串列葉片技術(shù)及其在航空發(fā)動機離心葉輪上的應(yīng)用研究

■ 吳悠 余佳 曹逸韜/中國航發(fā)動研所

串列葉片技術(shù)具有氣流轉(zhuǎn)角大、總壓損失小及工作范圍寬廣等優(yōu)點，是一種能有效提升壓氣機載荷的被動流動控制方法。目前，串列葉片技術(shù)在軸流壓氣機上的研究比較深入且工程上已經(jīng)有很多應(yīng)用，而在離心壓氣機尤其是離心葉輪上的應(yīng)用還有待進(jìn)一步展開。

串列葉片技術(shù)概況

串列葉片的概念最早來源于飛機的機翼。早在20世紀(jì)20年代初，阿爾伯特·貝茨(Albert Betz)提出采用開縫式機翼來取代傳統(tǒng)機翼，使氣流偏轉(zhuǎn)由原先一個完整的機翼來承擔(dān)改由機翼的幾個部分來實現(xiàn)，從而使機翼表面的邊界層流動分離推遲發(fā)生，大幅增加了機翼的升力[1]。串列葉片技術(shù)在壓氣機上的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)40年代的軸流壓氣機。關(guān)于軸流壓氣機的串列轉(zhuǎn)子及串列靜子的一系列理論與試驗研究，在一定程度上證明了串列葉片技術(shù)是使軸流壓氣機達(dá)到較高的級壓比的有效方法。在一單級高負(fù)荷風(fēng)扇靜子的基礎(chǔ)上引入串列靜子進(jìn)行改型設(shè)計如圖1所示，可以看出與單排靜子相比，串列靜子的吸力面邊界層分離范圍大幅減小，靜子通道內(nèi)激波強度得到減弱，使得峰值效率點級壓比提高了2%，級絕熱效率提高了2.9個百分點[2]。串列葉片技術(shù)在航空發(fā)動機軸流領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。例如，在阿都斯特、透默ⅢC、J85、威派爾522、AL-31F等發(fā)動機中作為軸流壓氣機的末級靜子；在JT15D、阿杜爾、J69、JT8D、CF6-6、CFM56等發(fā)動機中作為末級風(fēng)扇的靜子；RD-33渦扇發(fā)動機壓氣機的第4級靜子和第9級靜子均使用了串列葉片技術(shù)，確保了壓氣機內(nèi)部流場的穩(wěn)定，有效地提升了其綜合性能。除此之外，GE公司的J-79發(fā)動機的靜子與波音公司的360直升機中AL5512發(fā)動機的轉(zhuǎn)子也采用了串列葉片結(jié)構(gòu)。

隨著串列葉片技術(shù)在軸流壓氣機上的應(yīng)用，研究人員也開始考慮將該技術(shù)用于離心壓氣機的設(shè)計中。但相比于軸流壓氣機，串列葉片技術(shù)在離心式葉輪機械上的應(yīng)用研究開展得不多，但對串列葉片擴壓器的研究取得了相對較好的效果，例如，中國航發(fā)動研所在一組合壓氣機離心級的徑向擴壓器設(shè)計中采用串列式葉片，效率提高了1.0%以上；在一渦槳發(fā)動機離心級的軸向擴壓器上也使用了串列葉片技術(shù)，有效改善了壓氣機的性能。

圖1 50%葉高馬赫數(shù)等值線對比

圖2 串列葉輪三維結(jié)構(gòu)圖

相比于在軸流壓氣機或離心壓氣機的徑向擴壓器與軸向擴壓器的應(yīng)用，串列葉片技術(shù)在離心葉輪的應(yīng)用會有難度。在當(dāng)前航空發(fā)動機中被普遍采用的半開式葉輪子午流道狹長且折轉(zhuǎn)迅速，受到葉輪高速旋轉(zhuǎn)、壁面曲率變化和葉尖間隙等因素的影響，其內(nèi)部流動極為復(fù)雜，存在著分離、回流、葉尖泄漏流及射流尾跡等各種流動結(jié)構(gòu)。隨著離心壓氣機壓比的不斷增加，葉輪逐漸由高壓亞聲速葉輪發(fā)展為高壓跨聲速葉輪，除了引入較大的激波損失外，激波還會和邊界層及各種渦系相互作用，進(jìn)一步增大損失，減小離心壓氣機的效率和穩(wěn)定工作范圍。

圖3 氣動設(shè)計流程圖

總的來說，串列葉輪的引入是否能夠提升離心壓氣機性能還未達(dá)成一致的結(jié)論，并且目前還沒有設(shè)計準(zhǔn)則來指導(dǎo)帶串列葉輪的離心壓氣機設(shè)計。

