航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的案例
航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子模態(tài)分析實(shí)例
1摘要：
采用三維軟件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模，模型導(dǎo)入 ANSYS Workbench 中進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析。提取了前6階固有頻率及模態(tài)振型進(jìn)行了分析和處理，發(fā)現(xiàn)了模態(tài)振型的順序和規(guī)律；研究了與之相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的坎貝爾圖，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和振動(dòng)安全裕度，比較風(fēng)扇轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速，進(jìn)行共振風(fēng)險(xiǎn)分析。
2引言：
隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比和推重比的不斷加強(qiáng)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的質(zhì)量在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中所占比例也越來(lái)越大。任何的質(zhì)量不均勻和葉片失效事件都會(huì)造成風(fēng)扇轉(zhuǎn)子不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一旦產(chǎn)生重大的結(jié)構(gòu)載荷和振動(dòng)，將嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性。在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)偏離工作轉(zhuǎn)速，盡量避免轉(zhuǎn)子在受到某種激勵(lì)之后產(chǎn)生的共振給轉(zhuǎn)子帶來(lái)的嚴(yán)重?fù)p壞。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。模態(tài)分析可以預(yù)估這些參數(shù)，得到的計(jì)算仿真數(shù)據(jù)可以為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)安全裕度的計(jì)算提供理論依據(jù)。
本文基于工業(yè)上廣泛使用的制圖軟件 SolidWorks對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子系統(tǒng)（包含一個(gè)輪 盤(pán)和一個(gè)主軸的裝配體）進(jìn)行三維實(shí)體建模，并導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力（即離心預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、陀螺力矩效應(yīng)以及旋轉(zhuǎn)軟化效應(yīng)）的模態(tài)分析，得到其固有頻率和振型，其結(jié)果可為轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)改善轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性具有重要意義。
3案例描述：
現(xiàn)有一款航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子在一系列的轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行，請(qǐng)?jiān)谶@些轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行模態(tài)分析，求解每一種工況下的前6階模態(tài)振型和固有頻率，并且輸出坎貝爾圖得到轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。
4模型：
幾何模型如下圖所示，軸向有較多的圓角和倒角過(guò)渡，為達(dá)到較高的網(wǎng)格質(zhì)量故采用切分處理（不同顏色代表不同零件）。
圖1 模型
圖2 模型正視圖
網(wǎng)格模型如下圖。
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇噪聲仿真
還是一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片？
額，事出反常必有妖，機(jī)智的我選屠龍刀！哦~不，是風(fēng)扇葉片！雖然這玩意兒長(zhǎng)得像把神器，不過(guò)到底有什么特別的？怎么就值100萬(wàn)呢？
筆者又不得不搬出萬(wàn)年老梗了：“航空發(fā)動(dòng)機(jī)是工業(yè)皇冠上的明珠”。從設(shè)計(jì)驗(yàn)證到加工制造，航發(fā)所涉及到的學(xué)科范圍之廣、技術(shù)難度之高，幾乎是任何產(chǎn)品都望塵莫及的。迄今為止，在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，也僅有GE、普惠和羅羅三家公司具備完全自主設(shè)計(jì)和制造的能力。航發(fā)三巨頭掌握著行業(yè)最尖端的技術(shù)，也掀起了相當(dāng)激烈的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。隨著現(xiàn)代運(yùn)輸業(yè)對(duì)于飛機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的要求越來(lái)越高，為了盡量降低渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)涵排氣損失，就必須把更多功率用到處于冷端的外涵，導(dǎo)致外涵尺寸越做越大，風(fēng)扇尺寸不斷增加。風(fēng)扇尺寸大到什么程度呢？下圖為某工程師與GE90發(fā)動(dòng)機(jī)的合照，是不是大的有點(diǎn)恐怖？
