航空發(fā)動機風扇/壓氣機技術發(fā)展趨勢

■ 溫泉 馬寧 南希 / 中國航發(fā)研究院

航空發(fā)動機是一個多學科耦合的高科技行業(yè)，是一個國家國防、經(jīng)濟和科技能力的綜合體現(xiàn)。風扇/壓氣機作為航空發(fā)動機關鍵部件之一，其技術水平對航空發(fā)動機的發(fā)展有著重要影響，一直是航空發(fā)動機領域的重點發(fā)展方向。

風扇和壓氣機通過對進入發(fā)動機的空氣做功提高其壓力，為燃燒室提供高壓空氣，來提高發(fā)動機熱力循環(huán)效率。根據(jù)氣流在壓氣機中的流動方向可將其分為軸流式和離心式，由二者組合起來的為組合式壓氣機；根據(jù)氣流的流速可將其分為亞聲速、跨聲速和超聲速壓氣機。評價風扇/壓氣機性能的主要指標通常包括空氣流量、增壓比、效率、喘振裕度、外廓尺寸、質(zhì)量和無故障間隔時間等。

發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

大涵道比渦扇發(fā)動機風扇

大涵道比渦扇發(fā)動機是軍民用大型飛機的動力裝置。目前，GE、普惠和羅羅三大公司在大型飛機發(fā)動機的國際市場上依然處于壟斷地位，俄羅斯的大涵道比渦扇發(fā)動機主要配裝在本國的大型飛機上。

進入21世紀，歐美三大公司的發(fā)動機涵道比從20世紀90年代初的4～6∶1提升到10～11∶1，例如，羅羅公司的遄達1000發(fā)動機和GE公司的GEnx發(fā)動機，而普惠公司的PW1000G發(fā)動機的涵道比則達到了12∶1，羅羅公司正在研發(fā)的“超扇”（UltraFan）發(fā)動機的涵道比將達到15∶1以上。為了滿足最佳總體循環(huán)參數(shù)和低噪聲要求，風扇部件壓比需要降低到1.4∶1左右，轉(zhuǎn)子葉尖切線速度維持在370m/s左右（羅羅公司的遄達8000發(fā)動機更低，約為320m/s），伴隨而來的是飛機/發(fā)動機噪聲水平的降低。

GEnx高涵道比發(fā)動機

為提高效率、降低噪聲、提高抗外物損傷能力，大涵道比風扇常采用寬弦葉片，若采用常規(guī)實心鈦合金結(jié)構，不僅會增加葉片質(zhì)量，還會增加輪盤、支承結(jié)構、包容機匣的質(zhì)量，從而大幅增加發(fā)動機質(zhì)量。因此，先進的大涵道比發(fā)動機都在寬弦風扇葉片上采取各種減輕質(zhì)量措施，遄達系列和PW4000系列的風扇采用鈦合金空心葉片技術，而GE90、GE9X系列的風扇則廣泛采用復合材料葉片。隨著復合材料技術的發(fā)展，GE公司隨后將其應用拓寬到風扇包容機匣，開發(fā)了碳纖維編織結(jié)構增強樹脂基復合材料包容機匣，而GEnx發(fā)動機則成為世界上第一臺采用全復合材料風扇包容機匣技術的大型發(fā)動機。

D-27無涵道對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機

隨著發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)的不斷優(yōu)化，涵道比相應提高。以現(xiàn)有技術水平，若涵道比繼續(xù)增大，風扇技術將很難在高亞聲速巡航條件下保持低油耗，因此一種新型動力裝置——槳扇發(fā)動機受到關注。它是介于渦扇和渦槳發(fā)動機之間的高亞聲速航空推進系統(tǒng)，其槳扇與大涵道比渦扇發(fā)動機的風扇部件有很多類似的技術特點。20世紀80年代末至90年代初，蘇聯(lián)和歐美等國開展了多個槳扇發(fā)動機驗證機和型號研制，例如，烏克蘭的D-27發(fā)動機最大巡航總壓比可達29.7∶1，俄羅斯的NK-93發(fā)動機涵道比為16.6∶1，總壓比為37∶1。美國也研制了GE36和578-DX等槳扇發(fā)動機。

小涵道比渦扇發(fā)動機風扇

小涵道比渦扇發(fā)動機主要用于戰(zhàn)斗機，以美國F119、F135，法國M88，歐洲EJ200和俄羅斯30號機等第四代小涵道比渦扇發(fā)動機為代表，其涵道比為0.2～0.4∶1，總壓比可達25～35∶1。

