高負(fù)荷低壓渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)

■ 姚李超 鄒正平 王一帆 許鵬程 杜鵬程/ 北京航空航天大學(xué)

高負(fù)荷低壓渦輪技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)減輕質(zhì)量和增加效率至關(guān)重要，掌握高負(fù)荷低壓渦輪內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理，發(fā)展精細(xì)化流動(dòng)組織及氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，可為我國(guó)先進(jìn)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立自主研制提供基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)支撐。

高負(fù)荷低壓渦輪是減輕質(zhì)量和增加效率的有效途徑，已成為先進(jìn)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，高負(fù)荷低壓渦輪內(nèi)部邊界層轉(zhuǎn)捩/分離、端區(qū)二次流動(dòng)、不確定性影響等機(jī)理問(wèn)題尚未完全突破，導(dǎo)致傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)難以有效解決高負(fù)荷帶來(lái)的高流動(dòng)損失問(wèn)題。因此，發(fā)展高精度試驗(yàn)及仿真技術(shù)、理清復(fù)雜流動(dòng)及損失機(jī)理，對(duì)提升高負(fù)荷低壓渦輪性能具有重要意義。

高負(fù)荷低壓渦輪幾何、氣動(dòng)及損失特征

高負(fù)荷低壓渦輪的工作任務(wù)和環(huán)境決定其獨(dú)特的幾何及氣動(dòng)特征。在幾何方面：體現(xiàn)出尺寸大、級(jí)數(shù)多、葉片輪轂比小而展弦比大、葉型收斂度小的特點(diǎn)。在氣動(dòng)方面：首先，上游尾跡、通道渦等二次流加劇了進(jìn)口氣動(dòng)熱力參數(shù)的不均勻性；其次，工作雷諾數(shù)低，高空狀態(tài)下可低至30000～50000，此時(shí)“低雷諾數(shù)效應(yīng)”明顯，邊界層極易分離；此外，葉片尾緣附近逆壓梯度大，吸力面邊界層發(fā)生分離的風(fēng)險(xiǎn)大幅提高。在流動(dòng)損失方面：由于葉片展弦比大且一般帶冠，二次流損失占比較小而葉型損失占主導(dǎo)，其中吸力面?zhèn)葥p失顯著高于壓力面?zhèn)?。?duì)高負(fù)荷低壓渦輪而言，強(qiáng)逆壓梯度進(jìn)一步加劇吸力面邊界層損失，同時(shí)壓力面前緣附近易出現(xiàn)分離泡并與二次流相互作用，導(dǎo)致二次流損失增大。

高負(fù)荷低壓渦輪試驗(yàn)及仿真研究技術(shù)

實(shí)現(xiàn)對(duì)精細(xì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確識(shí)別是研究高負(fù)荷低壓渦輪內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理，發(fā)展精細(xì)化設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。目前，試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬是深入認(rèn)識(shí)精細(xì)流動(dòng)的基本手段，二者是現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)體系中不可或缺的環(huán)節(jié)。

多層次試驗(yàn)研究技術(shù)

