王保國，王　偉，黃偉光，徐燕驥，譚春青

(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.中國鐵建中非萊基投資有限公司，北京 100855；3.中國科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201203；4.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190)

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民用航空渦扇發(fā)動機設(shè)計的法律及氣動問題*

王保國1，王偉2，黃偉光3，徐燕驥3，譚春青4

(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081；2.中國鐵建中非萊基投資有限公司，北京 100855；3.中國科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201203；4.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190)

低污染、低噪音、低油耗和大功率已成為現(xiàn)代民用航空發(fā)展的奮斗目標。低污染與低噪音在國際上十分重視并已有明確與嚴格的法律規(guī)定，而低油耗和大功率涉及到飛機飛行的經(jīng)濟性。為了實現(xiàn)上述目標，各國航空設(shè)計者和法律工作者都做了許多努力。文中從氣動設(shè)計的角度，針對低污染燃燒室和低噪音尾噴口設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了深入的研究，其中許多措施可用于指導(dǎo)這類發(fā)動機的設(shè)計。另外，從法律的角度深入探討了在航空領(lǐng)域國際上十分重視發(fā)動機污染物的排放以及噪音限制的社會緣由與法律淵源。文中還通過回顧航天科學(xué)中國際上制定的一系列對地球大氣層以及外層空間保護的國際法律文件，得出如下結(jié)論：無論是在航空科學(xué)還是在航天科學(xué)的研究中，保護大氣層環(huán)境不被污染與損害是飛機發(fā)動機燃燒室與航天器燃燒設(shè)計者必須要考慮的首要因素，是不可推卸的社會責(zé)任。

大涵道比；大型客機；渦扇發(fā)動機設(shè)計；法律法規(guī)

0　引　言

隨著全球航空運輸業(yè)的飛速發(fā)展，國際社會對環(huán)境保護問題越來越關(guān)注，并且使得飛機發(fā)動機排放污染問題和飛機噪聲限制問題的研究變得十分重要[1-3]。如今，對于一個合格的飛機或航空發(fā)動機設(shè)計者來講，除了對常規(guī)的氣動設(shè)計和強度計算必須要熟練掌握之外，另外還應(yīng)該具備系統(tǒng)學(xué)和系統(tǒng)工程方面的基礎(chǔ)知識[4-5]，尤其是應(yīng)該具備錢學(xué)森先生一直倡導(dǎo)的人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程方面的相關(guān)知識[6-7]。因此從這個意義上講，對于一個從事民用航空的飛機或發(fā)動機設(shè)計者來講，針對民用航空發(fā)動機在“安全性，經(jīng)濟性，環(huán)保性，舒適性”等方面的特殊要求，深刻地認識飛機發(fā)動機排放所造成污染的危害性以及深入了解噪聲限制的社會緣由是非常必要的。只有這樣，設(shè)計工作者才能從原始設(shè)計中考慮相關(guān)的影響因素，才能有效地減少發(fā)動機排氣污染和降低飛機發(fā)動機的噪聲，保護人類賴以生存的大氣環(huán)境。

文中以當(dāng)前大型民用飛機中所廣泛采用的渦扇發(fā)動機設(shè)計為切入點，從法律與環(huán)境保護的角度以及常規(guī)的氣動設(shè)計角度詳細地討論了這類發(fā)動機設(shè)計中應(yīng)該關(guān)注的幾個關(guān)鍵問題，使飛行器與發(fā)動機設(shè)計者更深刻地認識到堅持“低污染，低噪音，低油耗和大功率”的方向才是發(fā)展現(xiàn)代民用航空的目標。

1)飛機廢氣排放的污染問題不可忽視。隨著全球航空運輸業(yè)的飛速發(fā)展，民航產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占全球GDP的份額在不斷增長，據(jù)國際民用航空組織(The International Civil Aviation Organization，簡稱ICAO)和國際航空運輸協(xié)會(the International Air Transport Association，簡稱IATA)公布的數(shù)據(jù)表明：當(dāng)今世界民用航空年均產(chǎn)值總數(shù)已達到4000億美元[8]，民航業(yè)產(chǎn)值占全球GDP的9%，每年運送超過20億的乘客和4 100萬噸貨物和郵件[9]，另外，ICAO的環(huán)境保護委員會第六次會議(CAEP/6)預(yù)測，2000年到2020年全球航空運輸業(yè)還將有4.3%的年增長率。

飛機是屬于移動的排放源，其排放領(lǐng)域已通過航線網(wǎng)絡(luò)擴展到全球，遠遠超出國別范疇，因此國際社會對飛機排放污染問題是十分關(guān)注的。飛機是能源消耗和廢氣排放量相當(dāng)驚人的運輸工具，以當(dāng)今世界上最大的運輸機空中客車A380為例，它可載運550名旅客，其發(fā)動機功率相當(dāng)于3 500輛轎車。而一架噴氣式客機從英國倫敦飛到澳大利亞悉尼所消耗的油料相當(dāng)于400輛大眾牌越野汽車(Vokwagenpolos)各自行駛1.6萬多公里所消耗的能源，因此從商用飛機的能源消耗以及相應(yīng)廢氣排放的人均公里(each passenger-kilometer)標準來看，它要比任何一款汽車高的多得多[8]。預(yù)計到2025年全世界空中客車運輸機總量將達到1 500架。到那時，全世界航空客機數(shù)量達2.2萬架，其噴出CO2相當(dāng)于500萬輛汽車排放的CO2.另外，現(xiàn)在全球每年汽車產(chǎn)量大約是6 000萬輛，而正在世界各地公路上行駛的汽車有10億輛。假設(shè)每輛汽車平均每天大約行駛1 h，而遠航線飛機每天飛行至少10 h，它們每天燃燒的油料所產(chǎn)生上百萬噸CO2直接進入地球大氣層，因此這種巨量的廢氣排放將嚴重影響了天氣狀況，污染了大氣環(huán)境，成為了溫室氣體(greenhouse gases)的來源之一。

