第五代發動機,眼下當然是不可能的。
第三代是F110、AL31F這些推比8左右的型號。
第四代是F119、F135、AL51F這些推比10以上的型號。
如果按照常浩南的想法把渦扇10給造出來,那大概就會直接跳過原教旨主義的第三代,直接進入三代半的范疇。
當然,三代和四代發動機的區別實際上有很多,可以說從原始設計思路、制造工藝、材料選取上都有區別。
推重比只不過是最后反映在性能上的一個最直觀數據罷了。
當然,中間還夾著個三代半,也就是像后期型的F110、F414、AL41F這些底子還是三代發動機,但應用了部分四代發動機的技術,導致性能已經明顯高于自己老前輩們的升級版本。
值得一提的是,第四代發動機在最基本的原理上和第三代并無區別,因此仍然存在著那個從物理上無法規避的性能取舍——高速取向的型號油耗普遍驚人,而低速取向的型號超音速性能則會極其拉胯(詳細解釋請回看415章)。
正是為了解決這個矛盾,在各國有關第五代發動機的概念設計中,才普遍引入了自適應變循環模式。
在低速工況下,它可以是一臺省油的中等涵道比渦扇發動機,而在高速情況下,它甚至可以化身為一臺高性能的渦噴發動機。
所以,第五代發動機雖然在紙面數據上未必能再次實現8到10這樣恐怖的跨越,甚至反而有可能因為多了一套變循環裝置,導致海平面推重比不升反降(自重變大了,推力沒變大那么多),但裝在飛機上的實際性能卻會遠遠超過第四代。
只不過,可變循環雖然思路簡單,但真要想實現起來,那還是有太多細節要完善了。
甚至一直到常浩南重生之前那會,大家都還沒確定下來具體哪種變循環技術路徑更加可行。
別的不說,壓氣機的具體設計理念,就要進行一次幾乎翻天覆地的轉變。
所以簡單聊了聊未來對國產發動機型譜的規劃之后,常浩南和劉永全還是重新回到了眼前的研究上來。
“多排疊加的全覆蓋氣膜冷卻……”
劉永全把這個有點拗口的名詞重復了一遍。
“沒錯。”
常浩南帶著劉永全來到旁邊的實驗桌旁,一臺筆記本電腦正放在上面,屏幕中正顯示著一張等溫曲線圖:
“我之前本來覺得,用目前的TORCHMultiphysics軟件就可以直接完成氣熱耦合模擬,但真正操作起來,發現還是把情況想的太簡單了。”
他說著把曲線圖的一個部分用畫筆工具圈了出來:
“你看,主流與高動量冷卻射流相接觸后,將在射流下游的兩側區域產生一對旋向相反的渦結構,這對渦結構的旋轉方向起到聚攏壁面冷卻氣抑制橫向擴散的作用,同時其也有抬離壁面冷卻氣的趨勢。”
“所以……”
這張圖,劉永全還是看懂了的:
“所以吹風比(冷卻氣流的動量)越大,主流越是難以壓制冷卻射流,冷卻氣會越早離開固壁表面,導致對下游的冷卻效果越差?”
常浩南點點頭,心說不愧是在原來的時間線上真正把渦扇10帶入成熟的人,盡管目前除了發型比較大佬之外總體還略顯經驗不足,但基本功確實可以,只是看了幾眼便很快抓住了關鍵結論:
“沒錯,所以如果綜合考慮整個發動機的氣熱耦合效應,就會發現如果一味地提高冷卻氣用量,那么越往后,冷卻效果的提升越不明顯,很快就會觸碰到一個上限,而且因為氣流損失太大,還會影響到發動機本身的性能,甚至是工作穩定性。”
“這一點,不做工程上的整體考量,而是只研究對葉片的氣膜冷卻效果的話,是不可能發現的,我推測,這應該也是美國人那邊目前正在走彎路的原因之一。”
在自己的判斷被常浩南肯定之后,劉永全幾乎是下意識地想到了最直接的辦法:
“如果我們擴大氣膜孔的孔徑,不就可以在冷卻氣用量不變的情況下降低氣流流速,改善……”
但他很快就自己否定掉了:
“不對,單純增加氣膜孔孔徑會導致壓力損失變大,得不償失……”
“那常總,如果把冷卻孔從圓柱形改成錐形,進口面積小,出口面積大,不就可以改善氣流對葉片表面的覆蓋性了?”