而現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的瓶頸之一在于，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和噪聲問(wèn)題，風(fēng)扇葉尖的周向速度不能過(guò)分增大。這意味著如果保持風(fēng)扇葉尖周向速度不變的條件下，增加風(fēng)扇尺寸則必須降低轉(zhuǎn)速，那么與風(fēng)扇剛性相連的低壓渦輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)降低。而根據(jù)渦輪的工作原理，渦輪做功能力和轉(zhuǎn)速成正比。那么我們得到了一個(gè)更耗能的風(fēng)扇和更弱雞的低壓渦輪，更小的馬拉更大的車(chē)，我太難了！
為了調(diào)和這個(gè)矛盾，三巨頭紛紛摩拳擦掌，拿出了自己的看家本領(lǐng)。
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)寬弦空心風(fēng)扇葉片制造研究綜述
如表 1 簡(jiǎn)要概述了世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng) 扇葉片的發(fā)展歷程，從 1970 年先后投入使用的 JT9D 與 TF39 發(fā)動(dòng)機(jī)，到 2022 年將要投入使用的 GE9X，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片的葉型構(gòu)造、材料和成形技術(shù)等歷經(jīng)了 50 多年的改進(jìn)，羅羅、通用和普惠是目前國(guó)際上最主要的三大航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)，在風(fēng)扇葉片方面的研究取得了重大進(jìn)展，另外國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)也在該領(lǐng)域開(kāi)展了相關(guān)工作，并取得了一定的成果。
表 1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片發(fā)展歷程
1.1 鈦合金窄弦實(shí)心風(fēng)扇葉片
如圖 1 所示為鈦合金窄弦實(shí)心風(fēng)扇葉片，凸肩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在一定程度上增加葉片剛性和自振頻率，通過(guò)鍛造成形后機(jī)加工獲取葉片成品， 20 世紀(jì) 60 年代之前，此類(lèi)風(fēng)扇葉片得到普遍應(yīng)用。但是凸肩帶來(lái)的問(wèn)題有流量限制和氣流擾動(dòng)等，不利于節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，不適應(yīng)風(fēng)扇葉片的進(jìn)一步發(fā)展，因此無(wú)凸肩的寬弦風(fēng)扇葉片應(yīng)運(yùn)而生。
圖 1 窄弦實(shí)心風(fēng)扇葉片
1.2 鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片
寬弦空心風(fēng)扇葉片最早由英國(guó)和美國(guó)等國(guó)家的航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司提出，如圖 2 所示，弦長(zhǎng)的增加避免了窄弦葉片凸肩帶來(lái)的效率損失，同時(shí)提高了耐疲勞性能及抗外物損傷能力。如圖 3 所示為鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片從概念的提出到演化過(guò)程示意圖。對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)和蜂窩夾芯式結(jié)構(gòu) 的概念先后由美國(guó)通用電氣和英國(guó)羅羅公司在 20 世紀(jì) 70 年代提出。對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)由兩片鈦面板和加強(qiáng)筋組成，在流體壓力和模具溫度的共同作用下實(shí)現(xiàn)葉片構(gòu)件之間的擴(kuò)散連接。
展開(kāi) 仿真助力減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪風(fēng)扇的噪聲
飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪風(fēng)扇是主要的飛行噪聲源之一。過(guò)量的噪聲可能會(huì)引發(fā)一系列健康問(wèn)題，例如聽(tīng)力障礙、睡眠紊亂和壓力疾病。聲學(xué)建模可以幫助您優(yōu)化渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，減少噪音污染及其負(fù)面影響。我們將通過(guò)噴射管教程模型，闡明使用聲學(xué)建模方法的好處。
為什么降噪對(duì)于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)很重要？
如果您乘坐過(guò)商用飛機(jī)，所在的航班很可能是由渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是：將部分捕獲的空氣送入壓縮機(jī)，空氣經(jīng)壓縮后進(jìn)入燃燒室，和燃料混合燃燒，排出燃?xì)饪僧a(chǎn)生飛行推力。
圖1 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。
圖片由 K. Aainsqatsi 提供。在CCBY-SA 3.0 許可下使用，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。
圖2 真實(shí)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。
圖片由 Sanjay Acharya 提供。在CCBY-SA 3.0許可下使用，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。
