎn)靜干涉噪聲，但帶來的降噪收益在一定距離后逐漸趨向平穩(wěn)，此外，轉(zhuǎn)靜間距增大帶來性能和結(jié)構(gòu)上的影響，需要綜合考慮各專業(yè)需求，尋求多學科優(yōu)化結(jié)果。

5) 傾斜出口導葉設(shè)計，調(diào)整轉(zhuǎn)子尾跡沿靜子葉高的干涉相位，使其不同時發(fā)生，從而控制轉(zhuǎn)靜干涉噪聲[18]。出口導葉設(shè)計存在相對較優(yōu)的傾斜角，設(shè)計中綜合考慮性能、結(jié)構(gòu)等專業(yè)需求。

6) 采用吸聲聲襯控制噪聲向前、向后的傳播等。相對于上述從噪聲源角度降噪的方法來說，采用聲襯吸聲更加直觀且容易實現(xiàn)。當然，聲襯的設(shè)計需要考慮多模態(tài)寬頻帶的綜合效果，目前已達到相對好的降噪效果。

2.5 葉片材料、工藝

無凸肩寬弦復(fù)合彎掠葉片是當前大涵道比風扇葉片的典型特征，而這些設(shè)計特點的實現(xiàn)是基于葉片材料和加工工藝的突破。

取消凸肩較大幅度地提高了風扇效率，但無凸肩設(shè)計必須解決振動問題，寬弦葉片剛度提高，為取消凸肩提供了條件。隨著葉片的進一步增大，寬弦實心葉片無法滿足強度的要求。當風扇直徑不超過1.6 m時，如適當加強輪盤，仍能承受寬弦風扇葉片的負荷，如CFM56-7的風扇為24片的實心葉片。但隨著風扇直徑的進一步加大，鈦合金實心葉片將無法滿足重量、強度等方面的要求，從而發(fā)展出空心鈦合金葉片和更輕的復(fù)合材料葉片。正是基于寬弦空心葉片和復(fù)合材料葉片的材料和加工工藝的突破，三維復(fù)合彎掠設(shè)計才得以應(yīng)用。

葉片空心率對葉片重量有重要的影響，直徑2 m左右的鈦合金空心風扇葉片，在葉片外形不變的前提下，葉片空心率每提高1%，每臺份發(fā)動機風扇葉片重量可減約2 kg，風扇葉片的減重同時可以帶來風扇盤、風扇機匣、風扇軸的減重，從而整機可減重約60 kg，收益可觀。先進的空心風扇葉片空心率可達40%以上，國內(nèi)近期開展了大涵道比空心風扇葉片的研究，目前最高空心率水平約為36%。復(fù)合材料風扇葉片的等效空心率約為60%，GE公司首次將該技術(shù)應(yīng)用于GE90的風扇葉片上，用碳纖維加強高韌性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料代替鈦合金制成了目前最大的風扇葉片。國內(nèi)也開始了復(fù)合材料風扇葉片方面的技術(shù)攻關(guān)，并取得了一定的進展[1,9-20]。

3 結(jié) 論

自20世紀60年代以來，為滿足經(jīng)濟性、適航等日益苛刻的要求，商用渦扇發(fā)動機的風扇部件發(fā)生了革命性的變化，支撐了發(fā)動機的更新?lián)Q代，回顧其發(fā)展歷程，可以看出：

1) 為降低耗油率，風扇涵道比不斷增大，從1發(fā)展至10一級甚至更高，風扇增壓比不斷降低，葉尖切線速度不斷降低，效率不斷提高。

2) 從風扇氣動設(shè)計特征上看，葉片數(shù)不斷降低，低切線速度、寬弦設(shè)計、三維復(fù)合彎掠、先進葉型等技術(shù)的發(fā)展不斷提高風扇效率。對常規(guī)構(gòu)型的風扇增壓級，低切線速度帶來增壓級設(shè)計難度的增大，齒輪驅(qū)動風扇有利于提升增壓級的做功能力。

3) 噪聲指標越來越嚴苛，在氣動設(shè)計中更加關(guān)注降噪設(shè)計，采用降低葉尖切線速度，先進掠形等手段降低噪聲。

4) 葉片選材越來越輕質(zhì)，空心風扇葉片、復(fù)合材料的發(fā)展支撐了風扇典型氣動設(shè)計特征的實現(xiàn)。

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(責任編輯： 鮑亞平， 王嬌)

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*Corresponding author. E-mail: chenyy@acae.com.cn

Development trend of high bypass ratio turbofans design technology

CHEN Yunyong*, YANG Xiaohe, WEI Feifei

AECCCommercialAircraftEngineCo.,Ltd.,Shanghai200241,China

The fan is one of the important components of civil turbofan engines. Many changes have taken place in the fan design, supporting the upgrading of civil engines. The development history and current situation are reviewed, and then the design features and parameters are summarized. The evolution, the analysis of influencing factors of evolution and the development trend of fan blade number, tangential velocity of fan tip, blade profile design, noise reduction design and material technic are introduced emphatically.

fan; blade number; tangential velocity; blade profile; noise; material; development trend

2016-11-18； Revised： 2017-01-08； Accepted： 2017-03-25； Published online： 2017-04-17 18:46

V231.3

A

1000-6893(2017)09-520953-08

2016-11-18； 退修日期： 2017-01-08； 錄用日期： 2017-03-25； 網(wǎng)絡(luò)出版時間： 2017-04-17 18:46

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*通訊作者.E-mail: chenyy@acae.com.cn

陳云永， 楊小賀， 衛(wèi)飛飛． 大涵道比風扇設(shè)計技術(shù)發(fā)展趨勢[J]． 航空學報, 2017, 38(9): 520953. CHEN Y Y, YANG X H, WEI F F. Development trend of high bypass ratio turbofans design technology[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(9): 520953.

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10.7527/S1000-6893.2017.620953