低壓渦輪內(nèi)部復(fù)雜三維非定常流動(dòng)受諸多幾何和氣動(dòng)因素影響，難以通過(guò)單一試驗(yàn)平臺(tái)同時(shí)考慮這些影響因素。為高效、低成本地研究?jī)?nèi)部流動(dòng)，須通過(guò)模擬、適當(dāng)簡(jiǎn)化、相似變換等方法建立不同層次的試驗(yàn)平臺(tái)。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)構(gòu)建起完整的多層次試驗(yàn)體系，覆蓋了從流動(dòng)機(jī)理到工程驗(yàn)證等不同層次的研究范疇，如圖1 所示。在機(jī)理研究層面：水洞、平板、高/低速葉柵、低速大尺寸試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用廣泛，其對(duì)流動(dòng)做適當(dāng)簡(jiǎn)化，試驗(yàn)難度較低、成本可控，卻又能捕捉到核心流動(dòng)機(jī)理及關(guān)鍵參數(shù)的影響；其中，平板和葉柵試驗(yàn)臺(tái)能有效模擬大多數(shù)影響邊界層發(fā)展的因素（如雷諾數(shù)、尾跡、負(fù)荷分布、湍流度、葉型曲率、攻角、壓縮性、端區(qū)、三維葉型等），同時(shí)便于采用熱線、熱膜和粒子圖像測(cè)速（PIV）等高精度流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，因此在邊界層流動(dòng)研究中發(fā)揮重要作用；而低速試驗(yàn)臺(tái)則可進(jìn)一步考慮真實(shí)級(jí)環(huán)境中離心力等體積力的影響。在工程驗(yàn)證層面：部件試驗(yàn)臺(tái)主要用于性能驗(yàn)證及長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行試驗(yàn)等；多部件/系統(tǒng)耦合試驗(yàn)臺(tái)則可進(jìn)一步研究多部件間的相互影響，如真實(shí)上下游邊條；發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)則可提供最為真實(shí)的工作環(huán)境。隨著對(duì)內(nèi)部流動(dòng)簡(jiǎn)化程度的降低，試驗(yàn)所需考慮的影響因素越多，試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，其建設(shè)、試驗(yàn)成本更高，周期也更長(zhǎng)?？傮w而言，機(jī)理性試驗(yàn)難以模擬極端環(huán)境，而整機(jī)環(huán)境則面臨高精度測(cè)量難度高等問(wèn)題。因此，在進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)應(yīng)根據(jù)不同層次的研究需求選擇合適的試驗(yàn)技術(shù)。此外，試驗(yàn)系統(tǒng)能力和條件保障、測(cè)試技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)正確性評(píng)判、結(jié)果分析方法等也值得重視。

圖1 高負(fù)荷低壓渦輪多層次試驗(yàn)技術(shù)

高精度數(shù)值仿真技術(shù)

總體而言，數(shù)值模擬成本較低，具備極端環(huán)境模擬能力和全流場(chǎng)演化信息記錄能力，能較為準(zhǔn)確地刻畫(huà)流場(chǎng)細(xì)節(jié)并量化損失，因此在流動(dòng)機(jī)理研究和工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。在求解納維-斯托克斯（N-S）方程的框架內(nèi)，歐拉（Euler）+體積力、雷諾平均（RANS/URANS）、大渦模擬（LES）、混合RANS-LES和直接數(shù)值模擬（DNS）是常見(jiàn)的數(shù)值方法，如圖2所示。歐拉方法利用體積力模型考慮黏性和導(dǎo)熱，其對(duì)網(wǎng)格要求低、收斂快、魯棒性強(qiáng)，然而由于對(duì)流動(dòng)進(jìn)行大幅簡(jiǎn)化且精度高度依賴于體積力模型，該方法僅應(yīng)用于低維性能快速評(píng)估。雷諾平均方法基于“平均”概念采用湍流模型進(jìn)行湍流模擬，計(jì)算耗費(fèi)小且能有效捕捉二次流等，因而在工程領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。雷諾平均方法框架下的多維度耦合方法在低成本、快速有效預(yù)測(cè)性能方面尤其具有突出優(yōu)勢(shì)，其通過(guò)低維模型可有效考慮葉冠、封嚴(yán)等復(fù)雜幾何的影響，并大幅節(jié)省仿真開(kāi)銷(xiāo)。然而，由于雷諾平均方法并不區(qū)分湍流尺度且丟失脈動(dòng)信息，其精度依賴于湍流模型，同時(shí)也難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分離和轉(zhuǎn)捩等現(xiàn)象。DNS方法對(duì)湍流的模擬不引入任何模型或假設(shè)，計(jì)算精度最高，但卻存在耗費(fèi)巨大及對(duì)復(fù)雜幾何處理能力有限等問(wèn)題。LES方法既能保證對(duì)關(guān)鍵大尺度湍流的分辨率，又能節(jié)省對(duì)小尺度湍流求解的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，其對(duì)邊界層精細(xì)流動(dòng)的計(jì)算精度遠(yuǎn)高于RANS方法，而耗費(fèi)則遠(yuǎn)低于DNS方法，因而非常適用于邊界層精細(xì)流動(dòng)機(jī)理研究?；旌蟁ANS-LES方法主要用于高雷諾數(shù)流動(dòng)且存在湍流脈動(dòng)重構(gòu)問(wèn)題，在低壓渦輪（尤其是低雷諾數(shù)下）流動(dòng)機(jī)理研究中的應(yīng)用相對(duì)較少。目前，RANS方法在工程設(shè)計(jì)中被大量應(yīng)用于渦輪氣動(dòng)性能評(píng)估及特性計(jì)算，而LES和DNS方法則主要被用于研究邊界層等精細(xì)流動(dòng)機(jī)理。