2)推進系統(tǒng)和飛機機體的噪聲問題十分突出。2003年10月，協(xié)和號超聲速飛機完成最后一次飛行后告別了藍天。30多年來，協(xié)和號飛機一直只能飛越無人區(qū)的大西洋海域，不能在其他地區(qū)飛行，其主要原因是該飛機飛行時產(chǎn)生的巨大的噪音干擾。飛機噪音問題是城市環(huán)境污染的重要問題之一，早在1952年5月首架噴氣發(fā)動機商業(yè)飛機在英國開始投入飛行之時便引起了當(dāng)?shù)鼐用駥host(鬼怪)飛機產(chǎn)生的巨大噪聲的強烈不滿，在飛機出沒的地方經(jīng)常發(fā)生飛機噪聲的侵擾與城市公眾反侵擾之間的斗爭。1969年，在ICAO的主持下，由美，英，法等主要民航運輸國參加，成立了飛機噪聲委員會(CAN)，負責(zé)處理世界范圍的逐步升級的機場噪聲問題。1997年NASA制定出在10 a之內(nèi)將飛機噪聲減少10 dB的目標。正是由于世界各國對飛機噪聲引起的城市環(huán)境污染十分重視，再加上飛機制造技術(shù)與噪聲控制技術(shù)的不斷提高，使得一般噴氣客機噪聲降低有了明顯的進展，實現(xiàn)了每十年減低10 dB的降噪效果，對乘客和地面的影響有了很大的改善。

近幾年，中國擴建、改建和新建的各類機場數(shù)量劇增，2003年中國民航運輸量已躍居世界第三位，中國已成為民航運輸大國。這里應(yīng)說明的是，目前中國的大、中型客機幾乎全部依賴進口，民航運輸大國并不等于中國已成為民航技術(shù)強國，為此2007年8月中國批準了《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》，其中大型民用客機正式列為重大專項。

3)渦扇發(fā)動機—大型客機選用的動力裝置。目前，世界干線客機的動力100%采用渦扇發(fā)動機，這種狀態(tài)在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)不會有根本的變化[10]。正是出于這種考慮，文中選用了渦扇發(fā)動機的設(shè)計作為討論的對象與切入點。作為大型客機的動力裝置，渦扇發(fā)動機的主要優(yōu)勢在于：它不僅能提供較快的飛行速度，而且具有良好的經(jīng)濟性、安全性、可靠性和維修性，即具有高循環(huán)參數(shù)、低油耗率、低污染、低噪聲、高可靠性和長壽命等特征，它代表了一個國家民用航空發(fā)動機技術(shù)的技術(shù)水平，它可以滿足ICAO提出的環(huán)保等方面的要求。

1　國際上對環(huán)境噪聲以及污染排放的相關(guān)法規(guī)

1.1對大型客機適航噪聲限制的規(guī)定

飛機的噪聲是指飛機飛行時存在的各種噪聲源的聲輻射總和，其來源主要有2類：①推進系統(tǒng)的噴流噪聲；②飛機的機體噪聲和聲爆(合稱氣動噪聲)。飛機噪聲就其實質(zhì)而言起因于飛機內(nèi)部的脈動質(zhì)量源(單極子噪聲源)、作用力的空間梯度(偶極子噪聲源)以及應(yīng)力張量的變化(四極子噪聲源)。早在20世紀50年代，航空發(fā)動機噴流噪聲的發(fā)聲理論就由Lighthill提出。對于亞聲速流，利用Lighthill理論得到的計算結(jié)果與飛行測量數(shù)據(jù)相符合。但是噪聲在110 dB時，由于出現(xiàn)非線性、到130 dB時非線性變得更加嚴重，因此這時用Lighthill的理論計算便很難去預(yù)示強聲場，為此這時國內(nèi)外一直采用冷、熱流縮比模型試驗和實測去獲取這時的數(shù)據(jù)。對渦輪噴氣發(fā)動機當(dāng)采用冷熱縮比模型試驗時，其頻譜誤差在±2 dB之內(nèi)，試驗結(jié)果相當(dāng)準確。從機理上講，噴流噪聲是由于噴流與靜止空氣的剪切流產(chǎn)生的旋渦所造成，它反映了壓力脈動(fluctuating pressure)的作用，因此壓力脈動與邊界層的轉(zhuǎn)捩點、當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)、物型和表面狀態(tài)等因素有關(guān)。另外亞聲速噴流噪聲的聲功率W為[11]

(1)