近年來(lái)，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)得到了極大改進(jìn)，尤其是降噪。知道為什么嗎？再次想象一下你正在乘坐飛機(jī)——發(fā)動(dòng)機(jī)一路在耳邊喧囂可不是什么愉快的經(jīng)歷。對(duì)于機(jī)場(chǎng)附近的居民來(lái)說(shuō)，飛機(jī)著陸和起飛時(shí)的巨大噪音會(huì)擾亂睡眠作息。因此，降低飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪音成為了航空業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。為了演示具體的操作流程，我們來(lái)看一看簡(jiǎn)化的噴射管教學(xué)模型。
展開(kāi) 
多物理場(chǎng)仿真助力渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)降噪
飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪風(fēng)扇是主要的飛行噪聲源之一。過(guò)量的噪聲可能會(huì)引發(fā)一系列健康問(wèn)題，例如聽(tīng)力障礙、睡眠紊亂和壓力疾病。聲學(xué)建模可以幫助您優(yōu)化渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，減少噪音污染及其負(fù)面影響。我們將通過(guò)噴射管教程模型，闡明使用聲學(xué)建模方法的好處。
為什么降噪對(duì)于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)很重要
如果您乘坐過(guò)商用飛機(jī)，所在的航班很可能是由渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是：將部分捕獲的空氣送入壓縮機(jī)，空氣經(jīng)壓縮后進(jìn)入燃燒室，和燃料混合燃燒，排出燃?xì)饪僧a(chǎn)生飛行推力。
上圖：渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。圖片由 K. Aainsqatsi 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。下圖：真實(shí)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。圖片由 Sanjay Acharya 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。
近年來(lái)，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)得到了極大改進(jìn)，尤其是降噪。知道為什么嗎？再次想象一下你正在乘坐飛機(jī)——發(fā)動(dòng)機(jī)一路在耳邊喧囂可不是什么愉快的經(jīng)歷。對(duì)于機(jī)場(chǎng)附近的居民來(lái)說(shuō)，飛機(jī)著陸和起飛時(shí)的巨大噪音會(huì)擾亂睡眠作息。因此，降低飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪音成為了航空業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。
減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪風(fēng)扇的過(guò)量噪音為解決該問(wèn)題提供了一個(gè)可行的思路。利用 COMSOL Multiphysics? 軟件，您可以分析和優(yōu)化渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射噪聲，從而實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。為了演示具體的操作流程，我們來(lái)看一看簡(jiǎn)化的噴射管教學(xué)模型。
通過(guò)分析風(fēng)扇噪聲優(yōu)化渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)
為了高效地分析渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)，我們可以專(zhuān)注于具體的設(shè)計(jì)單元。在此例中，研究對(duì)象是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪風(fēng)扇中的環(huán)形流管造成的噪音輻射。首先建立一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)模型幾何，使其對(duì)稱(chēng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)的中心線重合。
展開(kāi) 享受寧?kù)o的機(jī)上時(shí)光——多物理場(chǎng)仿真助力渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)降噪
飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪風(fēng)扇是主要的飛行噪聲源之一。過(guò)量的噪聲可能會(huì)引發(fā)一系列健康問(wèn)題，例如聽(tīng)力障礙、睡眠紊亂和壓力疾病。聲學(xué)建模可以幫助您優(yōu)化渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，減少噪音污染及其負(fù)面影響。我們將通過(guò)噴射管教程模型，闡明使用聲學(xué)建模方法的好處。
為什么降噪對(duì)于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)很重要
如果您乘坐過(guò)商用飛機(jī)，所在的航班很可能是由渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是：將部分捕獲的空氣送入壓縮機(jī)，空氣經(jīng)壓縮后進(jìn)入燃燒室，和燃料混合燃燒，排出燃?xì)饪僧a(chǎn)生飛行推力。
上圖：渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖。圖片由 K. Aainsqatsi 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。下圖：真實(shí)的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。圖片由 Sanjay Acharya 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用，通過(guò) Wikimedia Commons 分享。
