清華新聞網(wǎng)1月21日電 小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)事關(guān)國(guó)家關(guān)鍵科技水平，迄今仍在高氣動(dòng)熱力參數(shù)和變循環(huán)方向持續(xù)追求極致突破，不斷提升風(fēng)扇部件負(fù)荷水平是其中關(guān)鍵脈絡(luò)之一，其總壓比需求已從3~4逐步提升至4~5、5~6，總級(jí)數(shù)卻呈現(xiàn)出從5級(jí)、4級(jí)逐漸減少為3級(jí)、2級(jí)的趨勢(shì)。面向新一代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展需求的總壓比5、負(fù)荷系數(shù)0.35以上兩級(jí)風(fēng)扇研制面臨重大挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為葉尖區(qū)高來(lái)流馬赫數(shù)、亞音區(qū)氣流大折轉(zhuǎn)、靜葉根部超音引起流動(dòng)高損失、運(yùn)行范圍縮窄以及級(jí)間難以合理匹配，或者選用超低展弦比、高稠度葉片導(dǎo)致部件軸向尺寸過(guò)大，致使工程化應(yīng)用受限以及難以實(shí)現(xiàn)“效率高于83%、裕度高于15%”的總體指標(biāo)要求。
面向上述挑戰(zhàn)，在兩機(jī)專(zhuān)項(xiàng)基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目大力支持下，清華大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院先進(jìn)渦輪機(jī)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多家參研單位經(jīng)過(guò)五年不懈努力，從氣動(dòng)布局頂層出發(fā)，結(jié)合高負(fù)荷風(fēng)扇流動(dòng)機(jī)理認(rèn)識(shí)，著力級(jí)間匹配、三維葉片積疊、端區(qū)流動(dòng)控制，最終圓滿(mǎn)完成總壓比5兩級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)與驗(yàn)證任務(wù)。具體在氣動(dòng)布局方面，給定部件出口軸向速度限制條件下，采用級(jí)進(jìn)出口氣流預(yù)旋優(yōu)化、流路優(yōu)化、根部超音靜葉、最佳稠度選擇等氣動(dòng)布局方法，提高單級(jí)負(fù)荷能力，降低來(lái)流馬赫數(shù)提高效率，協(xié)調(diào)壓比、效率、裕度三個(gè)指標(biāo)參數(shù)的同時(shí)降低兩級(jí)風(fēng)扇軸向尺寸；在級(jí)間匹配方面，改進(jìn)通流計(jì)算模型使效率/損失展向分布不再人為經(jīng)驗(yàn)輸入，從而可優(yōu)化確定最佳級(jí)間匹配的通流設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步在通流設(shè)計(jì)約束下完成級(jí)間匹配良好的三維設(shè)計(jì)；在三維葉片積疊方面，提出前緣/重心（喉道）掠解耦設(shè)計(jì)技術(shù)，利用前緣后掠降低激波損失，重心（喉道）前掠改善裕度和效率，避免了前緣前掠葉片易過(guò)度振動(dòng)的問(wèn)題；在流動(dòng)控制方面，采用端區(qū)二面角控制技術(shù)控制角區(qū)交匯附面層分離，采用端區(qū)開(kāi)縫自適應(yīng)調(diào)節(jié)激波/交匯附面層干擾誘導(dǎo)分離，建立了掠彎葉片角區(qū)失速預(yù)測(cè)因子及端區(qū)流場(chǎng)定向調(diào)控方法，并集成葉身融合進(jìn)一步控制角區(qū)交匯附面層分離、端區(qū)渦流發(fā)生器控制橫向二次流削弱角區(qū)分離，即原創(chuàng)提出的新一代三維葉片技術(shù)。這些創(chuàng)新技術(shù)可廣泛推廣用于各類(lèi)高負(fù)荷葉輪機(jī)。
圖1.總壓比5兩級(jí)風(fēng)扇第一級(jí)（總壓比2.5）設(shè)計(jì)中采用的三項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)
圖2.總壓比5兩級(jí)風(fēng)扇第二級(jí)設(shè)計(jì)中采用的2項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)（新一代三維葉片技術(shù)）
2025年12月8日，團(tuán)隊(duì)完成了總壓比5兩級(jí)風(fēng)扇部件設(shè)計(jì)的全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)點(diǎn)多變效率達(dá)84.7%，峰值效率點(diǎn)達(dá)87.4%，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速綜合裕度達(dá)16.8%，均超過(guò)任務(wù)指標(biāo)要求，具備實(shí)用價(jià)值，整體上處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
圖3.總壓比5兩級(jí)風(fēng)扇試驗(yàn)件及試驗(yàn)
圖4.總壓比5兩級(jí)風(fēng)扇部件性能試驗(yàn)結(jié)果
供稿：航發(fā)院
編輯：李華山
審核：郭玲