目前，小涵道比發(fā)動機大多基于20世紀60—80年代的產(chǎn)品系列發(fā)展衍生而來，發(fā)動機的涵道比整體呈降低趨勢，壓縮系統(tǒng)的總壓比提高趨勢較為緩慢，高壓壓氣機的壓比基本保持在5～7∶1，因此需要通過提高風扇壓比來增加壓縮部件的總壓比。目前，以F119為代表的小涵道比渦扇發(fā)動機基本都采用3級風扇，壓比在5∶1左右。小涵道比渦扇發(fā)動機的風扇除了采用寬弦空心葉片和復合材料技術，通常還采用整體葉盤結(jié)構。整體葉盤不僅減輕質(zhì)量效果顯著，同時對性能和結(jié)構可靠性也有所提升，美國F119、F135和EJ200發(fā)動機風扇和壓氣機轉(zhuǎn)子都采用了整體葉盤結(jié)構。

寬弦空心葉片技術

F119小涵道比渦扇發(fā)動機

整體葉盤

隨著未來戰(zhàn)斗機寬工作范圍和多工作狀態(tài)的作戰(zhàn)需求，變循環(huán)發(fā)動機成為了最具潛力的發(fā)展方向，其壓縮部件特征之一是核心機驅(qū)動風扇級（CDFS）。CDFS是GE公司20世紀60年代為F-22研制YF120變循環(huán)發(fā)動機提出的新型壓縮部件。不同于傳統(tǒng)風扇，CDFS是和高壓壓氣機一起由高壓渦輪驅(qū)動，具有較寬的流量范圍，可以適應整機不同涵道比的匹配需求。隨后，美國又在“自適應通用發(fā)動機技術”（ADVENT）計劃中開發(fā)和驗證了壓比可控的自適應循環(huán)發(fā)動機，其壓縮部件特點是在常規(guī)外涵道外增加了第三涵道，實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量，提高發(fā)動機熱管理的能力。

高壓比多級軸流壓氣機

隨著發(fā)動機更高推重比的發(fā)展需求，多級軸流壓氣機將向更高壓比的方向發(fā)展。目前，大涵道比渦扇發(fā)動機的壓縮部件總壓比從25～30∶1提升到了50∶1，由于其風扇部件的壓比略有降低趨勢，因此其增壓級/中壓壓氣機和高壓壓氣機需要提高壓比來滿足高總壓比的要求，目前GE9X發(fā)動機的11級高壓壓氣機壓比達到了27∶1。

對于多級軸流壓氣機，級間匹配問題增加了流動復雜性，提高了壓氣機設計難度，往往需要經(jīng)過多輪迭代才能滿足設計要求。美國GE公司和普惠公司同時進行了E3發(fā)動機研制，最終GE公司用3年時間經(jīng)過多輪迭代設計與大量試驗驗證才滿足設計需求。GE公司形成的E3發(fā)動機高壓壓氣機技術，為后續(xù)GE公司高壓壓氣機設計提供了技術支撐。GE90發(fā)動機的高壓壓氣機就是將E3的高壓壓氣機按流量放大，實現(xiàn)了10級壓比23∶1，平均級壓比達到1.368∶1，是當時平均級壓比最高的民用發(fā)動機高壓壓氣機。

多級軸流壓氣機另一設計難點是解決中低轉(zhuǎn)速喘振裕度不足的問題，通常采用可調(diào)靜子葉片、級間放氣以及多轉(zhuǎn)子設計來提高壓氣機的穩(wěn)定性。此外，機匣處理技術通過控制壓氣機轉(zhuǎn)子葉頂端區(qū)流動，能夠較好地拓寬壓氣機的喘振裕度。目前，最新一代的機匣處理不僅能夠有效拓寬壓氣機的工作范圍，同時對壓氣機的效率不產(chǎn)生負面影響。歐洲大型軍用渦槳發(fā)動機TP400-D6采用的多級軸流壓氣機，由于其質(zhì)量限制需要取消可調(diào)靜子結(jié)構，德國MTU公司采用新型機匣處理技術成功地拓寬其中低轉(zhuǎn)速喘振裕度。