近年來(lái)，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)得到了極大改進(jìn)，尤其是降噪。知道為什么嗎？再次想象一下你正在乘坐飛機(jī)——發(fā)動(dòng)機(jī)一路在耳邊喧囂可不是什么愉快的經(jīng)歷。對(duì)于機(jī)場(chǎng)附近的居民來(lái)說(shuō)，飛機(jī)著陸和起飛時(shí)的巨大噪音會(huì)擾亂睡眠作息。因此，降低飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪音成為了航空業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。
減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪風(fēng)扇的過(guò)量噪音為解決該問(wèn)題提供了一個(gè)可行的思路。利用 COMSOL Multiphysics? 軟件，您可以分析和優(yōu)化渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射噪聲，從而實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)。為了演示具體的操作流程，我們來(lái)看一看簡(jiǎn)化的噴射管教學(xué)模型。
通過(guò)分析風(fēng)扇噪聲優(yōu)化渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)
為了高效地分析渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)，我們可以專(zhuān)注于具體的設(shè)計(jì)單元。在此例中，研究對(duì)象是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪風(fēng)扇中的環(huán)形流管造成的噪音輻射。首先建立一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)模型幾何，使其對(duì)稱(chēng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)的中心線重合。
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)的新材料
1995年，裝配樹(shù)脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的GE90-94B發(fā)動(dòng)機(jī)正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著樹(shù)脂基復(fù)合材料在現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)上正式實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。在綜合考慮空氣動(dòng)力學(xué)、高低周疲勞循環(huán)等因素的基礎(chǔ)上，GE公司又為后續(xù)的GE90-115B發(fā)動(dòng)機(jī)研制了新的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。
進(jìn)入21世紀(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)高損傷容限復(fù)合材料的強(qiáng)烈需求牽引著復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，而通過(guò)不斷提高碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料韌性的方法已經(jīng)很難滿足高損傷容限的要求。在此背景下，3D編織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片應(yīng)運(yùn)而生。
風(fēng)扇機(jī)匣
風(fēng)扇機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最大的靜止部件，它的減重將會(huì)直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比與效率。因此，國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)OEM也一直致力于風(fēng)扇機(jī)匣的減重與結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。如圖所示為國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣發(fā)展趨勢(shì)。
風(fēng)扇帽罩
因?yàn)槭欠侵鞒辛?gòu)件，風(fēng)扇帽罩是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上最先使用的復(fù)合材料制造的部件之一，使用復(fù)合材料制造的風(fēng)扇帽罩可以提供更輕的重量、簡(jiǎn)化的防冰結(jié)構(gòu)、更好的耐蝕性以及更優(yōu)異的抗疲勞性能。
目前，在R.R公司RB211發(fā)動(dòng)機(jī)、PW公司PW1000G、PW4000已經(jīng)采用樹(shù)脂基復(fù)合材料制備風(fēng)扇帽罩。
相比航空發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)，樹(shù)脂基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)短艙具有更廣闊的應(yīng)用空間，如圖所示。
展開(kāi) 使用ANSYS CFX為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)生更少噪聲的風(fēng)扇
Usanin, Aviadvigatel Perm
翻譯：上海安世亞太
前言