圖2 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法在高負(fù)荷低壓渦輪研究中的適用性

湍流度和尾跡等來(lái)流條件對(duì)邊界層演化和性能影響顯著，準(zhǔn)確的來(lái)流條件模擬是獲得可信數(shù)值模擬結(jié)果的前提。目前，自由衰減各向同性湍流法和離散化合成湍流法在大渦模擬來(lái)流湍流生成中應(yīng)用較多，二者均能生成滿足預(yù)定義特征的湍流脈動(dòng)場(chǎng)；而采用時(shí)間演化尾跡流模擬方法從充分發(fā)展的槽道湍流模擬結(jié)果中提取滿足尾跡特征要求的瞬態(tài)流場(chǎng)即可獲得典型的來(lái)流尾跡。此外，在RANS方法框架下發(fā)展工程適用的湍流/轉(zhuǎn)捩模型對(duì)工程領(lǐng)域準(zhǔn)確評(píng)判低壓渦輪性能也十分重要，目前基于人工智能方法進(jìn)行湍流模型修正的相關(guān)研究有望在該問(wèn)題上取得突破。

高負(fù)荷低壓渦輪關(guān)鍵流動(dòng)特征及機(jī)理

如前所述，控制葉型損失與端區(qū)二次流損失是提升高負(fù)荷低壓渦輪性能的關(guān)鍵，因此，葉片表面邊界層演化、葉尖泄漏流動(dòng)及摻混、輪轂端區(qū)二次流動(dòng)是研究人員重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵流動(dòng)特征，掌握其復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理對(duì)內(nèi)部流動(dòng)精細(xì)化組織意義重大，如圖3所示。

圖3 高負(fù)荷低壓渦輪內(nèi)部關(guān)鍵流動(dòng)特征

葉片邊界層非定常演化

強(qiáng)逆壓梯度下邊界層轉(zhuǎn)捩、分離是葉片邊界層非定常演化的核心機(jī)理問(wèn)題。研究人員結(jié)合試驗(yàn)測(cè)量和LES/DNS等手段對(duì)轉(zhuǎn)捩及分離機(jī)理做出了合理闡釋?？傮w而言，定常無(wú)尾跡來(lái)流下，吸力面邊界層在強(qiáng)逆壓梯度下極可能發(fā)生開(kāi)式分離，導(dǎo)致較大的邊界層損失；而在非定常來(lái)流尾跡條件下，尾跡掃略后的寂靜區(qū)可將開(kāi)式分離有效抑制為小尺寸分離泡，進(jìn)而大幅降低損失。非定常來(lái)流尾跡抑制分離的“寂靜效應(yīng)”是高負(fù)荷低壓渦輪中最為重要的應(yīng)用之一。