長期以來，飛機噪聲問題一直是城市環(huán)境污染問題之一。早在20世紀50年代首架裝有噴氣發(fā)動機的商用飛機在英國投入飛行時，就引起當(dāng)?shù)鼐用駥γ裼肎host飛機所產(chǎn)生的巨大噪聲深感不滿，為此在有飛機出沒的地方就時常出現(xiàn)飛機噪聲的侵擾與城市公眾的反侵擾斗爭。1969年，在國際民航組織(ICAO)的主持下由美、英、法等主要民航運輸國家參加，成立了飛機噪聲委員會(CAN)，負責(zé)處理世界范圍內(nèi)逐步升級的機場噪聲問題。事實上，美國紐約港務(wù)局早在1951年就明文規(guī)定：“未經(jīng)允許，任何噴氣式飛機不得在機場起降”。另外，在ICAO的主持下，參照1944年在芝加哥召開的國際民航大會第37款之規(guī)定，1971年4月2日會議首次通過了飛機噪聲標準以及推薦實施辦法，并指定為大會的附件16.在1971年至1981年的十年間，曾對ICAO附件16進行了4次修訂，并公布了3個版本。此外，隨著飛機發(fā)動機排污控制方面標準以及推薦實施辦法的制定與修訂，有必要將有關(guān)環(huán)境保護方面的決議形成獨立的章程。鑒于此，在1981年召開的ICAO第六次飛機噪聲委員會會議上，通過了將附件16更名為“EnvironmentalProtection”的決議。同時，還通過了將1978年頒布的附件16(第3版)即“AircraftNoise”保留并作為新附件16的第一卷的決議，而第二卷則包括了有關(guān)飛機發(fā)動機排污方面的各項決議。在這之后，附件16的第一卷共進行了7次修訂。每一次的修訂，幾乎都涉及了對測試程序的更新，而與亞聲速噴氣飛機相關(guān)的主要在第7次修訂中，并且對渦噴飛機與重型螺旋槳飛機提出了更為嚴格的噪聲要求，形成了新的第四章，這也就是學(xué)界通常講的第四階段噪聲限制。圖1給出了不同年代生產(chǎn)的大型客機適航噪聲水平的發(fā)展趨勢，基本上海每10a大型客機適航噪聲約降低6EPNdB(這里的EPNdB代表“有效感覺噪聲分貝”)，到2016年大型客機適航噪聲將比第四階段噪聲限制低18EPNdB以上。這里應(yīng)特別說明的是：A380客機已在2010年前就實現(xiàn)了比第4階段噪聲限制低18EPNdB的要求，它代表了當(dāng)前在降噪方面最高的技術(shù)水平。對于大型客機適航噪聲水平的發(fā)展趨勢可用如下3點概括

1)在1968年左右，亞聲速噴氣飛機的適航噪聲總體水平已經(jīng)滿足了第三階段噪聲限制的要求，而在1977年開始ICAO要求各國執(zhí)行第三階段噪聲限制；

2)在1986年左右，亞聲速噴氣客機的適航噪聲總體水平就已經(jīng)滿足了第四階段噪聲限制的要求，因此在2001年提出了第四階段噪聲限制，并在2006年開始執(zhí)行；

3)在2002年左右，亞聲速噴氣客機的適航噪聲總體水平就已經(jīng)比第四階段噪聲限制要求低10EPNdB，因此今年ICAO有可能提出第五階段噪聲限制。

圖1　不同年代生產(chǎn)的大型客機適航噪聲水平的發(fā)展趨勢Fig.1　Development trend of the noise level for large aircraft in different years

近些年，許多國家的大型機場都提出了各自的噪聲限制、運營配額或噪聲罰款，尤其是對于夜間(23：00～7：00)時對起降的飛機提出了嚴格的限制。另外，一些國家(例如英國)還采用了QC(即Quota Count)等級見表1，根據(jù)QC等級的不同，不同飛機在夜間的限飛時間也不同，越安靜的飛機獲得的許可飛行的時間越長，反之越短，例如等級為QC/8與QC/16的飛機在23：00～7：00期間是禁飛的。換句話說，為了降低機場周圍的噪聲，應(yīng)該使飛機的QC等級降低。

表1　QC與EPNdB的關(guān)系

1.2對客機污染排放限制的規(guī)定

1.2.1低污染排放燃燒室的典型實例及限排標準

民用航空發(fā)動機污染排放物包括氮氧化物(NOx)，一氧化碳(CO)，未燃碳氫(UHC)和冒煙(Smoke)等，其危害主要分為2大類，一類是對局部空氣質(zhì)量(Local Air Quality)的影響，即對機場附近的乘客、機場工作人員和周圍居民的健康造成傷害；另一類是對全球氣候的變化(Global Climate Change)產(chǎn)生影響。為了提高發(fā)動機的整機效率，必然會導(dǎo)致燃燒室工作壓力和溫度的提高，致使NOx成為最難控制的污染物。另外，雖然航空發(fā)動機的排放只占全球熱動力裝置中燃燒污染排放的一小部分，但它具有排放地域和空域集中的特點，因此美國從20世紀70年代就開始執(zhí)行一系列國家大型計劃支持民機低排放燃燒室的基礎(chǔ)研究與技術(shù)驗證工作。國外幾十年的研究表明，美國已經(jīng)取得了每15 a NOx排放降低50%的效果，而且新一代的低排放燃燒室已經(jīng)達到了實用級別的技術(shù)成熟度。應(yīng)該講，在全球范圍內(nèi)美國的民用航空低排放燃燒室的設(shè)計技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，例如GE公司研制的GEnx-1B和GEnx-2B發(fā)動機就是典型例證?；谪氂腿紵夹g(shù)所采用的雙環(huán)預(yù)混旋流器燃燒室(TAPS)已經(jīng)應(yīng)用于型號并已經(jīng)取證，實驗已證實該設(shè)計達到了超低排放的標準并且證明了貧油燃燒的發(fā)展?jié)摿?。另外，GEnx發(fā)動機主要用于即將投入使用的波音787“夢幻飛機”。由于該發(fā)動機采用了高涵道比(10)與高總壓比(45)以及高效率的部件，使得其耗油率比1999年投入使用的GE90-94B發(fā)動機降低了6.9%.