渦軸/渦槳發(fā)動機壓氣機

渦軸發(fā)動機用于軍民用直升機，渦槳發(fā)動機廣泛應用于軍事運輸機、預警機和無人機等。發(fā)動機結(jié)構形式按照賽峰直升機發(fā)動機（原透博梅卡）公司的劃分方法可分為3擋：功率為500kW、壓比為10∶1量級采用單級離心形式；功率為1000kW、壓比為15∶1量級，采用雙級離心或斜流離心組合壓氣機；功率為2000kW、壓比為17～20∶1量級采用軸流離心或斜流離心組合壓氣機。對于更高功率要求，則采用大型發(fā)動機的多級軸流壓氣機形式，例如歐洲新研制的大型軍用運輸機A400M的渦槳發(fā)動機TP400-D6則采用了多級軸流壓氣機，功率為9600kW，壓比達到25∶ 1。

渦軸/渦槳發(fā)動機的壓氣機主要特點是小流量軸流離心組合壓氣機的應用，其軸流級與渦扇發(fā)動機壓氣機本質(zhì)相同，但由于尺寸較小，端區(qū)附面層和二次流等流動對主流影響更為顯著。另外，還需要考慮軸流級與離心級氣動、結(jié)構上的匹配問題。20世紀80年代末，高壓比超跨聲速離心壓氣機設計技術的發(fā)展，使得雙級離心壓氣機與軸流離心組合壓氣機的性能水平相當，而雙級離心壓氣機由于零部件數(shù)量少、結(jié)構簡單緊湊、環(huán)境適應能力強等優(yōu)點，成為第四代發(fā)動機采用的主要形式。賽峰直升機發(fā)動機公司在20世紀90年代初設計的雙級離心壓氣機壓比達到了15∶1，并基于此壓氣機發(fā)展出多型雙級離心壓氣機。普惠加拿大公司也研制出壓比為10∶1的離心壓氣機。隨著高性能單級軸流壓氣機及斜流壓氣機設計技術的發(fā)展，2～3級的高性能新型組合壓氣機將在第五代渦軸發(fā)動機中得到大力發(fā)展。

其他類型的壓縮系統(tǒng)

升力風扇可用于短距/垂直起降飛機用發(fā)動機，升力風扇沒有單獨的動力系統(tǒng)，由主發(fā)動機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。美國F-35B短距/垂直起降戰(zhàn)斗機的成功關鍵就是采用了升力風扇和渦扇發(fā)動機組合動力系統(tǒng)。

渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機（TBCC）由渦輪發(fā)動機和其他類型發(fā)動機組合而成，是最具潛力的空天動力裝置，其壓氣機具備高通流、寬工況適應范圍的特點。另外，由于飛行速度高，來流溫度也高，壓氣機通常需要進行預冷或采用高溫合金材料。美國、日本和歐洲開展了多個計劃發(fā)展TBCC技術。

T55渦軸發(fā)動機

涵道風扇是可用于多種垂直起降的飛行器，例如直升機的涵道尾槳。涵道風扇能比同樣直徑的孤立風扇產(chǎn)生更大升力，同時由于涵道的環(huán)括作用使得結(jié)構緊湊、氣動噪聲低、安全性好。隨著作戰(zhàn)模式轉(zhuǎn)變，涵道風扇在小型無人飛行器方面得到應用。美國采用涵道風扇的多型無人飛行器成功試飛，如Cypher、Istar和Helispy等。

面臨的技術挑戰(zhàn)

目前，先進的風扇/壓氣機設計體系已發(fā)展到全三維水平，高壓壓氣機平均級壓比已達到1.6∶1左右，使用和在研的發(fā)動機風扇的平均級壓比已達到1.5～1.7∶1，研究中的更是達到2.2～3.2∶1。級壓比的提高不僅改善了發(fā)動機性能，還意味著壓氣機的級數(shù)減少。

我國的航空發(fā)動機自主研發(fā)起步較晚，基礎相對薄弱，設計體系尚不健全。在風扇/壓氣機設計、試驗、材料和工藝等方面距世界先進水平存在差距，應在短板方面加強技術攻關，加快突破和全面掌握關鍵技術，逐步提升風扇/壓氣機自主研發(fā)能力。根據(jù)目前國內(nèi)技術現(xiàn)狀，風扇/壓氣機技術在以下幾個共用關鍵技術方向面臨挑戰(zhàn)。