由于針對(duì)有害排放物和噪聲水平具有嚴(yán)格的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的公司正面臨著艱巨的任務(wù)——制造具有高生態(tài)效率的發(fā)動(dòng)機(jī)。為了滿足這些要求，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，以深入了解發(fā)生的情況，并確定導(dǎo)致這種行為的因素。對(duì)于高旁路比的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)扇級(jí)產(chǎn)生的聲噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)總噪聲水平的主要貢獻(xiàn)者。
針對(duì)這些噪聲要求，我們使用ANSYS CFX計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件來(lái)估算不同風(fēng)扇級(jí)幾何的氣動(dòng)和聲學(xué)效率。
圖1. 風(fēng)扇級(jí)幾何模型
幾何模型
為了開(kāi)發(fā)FEGV（風(fēng)扇出口導(dǎo)葉）的幾何，將FEGV中表面非定常壓差的區(qū)域平均振幅作為轉(zhuǎn)子-定子聲源的主要來(lái)源。振幅由風(fēng)扇級(jí)的三維非定常CFD計(jì)算獲得。參考文獻(xiàn)表明，使用該方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好一致性。
圖2. FEGV形狀
這種風(fēng)扇是為一種先進(jìn)的新型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的。將進(jìn)口導(dǎo)葉（IGV）和風(fēng)扇出口導(dǎo)葉（FEGV）按20%比例縮放，以縮小分析域的規(guī)模。結(jié)果域包含1個(gè)風(fēng)扇葉片通道、2個(gè)FEGV通道和4個(gè)IGV通道。網(wǎng)格模型由大約150萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。研究了四種不同幾何形狀的出口導(dǎo)葉。
選擇徑向設(shè)計(jì)（無(wú)傾角）作為初始幾何。具有20度和30度傾斜角的葉片分別被選作第二種和第三種幾何。具有沿著葉片高度的曲線軸的葉片選作第四種幾何類(lèi)型。
結(jié)果分析
所有的CFD計(jì)算都是在ANSYS CFX(CFX-5.6)中進(jìn)行的，因?yàn)樵撥浖鉀Q方案對(duì)非定常流動(dòng)有良好的效果。對(duì)風(fēng)扇級(jí)進(jìn)行了非定常CFD計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明：
葉片中表面的壓力與吸入面之間存在非定常壓差。然后對(duì)中表面的壓差進(jìn)行傅里葉變換。
展開(kāi) 【5/23更新】花了十年，申請(qǐng)了60多項(xiàng)專(zhuān)利，羅羅只是提升了一點(diǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇技術(shù)
羅爾斯·羅伊斯是英國(guó)著名的航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司，也是歐洲最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)，它研制的各種噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)廣為世界民用和軍用飛機(jī)所采用。
為了生產(chǎn)出更輕更強(qiáng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，就在幾個(gè)月前，羅爾斯·羅伊斯在超級(jí)潔凈的生產(chǎn)設(shè)施上通過(guò)擴(kuò)散焊接的方式進(jìn)行操作，成功在原子級(jí)別上融合三片鈦材料。為此，羅羅在全球申請(qǐng)了60多項(xiàng)專(zhuān)利。
用超塑成形工藝生產(chǎn)空心葉片，然后在溫度近1000°C的熔爐中，用氬氣使鈦材料膨脹。外側(cè)的兩片鈦板膨脹，中間層則被拉伸成Z字形，最終形成三維空心結(jié)構(gòu)，使葉片非凡強(qiáng)韌。
在此過(guò)程中，羅羅用先進(jìn)攝像機(jī)觀測(cè)數(shù)百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。每片葉片的測(cè)量精度達(dá)40微米，相當(dāng)于人類(lèi)頭發(fā)絲直徑的一半。用機(jī)器人掃描葉片表面，建立三維虛擬模型，用于確定所生產(chǎn)的葉片之間是否有任何差異。
羅羅花費(fèi)了十年時(shí)間，得到了一個(gè)穩(wěn)定的、能滿足精度要求的生產(chǎn)工藝。鈦合金空心風(fēng)扇葉片的生產(chǎn)涉及80多種工藝。最終，羅羅擁有了非常輕巧但極其堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。這種風(fēng)扇每秒吸入一噸空氣，可產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)85%以上的推力。
鈦合金風(fēng)扇葉片對(duì)于民航大型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率至關(guān)重要。每一片都是一件精美藝術(shù)品，也是羅羅在寬體機(jī)動(dòng)力市場(chǎng)保持領(lǐng)先的法寶之一。
羅羅到底有多牛？
英國(guó)羅爾斯·羅伊斯公司是一間百年老店，以燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)為核心，活躍在民用航空、國(guó)防、船舶和能源四個(gè)環(huán)球市場(chǎng)上。
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)有多難造？里面1600攝氏度在燒，外面一點(diǎn)都不燙手
如果全部使用統(tǒng)一耐高溫材料，那么單價(jià)就高了，經(jīng)濟(jì)性就差，對(duì)于商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)最好是又便宜又好用。