到目前為止，ICAO已經(jīng)公布了關(guān)于民用航空發(fā)動機限排標準的幾個版本，從2014年開始，執(zhí)行CAEP/8(Committee on Aviation Environmental Protection/8)標準，它對NOx排放提出了更嚴格的限制。針對航空NOx污染排放的限制，2010年ICAO提出對于增壓比為30的民用航空發(fā)動機，中期(到2016年)目標為較CAEP/6標準低45%，遠期(到2026年)比CAEP/6標準低60%[12]，另外，美國國家航空航天局(NASA)針對亞聲速固定翼民用飛機提出了N+1，N+2和N+3的概念，分別要求在2015年、2020年和2025年將民用航空發(fā)動的NOx排放比現(xiàn)引標準CAEP/6降低60%，75%和75%以上[13]；歐盟在2000年提出到2020年NOx的排放比CAEP/2降低80%的設(shè)想。另外歐盟還在2010年提出到2050年NOx的排放較2000年進一步降低90%的設(shè)想。

1.2.2低排放燃燒室的定義以及燃燒室的劃代

根據(jù)適航法規(guī)以及發(fā)展目標，按照NOx減排程度可將民用航空低排放燃燒室分為3個等級：以CAEP/6為基準，減少30%～50%為低排放(Low Emissions，LE)；減少50%～75%為超低排放(Ultra-Low Emissions，ULE)；減少75%以上稱為超超低排放(Super Ultra-Low Emissions，SULE)。另外，國外還按照NOx排放水平的高低對民用航空低排放燃燒室進行了劃代：第一代是指常規(guī)單環(huán)腔燃燒室(SAC)，亦可稱為低排放燃燒室的前身(PreLEC)；第二代是指常規(guī)燃燒室基礎(chǔ)上發(fā)展出來的低排放燃燒室(LEC)，它基本上是采用了富油-焠熄-貧油(RQL)技術(shù)；第三代是指采用了貧油燃燒技術(shù)的雙環(huán)腔燃燒室(DAC)；第四代是指20世紀90年代后開始發(fā)展的比第三代排放低40%以上的低排放燃燒室，例如P&W公司的TALON(Technology for Advanced Low NOx)系列低排放燃燒室，GE公司的TAPS以及R&R公司的ANTLE都屬于這一代[14]。

1.3航空航天科學(xué)的發(fā)展不可忽視地球與太空環(huán)境的保護

20世紀60年代以來，隨著世界各國工業(yè)化的發(fā)展和人類對自然資源的索取與開發(fā)，空氣污染嚴重、臭氧層變薄甚至出現(xiàn)空洞、大氣層出現(xiàn)溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球氣候變暖對自然生態(tài)和人類生存環(huán)境產(chǎn)生了顯著影響；水資源十分短缺而且受到嚴重污染；土壤狀況由于受侵蝕、鹽堿化和荒漠化而惡化；森林資源以及動植物物種與其棲息地急劇減少，人類地球環(huán)境在不斷惡化，因此國際環(huán)境問題已引起全世界的關(guān)注。

1.3.1對地球大氣層的法律保護

國際上為應(yīng)對遠程跨界大氣污染，防止人類活動對大氣環(huán)境造成破壞，因此1979年就締結(jié)了歐洲國家間的《長程跨界大氣污染公約》(英文縮寫為LRTAP公約)，這是世界上第一個面對空氣污染問題而制定的公約，締約國主要是歐洲國家以及美國和加拿大。從1984年到1999年間，締約方在LRTAP公約的框架下先后簽訂了8個協(xié)議書，例如《關(guān)于削減硫氧化物排放至少30%的協(xié)定書》(1985年)、《關(guān)于削減氮氧化物排放的議定書》(1988年)、《關(guān)于削減揮發(fā)性有機化合物排放的議定書》(1991年)等。關(guān)于臭氧層保護問題，在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的主持下各國于1985年在維也納達成了《保護臭氧層維也納公約》(1985年)，1987年在蒙特利爾通過了《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》(1987年)，這個議定書又分別于1990年、1992年和1999年進行了4次修訂，5次調(diào)整受控物質(zhì)，應(yīng)該講這個議定書是國際環(huán)境保護公約史上的一個里程碑。當(dāng)然飛機在大氣層中的飛行也應(yīng)該遵守這些國際公約列出的法規(guī)。另外，關(guān)于全球氣候變化的應(yīng)對問題，1992年達成了聯(lián)合國《氣候變化框架公約》、1997年通過了《京都議定書》等。

1.3.2對外層空間的法律保護

對外層空間環(huán)境問題，1963年聯(lián)合國通過了《各國探索和利用外層空間活動的法律原則宣言》的第1962號決議(簡稱為1963年《外空宣言》)；1966年聯(lián)合國又通過了《關(guān)于各國探索和利用包括月球和其他天體在內(nèi)的外層空間活動原則條約》，該條約因1967年10月生效，因此常簡稱為1967年《外空條約》。毫無疑問，人類進行航天探索應(yīng)遵守這些條約。文獻[7]第334頁～第339頁詳細給出了空間環(huán)境保護的法律淵源與基本原則，給出了空間發(fā)展的3個階段以及硬法與軟法共治的法治框架，文中因篇幅有限對此不作討論。事實上，在ICAO的主持下民用航空制定的一些適航條件都是在上述國際公約和國際宣言的框架指導(dǎo)下制定的，實現(xiàn)環(huán)境友好飛行是ICAO的一項基本宗旨[15]。