大涵道比風扇/槳扇技術

我國已經(jīng)在首臺大涵道比民用發(fā)動機驗證機CJ-1000AX上完成了鈦合金寬弦空心風扇葉片和鋁合金大型薄壁風扇包容機匣技術驗證，近期還成功研制出復合材料風扇包容機匣，標志著我國在這些技術點上實現(xiàn)了重大突破。今后還應該在葉片三維造型及優(yōu)化、高效率低噪聲風扇設計、葉片流固耦合顫振穩(wěn)定性評估與仿真、鈦合金寬弦空心葉片設計/制造以及復合材料轉(zhuǎn)子葉片和包容機匣設計/制造等方面加強技術研究和驗證，全面提升大涵道比風扇/槳扇的設計和制造技術。

CJ-1000AX發(fā)動機驗證機

高負荷、高效率風扇/軸流壓氣機技術

美國在“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術”（IHPTET）和“通用經(jīng)濟可承受先進渦輪發(fā)動機”（VAATE）計劃中提出了下一代戰(zhàn)斗機用渦扇發(fā)動機的推重比將朝著15～20∶1發(fā)展。根據(jù)未來軍用渦扇發(fā)動機更高推重比的發(fā)展趨勢，風扇/壓氣機將向更輕質(zhì)、更緊湊、更高級負荷、更高氣動效率的方向發(fā)展。因此，需要在三維葉片造型及全三維黏性反問題優(yōu)化設計、寬弦空心風扇葉片結(jié)構強度設計、風扇葉片振動仿真、復合材料整體葉環(huán)、高溫鈦合金整體葉盤等技術方向進行加強和提升。

高負荷、高效率離心壓氣機技術

離心壓氣機是渦軸和渦槳發(fā)動機常用的壓氣機形式，相對于軸流壓氣機有著自身的特點，由于流道曲率大，離心力和科氏力對其內(nèi)部流動的影響更加明顯。隨著離心葉輪壓比升高，徑向擴壓器的進口流速通常超過聲速，增加了其設計難度。因此，離心壓氣機將主要在超跨聲速離心葉輪設計、超聲速徑向擴壓器葉片造型、級間匹配、高壓比離心壓氣機氣動穩(wěn)定性分析、雙級離心壓氣機結(jié)構優(yōu)化等技術方向開展工作。

高壓比多級軸流/組合壓氣機技術

根據(jù)大涵道比渦扇發(fā)動機更高總壓比的發(fā)展趨勢，由于其風扇壓比變化不大，高壓壓氣機的壓比水平將繼續(xù)提高。同時，隨著軍民用渦軸/渦槳發(fā)動機功重比不斷提升，對其壓縮系統(tǒng)也提出了更高壓比的要求。針對高壓比多級軸流壓氣機和組合壓氣機，高效/高負荷葉片設計及優(yōu)化、壓氣機級間匹配、高效擴穩(wěn)處理機匣設計、整體葉盤修復、輕質(zhì)靜子葉片調(diào)節(jié)機構設計、新材料整體葉盤以及防鈦火結(jié)構設計等成為應重點關注和發(fā)展的技術。

寬范圍風扇/壓氣機技術

變循環(huán)發(fā)動機因其強大的調(diào)節(jié)能力成為最具潛力的發(fā)動機之一，通過模式切換能同時滿足起飛或亞聲速巡航時低油耗、低噪聲以及加速、爬升或超聲速巡航狀態(tài)具有足夠推力的需求，能夠?qū)崿F(xiàn)寬工作狀態(tài)和多用途需求。但是，為了適應發(fā)動機調(diào)節(jié)能力，對壓縮系統(tǒng)也提出了更高要求，特別針對變循環(huán)發(fā)動機發(fā)展目標，應開展高抗畸變寬弦風扇設計、高效/復合彎掠/超聲速CDFS轉(zhuǎn)子葉片設計、自適應多涵道風扇設計和增材制造等關鍵技術驗證。

其他需求壓氣機技術

除了加強對上述風扇/壓氣機關鍵技術攻關，也應該積極開展面向未來動力特殊設計需求的壓縮系統(tǒng)先進技術驗證研究，例如升力風扇設計技術、高通流全超聲速風扇設計技術、高空低雷諾數(shù)風扇設計技術和超臨界工質(zhì)壓縮系統(tǒng)設計技術等。

結(jié)束語

從未來航空發(fā)動機風扇/壓氣機的發(fā)展趨勢來看，我國與世界先進水平還存在一定距離。我們需要認清這些差距，綜合國內(nèi)外航空發(fā)動機研制的主要問題，制訂科學全面的專業(yè)發(fā)展規(guī)劃，加強關鍵技術攻關，建立完善的設計體系，盡快達到世界一流風扇/壓氣機技術水平。