低壓渦輪內(nèi)部氣動(dòng)熱力條件復(fù)雜，來(lái)流尾跡、雷諾數(shù)及湍流度、負(fù)荷大小及分布、葉型曲率及粗糙度、離心力、壁面換熱等諸多因素均會(huì)對(duì)邊界層發(fā)展演化產(chǎn)生影響。研究表明，來(lái)流尾跡特征對(duì)邊界層演化影響顯著，適當(dāng)?shù)恼酆项l率范圍內(nèi)，尾跡的非定常性對(duì)分離具有明顯的抑制作用，過(guò)高或過(guò)小的折合頻率則會(huì)造成寂靜區(qū)的消失進(jìn)而減弱對(duì)分離的抑制效果。因此，在特定工況下，存在最佳尾跡折合頻率使邊界層損失較低，但其與負(fù)荷大小/形式有關(guān)。尾跡流量系數(shù)的影響則具有多面性，會(huì)對(duì)邊界層損失和主流損失產(chǎn)生綜合影響。目前，針對(duì)尾跡自身特征，尤其是尾跡寬度、速度虧損及湍流強(qiáng)度等參數(shù)的影響機(jī)制的認(rèn)識(shí)還有待深化。

來(lái)流雷諾數(shù)和湍流強(qiáng)度極大程度上決定了邊界層內(nèi)初始擾動(dòng)的強(qiáng)弱及增長(zhǎng)趨勢(shì)，進(jìn)而決定邊界層的轉(zhuǎn)捩和分離狀態(tài)。總體而言，雷諾數(shù)的變化顯著影響邊界層的分離特征，低雷諾數(shù)條件下的“低雷諾數(shù)效應(yīng)”將顯著增加開(kāi)式分離風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)高負(fù)荷低壓渦輪而言，即使高雷諾數(shù)下尾跡非定常作用將開(kāi)式分離抑制為分離泡，雷諾數(shù)的降低也會(huì)導(dǎo)致分離泡尺寸的增加，極低雷諾數(shù)下分離泡甚至無(wú)法再附而發(fā)展成為開(kāi)式分離。湍流度則會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)捩位置甚至是轉(zhuǎn)捩模式產(chǎn)生影響，高湍流度下邊界層轉(zhuǎn)捩起始位置前移，開(kāi)式分離得到明顯的抑制，但其效果僅限于一定的湍流度范圍內(nèi)。表面粗糙度和壁面換熱因素也會(huì)影響邊界層的演化。研究表明，粗糙度對(duì)葉型損失的影響效果取決于摩擦損失和分離損失的平衡，與粗糙度水平、分布以及負(fù)荷形式有關(guān)；壁面換熱則會(huì)加速轉(zhuǎn)捩，促進(jìn)分離延遲并提前再附，進(jìn)而抑制分離泡的尺寸。

真實(shí)多級(jí)環(huán)境下的“時(shí)序效應(yīng)”對(duì)低壓渦輪性能的影響明顯，充分利用“時(shí)序效應(yīng)”可能會(huì)帶來(lái)氣動(dòng)效率的收益。然而，目前對(duì)“時(shí)序效應(yīng)”相關(guān)流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)還有待深化，如多葉排“時(shí)序效應(yīng)”的相互影響、“時(shí)序效應(yīng)”對(duì)邊界層演化的影響等。此外，離心力等體積力、湍流度-體積力等多因素耦合作用等的影響機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。

葉冠內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)及與主流的摻混

為減弱葉尖泄漏流動(dòng)，低壓渦輪多采用葉冠封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。葉冠區(qū)域流動(dòng)復(fù)雜，主要由冠內(nèi)（篦齒及容腔內(nèi)）流動(dòng)、冠外泄漏流與主流相互作用兩部分組成，冠內(nèi)的流動(dòng)損失遠(yuǎn)高于泄漏流與主流的摻混損失。氣流流經(jīng)篦齒的主要流動(dòng)特征與一般篦齒封嚴(yán)流動(dòng)類似，容腔內(nèi)流動(dòng)可認(rèn)為是多段射流，流體通過(guò)篦齒進(jìn)入出口腔后會(huì)發(fā)生不可逆流動(dòng)摻混；出口腔中可能發(fā)生主流局部入侵現(xiàn)象，會(huì)改變渦系結(jié)構(gòu)和泄漏流匯入主流的位置。