2　民用航空渦扇發(fā)動機氣動設(shè)計的基本策略和關(guān)鍵技術(shù)

民用航空渦扇發(fā)動機氣動設(shè)計的基本策略是發(fā)動機的設(shè)計應(yīng)遵循人機環(huán)境安全工程原理中給出的系統(tǒng)總體評價的4項指標[16-17]，即實現(xiàn)“安全、環(huán)保、高效、經(jīng)濟”四項指標的前提下進行民用航空渦扇發(fā)動機的氣動設(shè)計。對于民用航空渦扇發(fā)動機來講，發(fā)動機的噪音和發(fā)動機排氣的污染直接影響著“環(huán)?！迸c“安全”這2大指標。如果指標達不到，民航客機不滿足適航條件，飛機就不能在機場正常起落，因而這樣的客機就喪失了基本的生命力，失去了存在的價值。毫無疑問，實現(xiàn)環(huán)境友好飛行，既是國際民航組織的一項基本宗旨，也是民用航空發(fā)動機設(shè)計的基本原則，設(shè)計人員不可忽視。21世紀大型渦扇發(fā)動機的發(fā)展充滿著強勁的活力，GE公司的GEnx發(fā)動機和R&R公司的Trent 1000系列發(fā)動機代表了當(dāng)前大推力渦扇發(fā)動機的頂級水平。由于這兩型發(fā)動機采用了高的循環(huán)參數(shù)和一系列先進的技術(shù)，發(fā)動機的性能全面達到了相當(dāng)高的水平(即具有高循環(huán)參數(shù)、低油耗率、低污染、低噪聲、高可靠性和長壽命等顯著特點)，能夠滿足波音787飛機的要求，為“綠色航空”做出了重大貢獻。

2.1加強風(fēng)扇噪聲的產(chǎn)生和傳播機理以及控制方法的研究

美國和歐洲自20世紀60年代就開始開展風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生和傳播機理以及控制方法的研究，經(jīng)過幾十年的研究，目前對風(fēng)扇離散噪聲產(chǎn)生的機理有了相當(dāng)深入的了解，尤其是近20年來，在風(fēng)扇離散噪聲預(yù)測技術(shù)和控制技術(shù)方面取得了很大的進展，使得當(dāng)代高性能風(fēng)扇離散噪聲及其前傳噪聲水平有了大幅度的降低。相比之下在風(fēng)扇寬頻噪聲的預(yù)測技術(shù)以及風(fēng)扇后傳噪聲的控制上還有相當(dāng)大的挖掘潛力。隨著對風(fēng)扇噪聲設(shè)計水平要求的不斷提高，國際上已將噪聲應(yīng)用基礎(chǔ)研究的重點放在了結(jié)合先進的CFD技術(shù)，發(fā)展能夠更準確的預(yù)測離散噪聲(Tone Noise)和寬頻噪聲(broadband Noise)產(chǎn)生與傳播的各種先進數(shù)值模擬技術(shù)上。事實上，噪聲的可靠分析和預(yù)測強烈地依賴于CFD計算結(jié)果的可靠性。鑒于風(fēng)扇/壓氣機內(nèi)部的流動十分復(fù)雜，而且在未來相當(dāng)長時間里也難以發(fā)展出普適的湍流模式。另外，目前湍流轉(zhuǎn)捩模型的研究也很不成熟，因此很難準確模擬出葉輪機械中的許多復(fù)雜的流動現(xiàn)象，所以如何快速預(yù)測出噪聲聲場一直是計算聲學(xué)領(lǐng)域努力的方向。目前國際上重點圍繞以下4個方面展開研究工作[18]

1)評估當(dāng)前CFD技術(shù)對各種離散噪聲源的預(yù)測能力，研究將預(yù)測的寬頻噪聲源加入到CFD技術(shù)中的可行性；

2)發(fā)展CFD技術(shù)與聲傳播和輻射計算的接口技術(shù)，以及從聲源到遠場的全聲場預(yù)測技術(shù)；

3)利用試驗測量結(jié)果校驗與完善上述模型和技術(shù)；

4)發(fā)展低噪聲風(fēng)扇設(shè)計的新概念、新方法和新設(shè)計技術(shù)。

2.2污染物控制的基本原理以及幾種低污染燃燒技術(shù)

在燃燒理論中[19-22]，常規(guī)燃燒室多采用富油燃燒模式并且以擴散燃燒為主，燃燒組織常沿著一條溫度逐漸升高而后再下降的方式運行，這樣便會導(dǎo)致主燃區(qū)高溫燃燒區(qū)域大、停留時間長，NOx排放量大而且出口前NOx的消減反應(yīng)很慢，因此常規(guī)燃燒室不容易滿足低NOx的排放要求。在航空發(fā)動機燃燒室中，溫度是決定NOx排放的首要因素。通常，在理想的平衡系統(tǒng)中，高溫燃燒NOx生成量最大，在貧油和富油燃燒時都會減少，而且NOx峰值都會處在化學(xué)恰當(dāng)比偏貧一側(cè)。上述這些特點就為航空發(fā)動機低排放燃燒室的研制提供了最基本的理論依據(jù)。

