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两院风采

尚德务实 求真拓新 穷理致用 传道立学——压气机气动设计团队


2021年12月13日 14:31        点击:[]

尚德务实 求真拓新 穷理致用 传道立学

——压气机气动设计团队

北航航发院压气机气动设计团队重点开展压气机先进设计理论与方法、压气机内部复杂流动实验研究、计算流体力学及CFD软件开发和先进变循环等新概念压气机设计四个方面的研究工作。团队始终奋战在航空发动机压气机科研一线,不断为我国航空发动机压气机自立自强提供先进的理论方法与技术支持,培养输送德才兼备的复合型人才,并在这一过程中逐渐形成了“尚德务实、求真拓新、穷理致用、传道立学”的团队建设与发展理念。


成立背景

新中国成立之后,乃至到改革开放的时候,我国各行各业的科技水平与世界先进水平普遍差距巨大,航空发动机作为工业皇冠上的明珠,体现着一个国家的工业化水平和航空科技的高度,必然是赶超过程最艰难曲折的代表!最近国家实施两机专项,本质上还是要彻底解决周总理提出的飞机“心脏病”问题!随着国家越来越重视航空发动机,国内相关的科研力量也加入进来,相继成立了很多航空发动机研究院或实验室,北航和中国航发联合打造的北航航发院肩负着引领示范作用,旨在探索彻底解决发动机心脏病和实现赶超世界先进水平方面,如何更好地发挥高校的作用,标志着高校航空发动机科研模式的转变与创新。


历史渊源

压气机气动设计团队的学术带头人刘宝杰教授、主要成员于贤君和宁方飞副教授都来自北航能动学院陈懋章院士和蒋浩康教授团队。陈懋章院士是我国著名的航空发动机专家,在压气机气动设计领域颇有建树,提出了压气机低速模拟理论,突破了一些先进的高负荷高性能压气机设计技术,包括某新型风扇及处理机匣、S863高负荷单级风扇和大小叶片技术等。蒋浩康教授则是我国著名的压气机实验测试方面的专家,与陈懋章院士共同主持了北航单级低速大尺寸压气机台建设,突破了旋转位移机构、高频动态探针、小尺寸五孔针等一系列先进流场测量技术。


陈懋章院士和蒋浩康教授不但奠定了团队发展坚实的技术基础,更垂范了团队宝贵的科研精神。陈院士几十年如一日奋斗在科研第一线,各种挑战性的工作亲力亲为,确定了每一个压气机试验件的设计方案,字斟句酌所发表的每一篇文章;科研工作始终志存高远,提出做学问要“痴”,做人要“傻”;为把学问落到实处,提出了“一竿子插到底”的原则;科研工作中始终勇于创新,不惧怕失败,不断攀登新的技术高峰!蒋浩康教授科研工作中同样是一丝不苟,仔细落实实验的每一个环节,每一个参数;爱惜科研设备和仪器如同自己的身体,使用维修保养周到细致,清楚地知道每一台仪器的量程和精度。两位老先生还有很多宝贵的品质和精神值得我们团队成员不断的学习和体会。


建设理念

尚德务实

高性能压气机的研发非常具有挑战性,设计工具的精度和可靠性有限、设计变量成百上千、设计要求众多还相互制约、使用工况又非常复杂,成熟周期长达二三十年,一台好的压气机始终是研制先进航空发动机的前提。这样艰巨复杂的任务对压气机研发人员提出了非常高的要求,既需要过硬的个人素质,又不能逞个人英雄主义;既需要聪明才智,又需要任劳任怨,踏踏实实做好每一件事;既需要争分夺秒,又需要耐得住寂寞,认真走完压气机研发的全过程。因此,本团队建设的第一个理念就是“尚德务实”。


20世纪90年代开始,航空发动机压气机设计有了一个重大转变,随着逐渐成熟的CFD软件引入到设计体系当中,压气机的设计上升到三维层面,促使压气机的性能水平有了明显的提升,为此国外各大发动机公司投入大量的人力物力,发展了自己的专业CFD软件。与国外形成鲜明对比的是,我国航空发动机压气机行业在相当长的时间内一直采用商用CFD软件,其功能、精度和可靠性与专业软件相差很大,而且显然我国无法改进完善其缺陷与不足。即便如此,由于受到禁运的限制只能购买单机或者非常有限核数的并行计算版本。专业CFD软件研发费时费力,难以体现显性成果,但是面对行业对自主专业软件的迫切需求,我们团队的宁方飞老师十几年来持续攻关,开发了十多万行代码,并进行了多轮修改完善,发展了若干具有特色的专用模型和算法,实现了大规模并行计算,其准确性和专业性超过了商用CFD软件,打破了国外的技术垄断与封锁。为了消除行业研究所的疑虑,过去十年已给各研究所免费推广、调试与培训多个软件版本,使之成为如今唯一嵌入行业压气机设计体系的国产CFD软件,并在大量的压气机设计中得到了广泛应用。



程序框架

典型功能及仿真结果


求真拓新

我国航空发动机赶超世界先进水平关键在于自主创新,解决“卡脖子”问题的根本途径也是自主创新,创新是一切科研的灵魂。航空发动机压气机作为传统学科其创新有自身的特点,经过近百年的发展,压气机气动力学已经非常成熟,因此面对航空发动机性能和使用包线一代一代不断提高的需求,压气机的气动设计创新基本上都是技术基础和技术本身层面的,其基本途径是在原有研究基础上的再挖掘与新开拓,因此本团队建设的第二个理念就是“求真拓新”,“求真”既是“拓新”的基础,又与“拓新”相辅相成。


