淺析航空壓氣機及其發(fā)展趨勢

于　佳,徐志暉(沈陽航空航天大學航空航天工程學部(院),沈陽　110136)

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淺析航空壓氣機及其發(fā)展趨勢

于佳,徐志暉
(沈陽航空航天大學航空航天工程學部(院),沈陽110136)

摘 要:作為航空發(fā)動機的核心部件之一，壓氣機的作用是給燃燒室提供經(jīng)過壓縮的高溫、高壓氣體。為了能夠全面了解航空壓氣機，本文系統(tǒng)地介紹了壓氣機的分類、性能指標以及發(fā)展趨勢，進一步推動我國航空事業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；壓氣機；高溫、高壓；性能指標

1　壓氣機分類

1.1離心式壓氣機

離心式壓氣機由進氣系統(tǒng)、葉輪、擴壓器和集氣管等四部分組成，它通過中間軸與渦輪相連。為了增加進氣量，葉輪采用雙面進氣，這樣有利于平衡作用在軸承上的軸向力。為迎合氣流相對運動的速度方向，葉輪的進口部分做成旋轉(zhuǎn)方向前彎。工作輪葉片之間呈徑向輻射狀的通道，氣流通過工作輪增加速度和壓力。當氣流從工作葉輪流出后，進入擴壓器。擴壓器與葉輪之間存在較大縫隙，氣流在縫隙中也起到擴壓作用，故該擴壓器也稱縫隙擴壓器。從擴壓器出來的氣體進入集氣管進一步減速擴壓，然后進入燃燒室。

1.2軸流式壓氣機

通過壓氣機的空氣基本上沿軸向流動，因此叫做軸流壓氣機。軸流壓氣機主要由靜子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。靜子是靜子組合件的總稱，包括機匣和整流器。在單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機中，壓氣機機匣由進氣裝置、整流器機匣和擴壓器機匣組成。在雙轉(zhuǎn)子壓氣機中，在風扇和壓氣機之間還有一個分流機匣，將內(nèi)涵道和外涵道的氣流分開，在高壓和低壓之間還有一個中間機匣，將氣流由低壓壓氣機順利引到高壓壓氣機中。轉(zhuǎn)子是一個高速旋轉(zhuǎn)對氣流做功的組合件。在雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機中，壓氣機又分為低壓轉(zhuǎn)子和高壓轉(zhuǎn)子，在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機中，低壓轉(zhuǎn)子就是風扇轉(zhuǎn)子，或者是風扇轉(zhuǎn)子和低壓壓氣機轉(zhuǎn)子的組合。一排轉(zhuǎn)子葉片和一排靜子葉片組成軸流壓氣機的一個級。在某些壓氣機第一級前面裝有預旋的導流葉片，其目的是使氣流在進入第一級時獲得所需的流場分布。空氣通過軸流壓氣機時不斷受到壓縮，空氣比容減小、密度增加。因而軸流式壓氣機的通道截面積逐漸減小，呈收斂性，壓氣機出口截面比進口截面積要小的多。

軸流式壓氣機的流動特點使其在結(jié)構(gòu)上容易組織多級壓縮，以每一級都較低的增壓壓力比獲得較高的壓氣機總增壓壓力比。一般每級的增壓壓力比在1.15～1.35之間，使得空氣流經(jīng)葉片通道時無需急劇的改變方向，這樣就減少了流動損失，因而壓氣機效率高，特別是大流量時，軸流式壓氣機較離心式壓氣機更容易獲得較高的效率，一般軸流式壓氣機的效率可達87%以上，而離心式壓氣機的效率最高可達85%，與離心式壓氣機相比，多級軸流壓氣機還具有大流量，高效率，小迎風面積等優(yōu)點。因此，近代大功率燃氣輪機大多數(shù)都采用多級軸流壓氣機來壓縮氣體。

2　壓氣機的功能和主要性能指標

壓氣機的功能是用來提高進入發(fā)動機內(nèi)的空氣動力，供給發(fā)動機工作時所需的壓縮空氣，也可為座艙增壓、渦輪散熱和其他發(fā)動機的起動提供壓縮空氣。

評定壓氣機性能的主要指標有增壓比、效率、外面尺寸和重量、工作可靠性、制造和維修所需的費用。對于航空發(fā)動機來說，最重要的指標之一是外面的尺寸，它用單位質(zhì)量流量來衡量，即通過發(fā)動機單位面積的空氣質(zhì)量流量來決定。

對于壓氣機結(jié)構(gòu)設計主要有以下幾個要求：滿足發(fā)動機性能設計提出的各項要求；具有足夠的強度、適宜的剛度和更小的振動；結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕；工作可靠，壽命長；維修性、檢測性好，性能制造成本低等五個基本要求。

3　壓氣機的發(fā)展動態(tài)及趨勢

隨著飛機對發(fā)動機的推重比、能量利用率及其他方面的要求不斷提高，發(fā)動機對壓氣機也提出了更高的要求。而材料、工藝、試驗技術(shù)、氣動設計理論和計算流體力學的巨大進步又為不斷提高的要求提供了必要的條件和技術(shù)支持。以下為壓氣機近一段時間的基本趨勢和未來的發(fā)展方向。

（1）更高的葉尖切向速度：提高葉尖的切向速度是提高單級加功的有效途徑?，F(xiàn)代軍用發(fā)動機風扇和低壓壓氣機的切向速度為400-500m/s。某國為研制用于未來戰(zhàn)斗機的發(fā)動機，對壓氣機和風扇進行了大量的遠遠超過現(xiàn)役機種水平的先期性設計試驗研究，其切向速度可達577-630m/s,單級壓氣機的增壓比為3.2，雙級壓氣機達4.57，三級壓氣機可達8.07。

（2）更高的轉(zhuǎn)子亞比：一般不斷提高單轉(zhuǎn)子核心壓氣機的壓比。

（3）更高級的氣動負荷和單級壓比：提高級的氣動負荷一直是設計人員所追求的目標，為此采用更完善的氣動設計和造型；采用低展弦比、高稠密度的葉片設計及更大的葉片安裝角等等。

（4）更高的效率。

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作者簡介：于佳（1990-），男，遼寧興城人，碩士在讀，研究方向：跨聲速壓氣機葉尖間隙流動數(shù)值研究。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.085