這下子,常浩南確實對他有些刮目相看了。
異形孔的冷卻效果好于圓孔,這擱在20年后是任何一個相關專業本科生都會知道的事情,但是放在眼下,整個華夏對這方面的研究還處在一片空白。
前世是直到大概一年多以后,羅爾斯·羅伊斯公司到西北工大贊助了一個跟主動冷卻有關的研究課題,才讓華夏這邊意識到了這一點。
工程上的東西,有時候就像是一層窗戶紙,捅破了,看上去也就是那么回事,但要是沒有人引導,那光是找窗戶在哪,就得花上不少時間。
而劉永全至少在很短的時間里,就摸索到了正確的方向。
“思路沒錯,但可以更進一步。”
常浩南從旁邊取來紙筆,在紙上畫了個示意圖:
“其實冷卻孔本身沒有必要做大的改動,只要在出口部分,也就是孔的末端連接一個擴張段就可以了,這樣壓力損失更小,而氣膜孔出口處的流速還可以大幅度降低。”
“流速降低就是動量降低,冷卻氣幾乎不會發生吹離作用,壁附效應更好。”
“而且,主流與冷卻氣之間的相互作用較弱,射流兩側的腎形渦強度較弱,子午面區域會形成與反腎形渦對結構,還能增強了冷卻氣的橫向擴散作用,可以讓冷卻氣膜更加均勻!”
“那……”
劉永全此時只有一種醍醐灌頂的感覺,整個問題的解決辦法看上去好像簡單到跟11差不多:
“那我們只要把圓孔改成這種……這種異形孔就行了?”
“那當然不可能這么簡單,我剛剛說的只是基本原理而已。”
常浩南把筆放到一邊,擺了擺手回答道:
“異形孔形成的氣膜在提高孔下游有效度的同時,也會提高這個部分的傳熱系數,所以對本身傳熱系數較低的固壁區域冷卻效果比較差。”
“并且,這種別扭的開孔方式必定影響到工件的結構強度,我們造的是航空發動機,對于過載是有要求的,況且高溫、高離心力、強氣流沖擊的環境本身也對結構可靠性是個考驗。”
“所以,到底采用什么樣的孔型,如何設計氣膜孔在工件表面的分布,孔道的角度——不僅是俯仰角,還有橫向角度要如何設計,這些都是問題,都要取舍。”
“所以我才要專門訂購一臺設備,一方面是研究具體的氣膜冷卻方案,另一方面,也是給下一個大版本迭代的TORCHMultiphysics軟件累積一些數據,氣熱耦合這塊,跟單純的力熱耦合還有不小區別,恐怕需要一個新的功能模塊才能做好。”
哪怕是常浩南,也不是真的全知全能,他之前也用自家軟件試過,但這方面的理論和數據實在太少,模擬出來的結果么……
只能說具備一定的參考價值。
“那常總,我來設計實驗方案?”
身后的劉永全已經躍躍欲試。
“其實我已經設計好了……”
常浩南看了一眼不遠處嶄新的實驗設備。
“啊這……”
劉永全有些尷尬地撓了撓已經沒有頭發的頭頂。
而常浩南卻又話鋒一轉:
“不過你也可以先試試,方案做出來之后再和我給你的對一下。”
劉永全眼前一亮,頓時又覺得自己可以了:
“那……關于測試用的渦輪件樣品,還是直接拿渦扇9的去做?”
“沒錯,渦扇9的設計數據,伱手里要是沒有的話,可以直接找430廠那邊要。”
在常浩南的運作之下,渦扇9如今已經基本成為了渦扇10的技術驗證型號。
雖然前者的渦輪前溫度再怎么樣也不可能達到12001250℃的水平,但冷卻效果這種東西肯定是不會嫌太高的。
尤其是在無需更換葉片材料的前提下。
當然,也不是白嫖人家430廠。
斯貝MK202實際上只是一臺推重比5一級的發動機,除了油耗以外的指標甚至不如很多末代渦噴。
而渦扇9測試過的這些技術,總有一些能用回到量產型號上面,在成本和總體結構基本不變的前提下,性能肯定會提高一些。
(本章完)