同理，除了渦輪葉片之外，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件所用的材料也是不一樣的，波音737使用的CFM-56發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪為高溫合金打造，其他部分有的使用了復(fù)合材料。目前比較流行的是樹(shù)脂基復(fù)合材料，普惠的F-119外涵道機(jī)匣就用這個(gè)材料，可耐400攝氏度溫度，而成本也可以得到控制。
加工精度高
如果有了先進(jìn)的材料和圖紙，也不代表能夠制造出一臺(tái)優(yōu)秀的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)榧庸すに囀亲詈蟮臄r路虎。一臺(tái)CFM-56發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑僅為1.55米，長(zhǎng)度為2.5米，如此小的空間內(nèi)要產(chǎn)生86千牛的推力，可想而知其加工工藝有多么復(fù)雜。
從小的方面看，以目前主流單晶渦輪葉片為例，精鑄工藝要求是0.1毫米的誤差，這樣才能保證每個(gè)葉片都可以正常工作。要讓各種合金材料放在一起加工，就需要掌握高溫合金的加工技巧和焊接工藝。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片在工作時(shí)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，工藝不到家就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)磨損很快，壽命不長(zhǎng)，直接影響經(jīng)濟(jì)性。
工藝的高要求同時(shí)也促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的效率，還是以葉片為例，GE公司搞了一種無(wú)縫對(duì)接式葉片，在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片外端有一個(gè)特殊材料制成的軟體，在葉片工作時(shí)可與外環(huán)結(jié)構(gòu)無(wú)縫對(duì)接，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。這樣的軟質(zhì)材料對(duì)加工工藝的要求是非常高的，不僅要保持穩(wěn)定性，還要經(jīng)濟(jì)、不用太多的保養(yǎng)。不然提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的同時(shí)，也加重了地勤的負(fù)擔(dān)，在經(jīng)濟(jì)帳上表現(xiàn)不夠明顯。
綜上，從逆向測(cè)繪、材料和加工工藝角度看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該說(shuō)是工業(yè)工程領(lǐng)域的皇冠，是一國(guó)科技實(shí)力的標(biāo)識(shí)。
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)有多難造？里面1600攝氏度在燒，外面一點(diǎn)都不燙手
如果全部使用統(tǒng)一耐高溫材料，那么單價(jià)就高了，經(jīng)濟(jì)性就差，對(duì)于商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)最好是又便宜又好用。
同理，除了渦輪葉片之外，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件所用的材料也是不一樣的，波音737使用的CFM-56發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪為高溫合金打造，其他部分有的使用了復(fù)合材料。目前比較流行的是樹(shù)脂基復(fù)合材料，普惠的F-119外涵道機(jī)匣就用這個(gè)材料，可耐400攝氏度溫度，而成本也可以得到控制。
加工精度高
如果有了先進(jìn)的材料和圖紙，也不代表能夠制造出一臺(tái)優(yōu)秀的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)榧庸すに囀亲詈蟮臄r路虎。一臺(tái)CFM-56發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑僅為1.55米，長(zhǎng)度為2.5米，如此小的空間內(nèi)要產(chǎn)生86千牛的推力，可想而知其加工工藝有多么復(fù)雜。
從小的方面看，以目前主流單晶渦輪葉片為例，精鑄工藝要求是0.1毫米的誤差，這樣才能保證每個(gè)葉片都可以正常工作。要讓各種合金材料放在一起加工，就需要掌握高溫合金的加工技巧和焊接工藝。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片在工作時(shí)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，工藝不到家就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)磨損很快，壽命不長(zhǎng)，直接影響經(jīng)濟(jì)性。
工藝的高要求同時(shí)也促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的效率，還是以葉片為例，GE公司搞了一種無(wú)縫對(duì)接式葉片，在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片外端有一個(gè)特殊材料制成的軟體，在葉片工作時(shí)可與外環(huán)結(jié)構(gòu)無(wú)縫對(duì)接，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。這樣的軟質(zhì)材料對(duì)加工工藝的要求是非常高的，不僅要保持穩(wěn)定性，還要經(jīng)濟(jì)、不用太多的保養(yǎng)。不然提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的同時(shí)，也加重了地勤的負(fù)擔(dān)，在經(jīng)濟(jì)帳上表現(xiàn)不夠明顯。
綜上，從逆向測(cè)繪、材料和加工工藝角度看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該說(shuō)是工業(yè)工程領(lǐng)域的皇冠，是一國(guó)科技實(shí)力的標(biāo)識(shí)。
展開(kāi) 
航空發(fā)動(dòng)機(jī)是怎么分類(lèi)的？為什么戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)不好造？