葉冠的幾何結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響冠內(nèi)的強(qiáng)三維非定常流動(dòng)。研究表明，減小進(jìn)/出口腔軸向長(zhǎng)度有利于減弱主流入侵及旋渦強(qiáng)度，進(jìn)而降低腔內(nèi)摻混損失；增加進(jìn)口緣板長(zhǎng)度可減弱葉片前緣位勢(shì)場(chǎng)影響并抑制主流入侵；減小容腔深度有利于改善進(jìn)/出口腔內(nèi)的摻混損失，但會(huì)增加泄漏出流速度。冠外泄漏流與主流的摻混源于速度三角形的不匹配，摻混過(guò)程會(huì)改變下游葉排攻角進(jìn)而影響其氣動(dòng)性能。此外，葉冠泄漏出流可能會(huì)在葉片吸力面附近誘導(dǎo)出高強(qiáng)度流向渦，加速泄漏流與主流的摻混并對(duì)下游葉排產(chǎn)生影響。

盤(pán)腔及輪轂端區(qū)二次流動(dòng)

盤(pán)腔及輪轂端區(qū)存在大量復(fù)雜的旋渦結(jié)構(gòu)，流動(dòng)呈現(xiàn)出強(qiáng)三維性。盤(pán)腔內(nèi)的低速冷氣在復(fù)雜幾何及熱力條件下形成大尺度旋渦，左右著輪轂區(qū)域的封嚴(yán)流動(dòng)，在不同工況下（尤其是過(guò)渡態(tài)中）可能會(huì)出現(xiàn)冷氣泄漏和主流燃?xì)馊肭謨煞N不同的流動(dòng)形式。輪轂端區(qū)主要存在通道渦、馬蹄渦、角渦、葉片尾緣脫落渦等復(fù)雜二次流動(dòng)，葉柵通道內(nèi)的強(qiáng)橫向壓強(qiáng)梯度會(huì)改變馬蹄渦吸力面分支撞擊葉片吸力面的位置，進(jìn)而影響角渦的形成位置；同時(shí)迫使通道渦靠近吸力面，增強(qiáng)尾緣脫落渦與通道渦的相互作用，并最終加劇出口氣流欠轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

高負(fù)荷低壓渦輪薄葉片前緣附近很可能出現(xiàn)逆壓梯度，在設(shè)計(jì)狀態(tài)極易出現(xiàn)壓力面分離泡，會(huì)對(duì)端區(qū)流動(dòng)造成明顯影響。分離泡內(nèi)的低能流體在強(qiáng)橫向壓強(qiáng)梯度下會(huì)向吸力面遷移并卷入通道渦，進(jìn)而增強(qiáng)端區(qū)通道渦；對(duì)轉(zhuǎn)子而言，徑向壓強(qiáng)梯度甚至可能導(dǎo)致壓力面分離泡的徑向遷移并影響葉尖區(qū)域的二次流動(dòng)。目前，對(duì)于復(fù)雜壓強(qiáng)梯度下壓力面分離泡的演化及其與二次流動(dòng)的相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)還有待進(jìn)一步深化。

高負(fù)荷低壓渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)

隨著對(duì)低壓渦輪內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷加深，低壓渦輪的氣動(dòng)設(shè)計(jì)逐漸從傳統(tǒng)的粗放、定常、確定性、經(jīng)驗(yàn)依賴的設(shè)計(jì)框架向精細(xì)化、非定常、魯棒性、智能化設(shè)計(jì)框架發(fā)展，如圖4所示。

圖4 低壓渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

精細(xì)化流動(dòng)組織與設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)體系下被忽略的流動(dòng)細(xì)節(jié)深入機(jī)理認(rèn)知，基于此探討精細(xì)化流動(dòng)組織方法是進(jìn)一步挖掘提升效率潛力的重要手段。對(duì)高負(fù)荷低壓渦輪而言，精細(xì)化流動(dòng)組織聚焦于葉片邊界層調(diào)控、葉尖泄漏流動(dòng)組織和端區(qū)旋渦調(diào)控等方面。