串列離心葉輪的研究進(jìn)展

離心壓氣機廣泛應(yīng)用于渦軸/渦槳發(fā)動機、小型渦噴/渦扇發(fā)動機及輔助動力裝置（APU）中。在離心壓氣機葉輪的設(shè)計中使用串列葉片技術(shù)，與軸流壓氣機的串列轉(zhuǎn)子一樣有望起到改善性能的作用。串列葉輪的三維結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了便于表述，將串列葉輪的前排葉片稱為誘導(dǎo)輪（Inducer），后排葉片稱為導(dǎo)出輪（Exducer）。

美國國家航空航天局（NASA）的劉易斯研究中心在20世紀(jì)70年代設(shè)立了一個在葉輪和葉片式擴壓器上使用串列葉片技術(shù)的先進(jìn)離心壓氣機試驗研究項目[3]，所設(shè)計的帶串列葉輪的離心壓氣機在設(shè)計轉(zhuǎn)速（80000r/min）的峰值效率為0.765，峰值效率點的壓比為5.9，其中串列葉輪的峰值效率為0.813。美國于1988年開始實施綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)（IHPTET）計劃，在計劃的第一階段開展了串列葉輪研究，在第二階段利用串列葉輪的研究成果進(jìn)行新型高性能組合壓氣機的研究并取得重大進(jìn)展。

中國航發(fā)動研所是國內(nèi)首個系統(tǒng)性開展串列葉輪研究與試驗工作的單位，以一型航空發(fā)動機的離心壓氣機為背景，利用自主開發(fā)的設(shè)計軟件，在保持離心葉輪子午流道和葉輪直徑等幾何條件不變的情況下完成了串列葉輪的設(shè)計，采用存量壓氣機試驗件資源，改進(jìn)設(shè)計了串列離心壓氣機試驗件進(jìn)行性能試驗研究，以考察串列葉輪對離心壓氣機性能的影響。串列葉輪的氣動設(shè)計流程圖與實物圖如圖3和圖4所示。試驗結(jié)果表明，在流量、壓比均保持相當(dāng)水平的前提下，采用串列葉輪的離心壓氣機整級效率比常規(guī)葉輪提高了1.0%。

圖4 串列離心葉輪實物圖

通過對比串列葉輪的研究成果發(fā)現(xiàn)，在一些研究中串列葉輪的引入能夠提高葉輪效率，在另一些研究中串列葉輪的引入反而降低了常規(guī)葉輪的效率。但這些研究都普遍認(rèn)為串列葉片技術(shù)能夠改善離心葉輪出口的流場品質(zhì)。中國科學(xué)院開展的常規(guī)葉輪與串列葉輪出口子午速度分布的對比研究如圖5所示[4]，從圖中可以看出，常規(guī)葉輪出口流場很不均勻，存在較為顯著的射流尾跡結(jié)構(gòu)。射流與尾跡之間存在著動量與能量的交換，產(chǎn)生很大的摻混損失，同時導(dǎo)致下游徑向擴壓器的進(jìn)氣條件十分惡劣。相比之下，串列葉輪出口射流尾跡區(qū)的范圍與強度明顯減小，流場相對比較均勻，從而有利于改善葉輪與擴壓器之間的匹配，提高徑向擴壓器的性能。在該研究中，串列葉輪的引入使離心壓氣機級的綜合裕度和峰值效率較常規(guī)葉輪分別提高了1.3%和1.4%。

國內(nèi)外研究普遍認(rèn)為，串列葉輪誘導(dǎo)輪和導(dǎo)出輪的相對周向位置對離心壓氣機性能有較大的影響，但是研究得出的最佳相對周向位置卻不盡相同。例如，德國宇航中心認(rèn)為導(dǎo)出輪距誘導(dǎo)輪壓力面27%葉片柵距時，壓氣機的喘振裕度最大[5]；普惠加拿大公司、西安交通大學(xué)認(rèn)為導(dǎo)出輪距誘導(dǎo)輪壓力面分別為25%[6]、15%[7]葉片柵距時葉輪出口流場最均勻，沒有周向偏置時葉輪的壓比、效率最高；中國科學(xué)院和中國航發(fā)動研所均認(rèn)為導(dǎo)出輪距誘導(dǎo)輪壓力面25%葉片柵距時壓氣機級的性能最佳[4]。通過整理發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)出輪距誘導(dǎo)輪壓力面大于50%葉片柵距時的相對周向位置對葉輪性能的提升沒有幫助，也就是說誘導(dǎo)輪不能太靠近導(dǎo)出輪的壓力面。中國科學(xué)院的研究人員認(rèn)為，在這種情況下誘導(dǎo)輪尾跡產(chǎn)生的低能流體會在導(dǎo)出輪壓力面積累而導(dǎo)致流動分離，增加葉輪內(nèi)部的流動損失[4]；由于葉輪與擴壓器之間存在著強烈的動靜干涉現(xiàn)象，追求葉輪的最優(yōu)性能并不一定能保證部件耦合得到的整級性能最優(yōu)。因此，在壓氣機整級環(huán)境中對誘導(dǎo)輪與導(dǎo)出輪的相對周向位置進(jìn)行合理選擇與優(yōu)化是非常有必要的。