（渦輪還有其他作用，但我們今天只講主要矛盾）
從游泳說(shuō)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)。
游泳大家都游過(guò)，
但是游泳跟航空發(fā)動(dòng)機(jī)有什么關(guān)系呢？
我想問(wèn)，大家有沒(méi)有一種在水里游泳“使不上勁”的感覺(jué)？
簡(jiǎn)單說(shuō)，你拿手拼命劃拉水，但是水都從指縫之間溜走了，
所以才會(huì)覺(jué)得使不上勁。
那么怎么辦呢？
很簡(jiǎn)單，用腳蹼。
穿上腳蹼游泳更“得勁”
穿上之后立馬游泳速度唰唰地。
這是為什么呢？
原因是這樣的：
你拍打四肢，
把水往后推，獲得一個(gè)向前的力，
如果你穿上腳蹼，腳蹼大，可以帶動(dòng)更多的水，
因?yàn)槟隳馨迅嗟乃笸疲詴?huì)獲得更大的向前的力，
航空發(fā)動(dòng)機(jī)也是一樣，
渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)把空氣往后推，
只有把更多的空氣往后推，航空發(fā)動(dòng)機(jī)才更容易向前進(jìn)。
你穿上腳蹼之后游泳更省力；
航空發(fā)動(dòng)機(jī)穿上“腳蹼”之后飛行更省油。
所以游泳和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的原理有相通的地方。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)也要穿腳蹼，而且穿的腳蹼越大，越省油。
有的發(fā)動(dòng)機(jī)不戴腳蹼，
就是小胳膊瞎劃拉，
好好的燃?xì)舛贾苯訃姵鋈チ耍?所以費(fèi)油的不行，
我們叫這種發(fā)動(dòng)機(jī)“渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)”
命名規(guī)則：渦輪+噴氣->渦噴。
有的發(fā)動(dòng)機(jī)穿上了小腳蹼——“風(fēng)扇”，
就跟我們平時(shí)用的電風(fēng)扇差不多的東西，
航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的“風(fēng)扇”
發(fā)動(dòng)機(jī)的分解圖，藍(lán)色部分展示的是渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)
渦輪跟風(fēng)扇連在一起，燃?xì)獯祫?dòng)渦輪帶著風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。
風(fēng)扇不大，攪動(dòng)的空氣不多，所以一般省油，
我們叫渦輪帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)“渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)”，
命名規(guī)則：渦輪+風(fēng)扇->渦扇。
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)是怎么分類(lèi)的？為什么戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)不好造？
（渦輪還有其他作用，但我們今天只講主要矛盾）
從游泳說(shuō)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)。
游泳大家都游過(guò)，
但是游泳跟航空發(fā)動(dòng)機(jī)有什么關(guān)系呢？
我想問(wèn)，大家有沒(méi)有一種在水里游泳“使不上勁”的感覺(jué)？
簡(jiǎn)單說(shuō)，你拿手拼命劃拉水，但是水都從指縫之間溜走了，
所以才會(huì)覺(jué)得使不上勁。
那么怎么辦呢？
很簡(jiǎn)單，用腳蹼。
穿上腳蹼游泳更“得勁”
穿上之后立馬游泳速度唰唰地。
這是為什么呢？
原因是這樣的：
你拍打四肢，
把水往后推，獲得一個(gè)向前的力，
如果你穿上腳蹼，腳蹼大，可以帶動(dòng)更多的水，
因?yàn)槟隳馨迅嗟乃笸疲詴?huì)獲得更大的向前的力，
航空發(fā)動(dòng)機(jī)也是一樣，
渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)把空氣往后推，
只有把更多的空氣往后推，航空發(fā)動(dòng)機(jī)才更容易向前進(jìn)。
你穿上腳蹼之后游泳更省力；
航空發(fā)動(dòng)機(jī)穿上“腳蹼”之后飛行更省油。
所以游泳和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的原理有相通的地方。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)也要穿腳蹼，而且穿的腳蹼越大，越省油。
有的發(fā)動(dòng)機(jī)不戴腳蹼，
就是小胳膊瞎劃拉，
好好的燃?xì)舛贾苯訃姵鋈チ耍?所以費(fèi)油的不行，
我們叫這種發(fā)動(dòng)機(jī)“渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)”
命名規(guī)則：渦輪+噴氣->渦噴。
有的發(fā)動(dòng)機(jī)穿上了小腳蹼——“風(fēng)扇”，
就跟我們平時(shí)用的電風(fēng)扇差不多的東西，
航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的“風(fēng)扇”
發(fā)動(dòng)機(jī)的分解圖，藍(lán)色部分展示的是渦輪驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)
渦輪跟風(fēng)扇連在一起，燃?xì)獯祫?dòng)渦輪帶著風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。
風(fēng)扇不大，攪動(dòng)的空氣不多，所以一般省油，
我們叫渦輪帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)“渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)”，
命名規(guī)則：渦輪+風(fēng)扇->渦扇。
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)360度整機(jī)數(shù)值模擬——超算助力工業(yè)仿真邁向系統(tǒng)級(jí)高保真時(shí)代