目前已研發(fā)出3種低污染燃燒技術(shù)，即富油-焠熄-貧油燃燒(RQL)[23]。貧油預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒(LPP)[24]以及貧油直接噴射燃燒(LDI)[25-26]。盡管上述這些低污染的燃燒技術(shù)，有些已經(jīng)用于型號的研發(fā)、實驗取證，并且已經(jīng)表明這些低污染燃燒技術(shù)在降低NOx排放方面具有巨大的潛力，但這些技術(shù)也面臨著諸多新挑戰(zhàn)：這是由于航空發(fā)動機燃燒室中，復(fù)雜的霧化、混合、反應(yīng)等物理與化學(xué)過程對污染物的生成影響極大，因此就必須深入了解與掌握發(fā)動機在典型工況下燃油燃燒和污染物生成的機理，而后依據(jù)基本污染控制原理采用不同的低排放燃燒策略。同時，未來的低排放燃燒室還面臨著自燃、回火、燃燒不穩(wěn)定性和噴嘴結(jié)焦等諸多的挑戰(zhàn)，這就需要利用燃燒數(shù)值模擬和光學(xué)診斷等先進工具，對其噴霧、混合、流動、燃燒以及它們之間的相互作用，開展定常與非定常相結(jié)合的理論分析、數(shù)值計算與試驗研究，以推動低排放燃燒室設(shè)計技術(shù)的進一步發(fā)展與完善。

2.3民用渦扇發(fā)動機設(shè)計的某些關(guān)鍵技術(shù)

20世紀60年代以來，渦扇發(fā)動機逐漸代替了渦噴發(fā)動機，成為民用飛機的主要動力裝置。經(jīng)過50 a的發(fā)展，渦扇發(fā)動機的性能、經(jīng)濟性、安全性、可靠性、可維護性以及噪聲和污染物排放等指標都有了顯著的改進。如今，現(xiàn)代民航客機幾乎沒有例外地全都采用高涵道比的渦扇發(fā)動機。為了提升渦扇發(fā)動機的性能，早在20世紀80年代末，美國就投巨資實施“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)”即IHPTET計劃[27]。在這個計劃中，研究了大量的新技術(shù)并綜合應(yīng)用氣動熱力學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及控制方面的創(chuàng)新成果去實現(xiàn)2005年發(fā)動機推重比增加100%～120%，耗油率下降15%～30%，生產(chǎn)和維修成本降低35%～60%的目標。在IHPTET計劃尚未結(jié)束時，2003年美國又開始實施“先進可承受通用渦輪發(fā)動機”即VAATE計劃[28]，旨在通過核心機的基礎(chǔ)上發(fā)展與研制更高性能、更耐久性和更低費用的軍用與民用航空發(fā)動機。另外，1999年底，NASA還圍繞大涵道比渦扇發(fā)動機實施了一項為期5年的“超高效發(fā)動機技術(shù)”即UEET計劃[29]，NASA實施UEET計劃的目的是研究降低發(fā)動機的噪聲、排氣污染以及提高發(fā)動機經(jīng)濟性的新技術(shù)。UEET計劃的目標是：與GE90發(fā)動機相比，超高效發(fā)動機的耗油率要降低10%，噪聲降低10 dB，NOx排放量降低20%，使用費用降低50%.為了實現(xiàn)這個目標，UEET計劃采用了NASA基礎(chǔ)研究計劃中已經(jīng)獲得的許多研究成果。除此之外，其他各大航空發(fā)動機公司也組織了相應(yīng)的研究計劃。大涵道比渦扇發(fā)動機經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，其中GEnx和Trent 900發(fā)動機代表了當(dāng)代渦扇發(fā)動機的最高水平。以下分5個方面討論大涵道比渦扇發(fā)動機氣動設(shè)計的某些關(guān)鍵技術(shù)。

2.3.1風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計技術(shù)

大涵道比渦扇發(fā)動機的風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計的要求是：減少級數(shù)、提高級的增壓比、提高氣動效率、降低噪聲，同時還要保證有寬廣的穩(wěn)定工作范圍。值得注意的是，在民用渦扇發(fā)動機的設(shè)計過程中，為追求低耗油率指標，導(dǎo)致涵道比越來越大，所以風(fēng)扇直徑也就越來越大。同時，為滿足國際民航適航條例的要求，風(fēng)扇葉尖切線速度受到限制以便降低風(fēng)扇的氣動噪聲(因轉(zhuǎn)子噪聲近似與葉尖速度的4次方成正比)。

在進行風(fēng)扇/壓氣機的設(shè)計中，一方面三維數(shù)值計算得到了廣泛的應(yīng)用，另一方面新的設(shè)計概念和設(shè)計思想(例如大小葉片技術(shù)、對轉(zhuǎn)葉輪設(shè)計技術(shù)等)也得到了應(yīng)用。采用小展弦比葉片的好處在于使弦長雷諾數(shù)更大、葉片表面和端壁的增壓梯度減小，端壁邊界層增長率更小、徑向間隙與弦長之比以及軸向間隙與弦長之比更低、子午面內(nèi)激波更斜等，因此上述這些因素都有利于風(fēng)扇/壓氣機效率的提高和抗失速能力的增強[30]。另外，采用小展弦比葉片可以減少葉片的數(shù)目，從而減少零件數(shù)、減輕重量和降低了成本。采用葉片彎掠造型的好處是：使葉柵通道內(nèi)部的三維負荷分布發(fā)生變化，其目的在于調(diào)整二次流、泄漏流以及葉片表面邊界層的演化以便達到對通道內(nèi)流動的控制。此外，葉片在子午面沿高度和軸向進行適當(dāng)?shù)穆?，還可以有效地降低法向馬赫數(shù)，降低流入馬赫數(shù)條件下的激波強度，降低與激波相關(guān)的流動損失。事實上，20世紀90年代英國R&R公司曾利用三維氣動力學(xué)分析軟件設(shè)計了一個直徑為2.79 m的掠形葉片風(fēng)扇。該葉片前緣呈短彎刀形，使進入發(fā)動機的氣流沿葉片展向平穩(wěn)地減速，這就可以克服或減弱了突然減速造成激波損失的現(xiàn)象、提高了葉片效率。與不掠風(fēng)扇相比，掠后使風(fēng)扇通過的空氣流量增高了10%，葉片進口馬赫數(shù)降低了10%，巡航效率也有所提高。