圖5 葉輪出口流場對比

串列離心葉輪的研究展望

提升壓比

目前，關(guān)于串列葉輪的研究主要集中于壓比較低的離心壓氣機，其離心葉輪一般為亞聲速葉輪。隨著離心壓氣機設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步以及新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝的不斷發(fā)展，單級離心壓氣機的壓比大大增加，壓比可達(dá)8.0甚至8.0以上。例如，法國賽峰集團的阿赫尤1和美國霍尼韋爾公司的131-9D的壓比為8.0左右，賽峰集團的阿赫尤2K1的壓比為9.5，日本三菱重工的MG5-100的壓比為11.0，烏克蘭馬達(dá)西奇公司的MS-500壓比高達(dá)11.5。因此，有必要探索串列葉輪在高壓比跨聲速離心壓氣機上的設(shè)計方法與實際應(yīng)用。另外，目前僅在單級離心壓氣機上研究串列葉輪，在軸流—離心組合或雙級離心等壓氣機上還有待研究。

以誘導(dǎo)輪的設(shè)計為突破

由于串列葉輪誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)形式與軸流轉(zhuǎn)子相似，并且隨著壓氣機負(fù)荷越來越高，離心葉輪葉尖進(jìn)口馬赫數(shù)不斷增大，在誘導(dǎo)輪的設(shè)計中可引入先進(jìn)的高負(fù)荷軸流壓氣機葉片設(shè)計方法。例如，中國科學(xué)院的研究人員就選擇了多圓弧葉型并使用預(yù)壓縮設(shè)計來適應(yīng)高葉尖進(jìn)口馬赫數(shù)[4]。此外，還可采用任意中弧線分布形式疊加葉型厚度的方法以期獲得更好的效果，通過中弧線的走勢控制葉片載荷沿弦長方向的分配并影響流場中的激波形態(tài)分布，不同的葉片厚度分布決定了葉型型面的曲率，影響葉型表面靜壓分布。需要注意的是，為了保證縫隙流道的形狀，誘導(dǎo)輪在三維造型時須使用尾緣積疊，可能會存在強度和振動方面的問題。

圖6 串列葉輪葉片角優(yōu)化前后對比

采用自動優(yōu)化系統(tǒng)

傳統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計方法為獲得理想的優(yōu)化結(jié)果需要設(shè)計者經(jīng)過多輪的“手動調(diào)整+三維計算驗證”迭代，效率較低且有一定的局限性。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，將優(yōu)化算法與計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)相結(jié)合的方法應(yīng)用于壓氣機氣動優(yōu)化設(shè)計，能在很大程度上緩解該問題。西安交通大學(xué)在串列葉輪上使用了該技術(shù)[7]，其優(yōu)化結(jié)果表明減小誘導(dǎo)輪葉根葉片型線曲率、誘導(dǎo)輪葉尖S型葉片角分布及增加導(dǎo)出輪尖部前緣葉片角可有效提高串列葉輪的壓比和效率，優(yōu)化后串列葉輪的葉片角分布與實物圖分別如圖6和圖7所示。試驗結(jié)果顯示，優(yōu)化后串列葉輪的壓氣機級設(shè)計轉(zhuǎn)速（45000r/min）的峰值效率為0.796，喘點壓比為2.76。

圖7 優(yōu)化后串列葉輪實物

非定常流動研究

研究表明，離心壓氣機的內(nèi)部流場不僅在空間上非常復(fù)雜，在時間上也表現(xiàn)為強非定常。這種非定常性會對離心壓氣機的效率、運行工況范圍和穩(wěn)定性等氣動性能產(chǎn)生較大的影響[8]。在帶有串列葉輪的離心壓氣機內(nèi)，由于誘導(dǎo)輪和導(dǎo)出輪之間幾何位置相鄰較近，在誘導(dǎo)輪與導(dǎo)出輪之間的間隙處，非定常效應(yīng)不僅強烈而且復(fù)雜，其流動規(guī)律、干擾機理以及對性能和結(jié)構(gòu)的影響均與單列動—靜葉片排為干擾源的非定常流動不同，目前在串列離心葉輪上還未有非定常性的相關(guān)研究。

結(jié)束語

與傳統(tǒng)的單列葉片相比，串列葉片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加，設(shè)計難度較大且加工也變得更加麻煩。盡管如此，串列葉片技術(shù)帶來的優(yōu)勢卻不能被忽視，尤其是在離心葉輪上，串列葉輪的效果還沒有完全發(fā)揮出來。經(jīng)過精細(xì)設(shè)計前、后排葉片的葉型并合理安排其布局方式，串列葉片技術(shù)有望使離心式壓氣機的載荷水平更上一個臺階。

(吳悠，中國航發(fā)動研所，助理工程師，主要從事航空發(fā)動機壓氣機氣動設(shè)計研究)