葉片邊界層調(diào)控在于通過(guò)合理的葉型設(shè)計(jì)及應(yīng)用尾跡“寂靜效應(yīng)”來(lái)控制邊界層狀態(tài)以降低流動(dòng)損失。葉型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于選擇合理的負(fù)荷分布，而最佳負(fù)荷分布又與負(fù)荷水平和工況有關(guān)，尚無(wú)明確的選取準(zhǔn)則。前加載平頂式負(fù)荷分布是高負(fù)荷葉型較好的選擇之一，可降低尾緣附近逆壓梯度，但也可能增加湍流摩擦損失。通過(guò)頻率對(duì)尾跡“寂靜效應(yīng)”影響顯著，選擇最佳的尾跡通過(guò)頻率可最大程度降低邊界層損失。此外，通過(guò)前緣型線優(yōu)化降低前緣與葉身的曲率不連續(xù)程度可有效抑制吸力面前緣附近的分離泡，帶來(lái)明顯的性能收益。

在葉尖泄漏流動(dòng)組織方面，通過(guò)優(yōu)化葉冠幾何可有效抑制泄漏流量和減少與主流的摻混，達(dá)到控制泄漏損失的效果。改變端壁型面、采用擋板+軸/徑向?qū)Я靼?葉片、冠-身耦合設(shè)計(jì)等方式是控制葉冠泄漏流動(dòng)的有效手段，試驗(yàn)證實(shí)在葉冠出口腔布置微小導(dǎo)流葉片可有效減小摻混和附加二次流損失，進(jìn)而帶來(lái)0.4%的效率提升。

在端區(qū)旋渦調(diào)控方面，非軸對(duì)稱端壁及葉片端壁一體化設(shè)計(jì)得到極大關(guān)注。非軸對(duì)稱端壁通過(guò)輪轂曲面造型控制壓力分布以達(dá)到減弱二次流的目的，普惠公司利用該技術(shù)將高負(fù)荷葉柵的二次流損失降低13.3%。葉片端壁一體化設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)葉身與端壁結(jié)合處的幾何進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)以控制徑向壓強(qiáng)梯度進(jìn)而抑制旋渦強(qiáng)度。此外，輪轂封嚴(yán)結(jié)構(gòu)精細(xì)設(shè)計(jì)以及葉片全三維彎掠造型等技術(shù)在端區(qū)流動(dòng)控制方面也有較好的效果。

計(jì)及非定常效應(yīng)的高負(fù)荷低壓渦輪設(shè)計(jì)

“寂靜效應(yīng)”及“時(shí)序效應(yīng)”是高負(fù)荷低壓渦輪內(nèi)部最為關(guān)鍵的非定常效應(yīng)?！凹澎o效應(yīng)”本質(zhì)上是利用上游非定常尾跡與下游葉片吸力面邊界層的相互作用來(lái)控制邊界層的發(fā)展，提高其抗分離能力并減小摩擦損失。劍橋大學(xué)在該領(lǐng)域的工作直接支撐了羅羅公司多款發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，其中BR715低壓渦輪葉片數(shù)減少11%。北京航空航天大學(xué)也利用該技術(shù)大幅改善了低壓渦輪在高空低雷諾數(shù)下的性能，其在15000m高空的效率提高6%，20000m高空的效率與地面相比也僅下降3%。

“時(shí)序效應(yīng)”本質(zhì)上則是利用上下游轉(zhuǎn)子或靜子周向位置的相對(duì)布局引起的邊界層狀態(tài)或尾跡-主流摻混狀態(tài)的改變來(lái)調(diào)整渦輪性能。研究表明，改變靜子周向相對(duì)位置可帶來(lái)高達(dá)0.8%的效率收益。然而，受上下游靜子或轉(zhuǎn)子數(shù)目難以一致等因素的限制，真實(shí)渦輪設(shè)計(jì)中難以實(shí)現(xiàn)上游尾跡完全打到下游對(duì)應(yīng)葉排前緣，因此實(shí)際使用中“時(shí)序效應(yīng)”收益有所削弱。