2.3.2渦輪設(shè)計技術(shù)

現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動機渦輪部件的進口溫度越來越高，渦輪負荷越來越大、質(zhì)量越來越輕、效率越來越高。首先高負荷高效率的渦輪設(shè)計依賴于全三維氣動設(shè)計技術(shù)，事實上美國UEET計劃的目標就是利用全三維設(shè)計計算來設(shè)計單級壓比為5.5的高壓渦輪。另外，對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)也始終貫穿于美國的IHPTET計劃與VAATE計劃之中。此外，在UEET計劃中，對轉(zhuǎn)渦輪也被列為渦輪部件的關(guān)鍵技術(shù)。這里應(yīng)該指出的是，尾跡與邊界層相互作用引起的calming效應(yīng)在低壓渦輪的設(shè)計(例如Trent 500系列發(fā)動機)中已得到成功的應(yīng)用。事實上，渦輪的高效冷卻技術(shù)一直是高溫渦輪設(shè)計時最為關(guān)注的問題，GE公司開發(fā)了渦輪內(nèi)部增強冷卻的先進冷卻技術(shù)，R&R公司研制了傳熱性能良好的壁面冷卻溫控系統(tǒng)并且已經(jīng)用在Trent 800發(fā)動機的高壓渦輪葉片上[31]。

在發(fā)動機設(shè)計中，葉尖間隙問題一直是關(guān)注的焦點，尤其是高溫部件。飛機在起飛過程中，由于葉片和機匣熱膨脹系數(shù)的不同，葉尖間隙會先減小到一個最低點，然后再增大。在飛機處于巡航狀態(tài)時，葉尖間隙過大對發(fā)動機性能損失較大。文獻[32]的研究表明：高壓渦輪的間隙每減小0.25 mm，則耗油率就下降1%，同時污染物排放也會減少。另外，間隙減小0.25 mm，就可以使排氣溫度(EGT)減小10 ℃，因此減小葉尖間隙可以使熱端部件的壽命增加、耗油率降低，顯然減小葉尖間隙恰是民用大涵道比渦扇發(fā)動機追求的目標。為此，文獻[33]研制出第一代機械動作器去主動控制間隙的大小，實驗結(jié)果表明：此機械式主動間隙控制系統(tǒng)最大的位移可達2.032 mm.毫無疑問，這個移動距離已經(jīng)滿足了發(fā)動機間隙控制的要求。

2.3.3噪聲控制和幾種降噪技術(shù)

現(xiàn)代民用渦扇發(fā)動機的噪聲，可以通過選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)動機循環(huán)參數(shù)以及先進的部件降噪設(shè)計技術(shù)來實現(xiàn)。隨著發(fā)動機推力的不斷提高和耗油率不斷降低，民用渦扇發(fā)動機的涵道比越來越大。為了不使葉尖切線速度過大而產(chǎn)生很大的噪聲，就必須要降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。但風(fēng)扇與低壓壓氣機系統(tǒng)相連，降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速就與保持低壓壓氣機的效率相矛盾。解決上述矛盾的一個有效辦法是在風(fēng)扇與低壓壓氣機之間引入一個減速齒輪箱，這樣既可以根據(jù)風(fēng)扇的壓比來選擇風(fēng)扇的最低轉(zhuǎn)速，又可以使低壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速按要求選擇的盡量高。文獻[34]介紹了P&W公司對涵道比為12，通過一個減速比為3.7的齒輪箱由低壓軸來驅(qū)動的實例。該裝置在NASA的實驗表明：該發(fā)動機可以實現(xiàn)降低噪聲6EPNdB的預(yù)期目標。

另外，通過轉(zhuǎn)子葉片尾緣吹氣也可以實現(xiàn)降低干涉噪聲的目的。其實，在20世紀90年代末期，MIT曾進行這方面的尾緣吹氣試驗，試驗結(jié)果顯示：在諧波基礎(chǔ)上，尾緣吹氣可以使尾跡前四階的諧波振幅減小一半以上。

2.3.4發(fā)展更低排放的燃燒室技術(shù)

美國GE公司在NASA的ERP(Environmentally Responsible Aviation)項目中，為了滿足N+2計劃的減排目標，在雙環(huán)預(yù)混旋流器燃燒室(TAPS)基礎(chǔ)上繼續(xù)增加頭部預(yù)混的空氣量，并著力解決操作性和耐久性問題。另外，英國R&R公司ANTLE燃燒室在發(fā)動機整個工作范圍內(nèi)采用了三級供油以實現(xiàn)貧油低排放燃燒控制策略。很顯然，所有上述這些技術(shù)一旦突破，都將給未來更低排放的燃燒室的研發(fā)帶來極大的受益。