背景
數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和研制領(lǐng)域，數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用可以有效地提高設(shè)計(jì)精度，減少實(shí)驗(yàn)迭代次數(shù)和開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高研究效率和質(zhì)量。
目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，部件級(jí)仿真技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)非常成熟，有效促進(jìn)了航發(fā)部件的設(shè)計(jì)。然而時(shí)至今日，航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的仿真依舊面臨較大挑戰(zhàn)。
首先整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)包含風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪等多個(gè)部件，使得整機(jī)仿真對(duì)網(wǎng)格和計(jì)算規(guī)模的要求遠(yuǎn)超以往；其次，部件復(fù)雜幾何、高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及無(wú)處不在的多尺度流動(dòng)，對(duì)網(wǎng)格功能與性能提出苛刻的要求；第三，核心能量轉(zhuǎn)化部件燃燒室內(nèi)多相、噴霧、燃燒、傳熱、聲學(xué)等多物理化學(xué)過(guò)程強(qiáng)烈耦合，給求解器開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大難度。最后，上述三點(diǎn)導(dǎo)致航發(fā)仿真求解器在大規(guī)模并行時(shí)難以獲得令人滿意的并行效率，從而無(wú)法真正利用超級(jí)計(jì)算機(jī)資源。
應(yīng)用概述
我們開(kāi)創(chuàng)性地在“神威·太湖之光”超級(jí)計(jì)算機(jī)上基于swOpenFoam完成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)模擬。如圖1所示，目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)由2個(gè)軸、2級(jí)風(fēng)扇、10級(jí)壓氣機(jī)、一個(gè)短環(huán)形燃燒室，和7級(jí)渦輪組成。
網(wǎng)格總量在業(yè)界首次達(dá)到
50億
，
并行規(guī)模達(dá)到
65336個(gè)MPI進(jìn)程
，
強(qiáng)擴(kuò)展性測(cè)試中66560核相對(duì)8320核
并行效率保持在80%以上
。在“神威·太湖之光”上投入的
總核數(shù)為400萬(wàn)核
，持續(xù)運(yùn)算性能高達(dá)
1384 DP-GFLOP/s
。
圖1 目標(biāo)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)模型
挑戰(zhàn)
1
航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真并行規(guī)模和問(wèn)題規(guī)模難以增長(zhǎng)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真并行規(guī)模和問(wèn)題規(guī)模難以增長(zhǎng)有多方面的原因。
展開(kāi) 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī) - 風(fēng)扇和壓縮機(jī)部分與殼體 ￥10
渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī) - 風(fēng)扇和壓縮機(jī)部分與殼體
渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是基本燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的最現(xiàn)代變體。在渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，核心發(fā)動(dòng)機(jī)前部由風(fēng)扇包圍，后部由附加渦輪機(jī)包圍。風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)渦輪機(jī)由許多葉片組成，如核心壓縮機(jī)和核心渦輪機(jī)，并連接到一個(gè)附加的軸。
- 模型已在 Siemens NX 上創(chuàng)建。
- 通過(guò)將 CSYS 與 CSYS 作為接口對(duì)齊來(lái)創(chuàng)建約束。
- 此外，螺紋是使用 WAVE Geometry Linker 創(chuàng)建的。
- 所有組件均采用 STL 格式，用于 3D 打印工藝。
顯示簡(jiǎn)要信息...
展開(kāi) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的相關(guān)專(zhuān)題、標(biāo)簽、搜索
航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)鳥(niǎo)撞航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣 航空航天綜合 航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇噪聲航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片建模航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸流風(fēng)扇噪聲航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇噪聲仿真航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子模態(tài)分析