基于不確定性量化分析的魯棒性設(shè)計(jì)

幾何/氣動(dòng)不確定性因素直接影響到渦輪性能分散與衰減，傳統(tǒng)確定性設(shè)計(jì)體系無(wú)法考慮不確定性的影響，掌握不確定性因素的影響規(guī)律并在實(shí)際設(shè)計(jì)與加工中考慮其影響，對(duì)低壓渦輪的高效可靠運(yùn)行具有重要意義。目前，不確定性量化分析方法、特定問(wèn)題中不確定性參數(shù)影響規(guī)律等研究已取得不少成果，如基于實(shí)測(cè)渦輪葉型幾何的不確定性建模、高負(fù)荷薄葉型不同區(qū)域幾何不確定性影響規(guī)律、不同負(fù)荷分布高負(fù)荷葉型不確定性性能的表現(xiàn)、過(guò)渡態(tài)中幾何不確定性的影響等，能初步定性地指導(dǎo)渦輪設(shè)計(jì)參數(shù)的選取以及加工工藝的改進(jìn)。然而，要在渦輪設(shè)計(jì)—加工—運(yùn)維全生命周期中充分考慮不確定性的影響，還須進(jìn)一步開(kāi)展研究，包括全生命周期設(shè)計(jì)/運(yùn)維數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與完善、不確定性分析方法的完善、不確定性影響機(jī)理及規(guī)律的掌握、不確定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則/規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)的建立等。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能化設(shè)計(jì)

隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法有望成為未來(lái)渦輪氣動(dòng)領(lǐng)域的主要研究手段，推動(dòng)氣動(dòng)設(shè)計(jì)從人工經(jīng)驗(yàn)依賴轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑C(jī)器學(xué)習(xí)是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的主要工具，在處理渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。其一，憑借強(qiáng)大的知識(shí)提取與遷移能力能從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取構(gòu)建“幾何—流動(dòng)—性能”間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)各維度/層次上的快速精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，且可隨數(shù)據(jù)庫(kù)的拓展實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)知識(shí)的積累與更新；其二，具備描述復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)及精細(xì)流動(dòng)細(xì)節(jié)的能力，可實(shí)現(xiàn)兩者間高維函數(shù)的高精度建模；其三，具備自主決策能力，能將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為方案決策問(wèn)題并利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)處理高維非線性問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的高效智能化并降低遷移成本。

目前，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法已在渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)中有所應(yīng)用，在葉片設(shè)計(jì)及氣動(dòng)優(yōu)化方面展現(xiàn)出優(yōu)秀的性能。如北京航空航天大學(xué)發(fā)展了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高負(fù)荷低壓渦輪葉型最佳負(fù)荷分布設(shè)計(jì)方法，可快速獲得滿足任意給定設(shè)計(jì)條件的最佳負(fù)荷分布和對(duì)應(yīng)葉型幾何，基于該方法對(duì)Pack-B葉型進(jìn)行改型設(shè)計(jì)并將損失降低1.7%。未來(lái)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)有望在損失模型構(gòu)建、湍流模型修正、低/高維設(shè)計(jì)參數(shù)選取等方面取得突破，并在渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)全流程中得到應(yīng)用。

結(jié)束語(yǔ)

在低碳綠色、高效經(jīng)濟(jì)航空大背景下，高負(fù)荷低壓渦輪技術(shù)是當(dāng)前及未來(lái)航空動(dòng)力領(lǐng)域核心關(guān)鍵技術(shù)之一，進(jìn)一步持續(xù)深化對(duì)復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理的理解，發(fā)展精細(xì)化、魯棒性、智能化先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)助力我國(guó)航空動(dòng)力技術(shù)邁向國(guó)際領(lǐng)先水平意義重大。