以前我国航空发动机落后较多,压气机设计时至少可以参考一下国外的构型,如今我国与国外同步开展下一代航空发动机研究时,一切都要靠自主创新!作为北航航发院要能够回答其关键设计理论与方法方面的问题,这样才能支撑和引领我国下一代航空发动机的研发。未来航空发动机将采用先进的变循环模式,变循环压气机该如何设计呢?最初面对这一问题时,我们也是一脸茫然,不知道如何下手,但经过10多年不断地“求真”与“拓新”,团队逐渐厘清了未来变循环压气机的关键技术特征——多模态、宽范围、强耦合和超紧凑,提出了“极宽裕压气机”的概念;在极宽域压气机先进气动布局、射流控制等先进可调叶片、常规及串列叶片超高负荷压气机设计理论与方法、多涵道多模态压缩系统匹配机理等各方面均取得了突破,初步建立了变循环压缩系统一体化设计及匹配分析方法,提出了模式转换倒流判据,建立了模式转换可行域分析计算方法, 目前很多研究成果已应用于606所相关发动机的研发。

变循环压缩系统匹配分析



跨音串列转子试验件

超高负荷串列低速模拟试验件

穷理致用

由于压气机内部流动机理高度复杂,设计手段的精度和可靠性始终有限,工况和使用环境复杂,压气机的研发过程需要开展大量的实验研究与试验验证工作。因此本团队不但致力于为行业提供先进的压气机气动设计理论与数值仿真技术,同样致力于提供先进的实验手段与技术支持,即一切研究的落脚点都是行业应用,这便是本团队建设的第三个理念——穷理致用。


航空发动机的高压压气机级数多、增压比高、转速高且叶片尺寸小,为了研究其内部流场结构及流动机理,美国提出并开发了高压压气机低速模拟技术,其核心思想是将高压压气机叶片尺寸放大若干倍进行详细测量,其理论挑战是如何在低速不可压条件下模拟出高速可压缩流场结构,是GE公司几十年来一直占领压气机气动设计制高点的杀手锏之一。虽然低速模拟技术如今已经纳入GERR公司的压气机研发流程,但是关于压气机低速模拟方法与准则几乎没有报道。前面提到陈懋章院士与蒋浩康教授在20世纪80年代末到90年代初,突破了高压压气机低速模拟技术,建设了国内第一个规范的低速大尺寸压气机实验台,获得了国家科技进步一等奖。在过去20年,刘宝杰教授与于贤君和安广丰副研究员一起对压气机低速模拟方法与准则、实验测量技术和实验台结构进行了持续不断的改进完善。目前建立了完备的一维、二维和三维低速模拟设计方法及准则;改进了单级和四级低速大尺寸压气机实验台结构与工艺,实现了叶片全树脂化铸造及3D打印,模拟更准确,拆装更方便,成本更低周期更短;发展了高精度小尺寸五孔针、热线和SPIV等先进流场测量技术,全面掌握了高压压气机低速模拟技术,并将低速模拟技术拓展到发动机过渡段的研究,新建了过渡段低速大尺寸实验台,在世界上形成了自己的特色与影响力,并已服务于606所、商发和608所多个压气机型号的研发。

3D打印树脂叶片

玻璃纤维增强树脂叶片

转子内速度场SPIV测量

转子出口速度场热线测量

传道立学

航空发动机压气机已经经历了五代80多年的发展,未来相当长的一段时间还会不断演化,其设计理论和方法将不断进步、关键技术也会日新月异,设计体系也会不断更新,但是压气机研究的本质不会变,精神不会变!此外,北航压气机气动设计研究经过几代人的努力,逐渐确立了自己的学术观点、传统与特色,我们团队将继续传承和发扬下去,这就是本团队建设的第四个理念——传道立学。


在压气机科研中,北航始终提倡敢为人先。陈懋章院士几个代表性成果无一不是敢为人先的杰作,某新型处理机匣挑战了权威的苏联设计理念,某高负荷高性能风扇设计挑战了美国的领先地位,大小叶片则在国际上首次应用到发动机型号上。过去10多年,本团队秉承这种精神又取得了一系列新的突破,包括超高负荷常规及串列叶片设计、极宽域压气机先进气动布局、先进变循环压缩系统一体化设计及匹配分析方法等。在这一过程中,团队最大的体会就是科研工作要始终秉承科学精神,这也是陈懋章院士一直以来反复强调的。只有秉承科学精神,才能不急功近利,不迷信权威,不局限于所见,不受限于经验,不惧怕失败,才能突破“卡脖子”,才能捅破“天花板”!

目标愿景

建国以来,特别是过去40多年,我国航空发动机压气机设计研究实现了两个转变,一个是压气机从不会设计到会设计、没有实验台到有实验台的转变,解决了“有无”的问题;第二个是大踏步地追赶世界先进水平,大幅度缩短了我国压气机设计水平与国际先进水平的差距,解决了“跟跑”的问题。我们这一代的历史使命则是要实现从能设计压气机到设计好压气机的转变,也就是要实现压气机设计水平达到世界领先水平,解决“领跑”的问题!以陈懋章院士为代表的北航老一辈学者在前两个转变中做出了杰出贡献,北航航发院压气机气动设计团队将秉承“尚德务实、求真拓新、穷理致用、传道立学”理念,矢志不渝与全行业一起争取早日实现最后的转变,也欢迎有志于此的国内外科研学者和学生加入我们团队,共同为我国航空发动机事业做出更大的贡献。





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