2.3.5開展多學(xué)科耦合與優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)代先進的大涵道比渦扇發(fā)動機的進口溫度有的已超過2 100 K，這樣的高溫已經(jīng)遠遠超過許多金屬所能夠承受的溫度，因此采取什么樣的措施可以使渦輪熱端部件能承受這樣高的熱負荷便是設(shè)計人員最為關(guān)注的課題。為了有效的預(yù)測渦輪熱端部件的溫度，國內(nèi)外學(xué)者一直非常關(guān)注流/熱耦合的數(shù)值方法[35-36]。由于現(xiàn)代高效的渦輪冷卻系統(tǒng)極其復(fù)雜，葉片內(nèi)部冷卻通道曲折、氣膜冷卻孔數(shù)成百上千，這使得數(shù)值計算時網(wǎng)格生成遇到極大困難。在這種情況下，計算多采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

在葉輪機械中，葉排尾跡引起的強迫作用有著明顯的特征。在壓氣機中，尾跡引起的氣流絕對速度方向和橫向分速度的脈動幅度最大。而在渦輪中，尾跡引起的氣流絕對速度和流向分速的脈動幅度最大[37]。上游葉片的尾跡或位勢作用會影響氣流的流向與切向速度的擾動，這種擾動經(jīng)過下游葉排會引起攻角的周期性變化。另外，脈動的攻角又會導(dǎo)致脈動的升力和扭矩的變化。如果這種非定常力的頻率等于葉片的固有頻率，則可導(dǎo)致嚴重的葉片振動，甚至引起葉片斷裂。除了轉(zhuǎn)/靜葉片排相互作用引起非定常力之外，流體粘性以及轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)使得葉輪機內(nèi)廣泛存在著失速以及激波等非定常流動現(xiàn)象。當(dāng)失速團的脫落頻率以及激波的抖動頻率等于葉片固有頻率時會引發(fā)顫振，嚴重時顫振可導(dǎo)致機毀人亡。因此在葉輪機械的研制中，強迫共振和顫振應(yīng)當(dāng)盡量去避免。對于復(fù)雜的壓氣機壓縮系統(tǒng)，在設(shè)計時要考慮一系列的流固耦合問題，其中包括顫振裕度、頻率安排以及共振與失速時過應(yīng)力能力等問題。但十分遺憾的是，當(dāng)今在葉片的氣固耦合設(shè)計系統(tǒng)中，這些工作目前主要是依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗。對于葉輪機械中多學(xué)科的優(yōu)化設(shè)計問題，仍是今后迫切需要去發(fā)展的重要方向[38-39]。

3　結(jié)　論

大涵道比渦扇發(fā)動機以其高循環(huán)參數(shù)、低油耗率、低污染、低噪聲、高可靠性以及長壽命為顯著特征，它代表了一個國家民用航空發(fā)動機技術(shù)的最高水平，也是一個國家科技水平和創(chuàng)新能力的重要標志。航空渦扇發(fā)動機是集氣動、工程熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)與強度、控制、測試、計算機、制造技術(shù)、材料科學(xué)等多種學(xué)科為一體的當(dāng)代最復(fù)雜的動力裝置。我們相信：隨著基礎(chǔ)學(xué)科的創(chuàng)新與先進技術(shù)的不斷突破，渦扇發(fā)動機的性能會得到不斷地提升?？傊?，發(fā)展一種更低排放、更低噪音、環(huán)境友好、發(fā)動機維修更加智能化的大推力，低耗油率、長壽命的民用渦扇發(fā)動機是十分必要的。它既需要科研人員腳踏實地的不懈努力，更需要統(tǒng)一規(guī)劃、精細組織、協(xié)同奮戰(zhàn)，這是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，錢學(xué)森系統(tǒng)工程的思想很值得借鑒。

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Legal and aerodynamic issues related to turbofan engines designed for civil aviation

WANG Bao-guo1，WANG Wei2，HUANG Wei-guang3，XU Yan-ji3，TAN Chun-qing4

(1.SchoolofAerospaceEngineering，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081,China；2.CRCCChina-AfricaLekkiInvestmentLtd.，Beijing100855，China；3.ShanghaiAdvancedResearchInstitute，ChinaAcademyofSciences，Shanghai201203,China；4.InstituteofEngineeringThermophysics，ChinaAcademyofSciences，Beijing100190,China)

The fundamental goal of the development of modern civil aviation is to achieve low pollution，low noise，low fuel consumption and high power.Reducing levels of pollution and noise has become worldwide consensus under the guidance of stringent international standards as well as national laws and regulations.Low fuel consumption and high power are closely linked with aviation’s economic impact.To achieve these goals and objectives，aviation designers and legal practitioners around the world have made great contribution in this field.This paper，from the perspective of aerodynamic design，aims to explore crucial technical issues involved in low pollution combustion and low noise exhaust nozzle，suggesting measures that can be used to guide the design of such engines.Furthermore，we discusses social mechanisms and sources of law relating to pollutant and noise engine emissions.Reviewing a series of international legal documents on protection of the Earth’s atmosphere and outer space，the paper concludes：the protection of the atmosphere，whether in the field of aviation or space science，should be the primary factor to be considered for engine chamber and spacecraft combustion designer，pointing to the inescapable social responsibility.

high bypass ratio;large commercial airplane;design of turbofan;laws and regulations

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0517

1672-9315(2016)05-0709-10

2016-03-15責(zé)任編輯：劉潔

王保國(1947-)，男，山東臨清人，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：bguowang@163.com

V231.3

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