大型客機(jī)輔助動(dòng)力裝置壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

■ 謝建 銀越千 賀象 曹四 陳璇 / 中國航發(fā)動(dòng)研所

壓氣機(jī)作為大型客機(jī)輔助動(dòng)力裝置的核心部件，在提高輔助動(dòng)力裝置核心機(jī)循環(huán)參數(shù)和功重比，滿足飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、地面維護(hù)、座艙環(huán)境控制條件下的引氣需求等具有重要作用，其設(shè)計(jì)是涉及到氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動(dòng)等多學(xué)科的復(fù)雜過程，優(yōu)先開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究與攻關(guān)，可以為后續(xù)工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

輔助動(dòng)力裝置（APU）是一種小型燃?xì)廨啓C(jī)以及飛機(jī)的重要機(jī)載成品?，F(xiàn)代大型客機(jī)APU功率的提升通常是以提高熱力循環(huán)參數(shù)為代價(jià)，使得APU中核心機(jī)壓氣機(jī)朝著增壓比不斷提高的方向發(fā)展。與此同時(shí)，負(fù)載壓氣機(jī)需要在APU油耗更低的要求下滿足不同條件的引氣需求，要求負(fù)載壓氣機(jī)必須在全工況工作范圍內(nèi)高效可靠地工作。然而，壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)作為支承壓氣機(jī)部件在APU中能夠充分發(fā)揮功能的載體，其設(shè)計(jì)過程必須嚴(yán)格準(zhǔn)守相關(guān)法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從GTCP131-9A（見圖1）為代表的APU可見，高壓比跨聲速離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、寬裕度高效率負(fù)載壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)以及以安全性、可靠性為最終目標(biāo)的壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)是APU壓氣機(jī)部件支撐大型客機(jī)APU的關(guān)鍵，下面從這3個(gè)方面進(jìn)行梳理。

高壓比跨聲速離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)方法從最早的控制進(jìn)出口面積、給定合適的進(jìn)出口葉片構(gòu)造角，到靠精細(xì)控制端壁子午形狀和沿流程葉片構(gòu)造角分布，再到靠精細(xì)控制葉片積疊形式，例如，掠、彎、傾以便獲得葉輪/擴(kuò)壓器的良好匹配。近40年來，圍繞高壓比跨聲速離心壓氣機(jī)離心葉輪設(shè)計(jì)方法和擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)方法，開展了大量研究，應(yīng)用于高壓比跨聲速離心壓氣機(jī)的一些典型技術(shù)如下。

圖1 GTCP131-9A輔助動(dòng)力裝置

串列離心葉輪

串列葉輪與常規(guī)葉輪相比，進(jìn)口導(dǎo)風(fēng)輪部分可以借鑒成熟的軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)理論完成設(shè)計(jì)，可顯著提高導(dǎo)風(fēng)輪的負(fù)荷和效率，對(duì)提升壓氣機(jī)的性能具有促進(jìn)作用。美國于1988年實(shí)施的“綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃”（IHPTET）中已開展串列離心葉輪設(shè)計(jì)技術(shù)研究并取得了重要進(jìn)展[1]。目前已有學(xué)者在高壓比離心壓氣機(jī)應(yīng)用方面開展了相關(guān)的研究工作,圖2給出了串列葉輪實(shí)物模型。

自由曲面離心葉輪

圖2 串列離心葉輪

圖3 自由曲面離心葉輪與常規(guī)葉輪

常規(guī)直紋面葉輪的葉片形狀僅由葉根和葉尖兩個(gè)截面決定，葉身由根部和尖部截面線性插值獲得。雖然該種葉輪加工工藝成熟，成本較低，但難以滿足未來高性能壓氣機(jī)研制的需求。自由曲面離心葉輪沿著葉片高度方向的厚度是可變的，增加了葉輪造型設(shè)計(jì)的維度，有利于葉輪內(nèi)部流動(dòng)的控制以及提高葉輪效率[2]。圖3給出了自由曲面離心葉輪與常規(guī)葉輪對(duì)比圖。

復(fù)合彎掠葉輪

GE本田航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司的一型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓比跨聲速離心葉輪如圖4所示。由于該種葉輪進(jìn)口尖部的超聲速氣流流動(dòng)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的三維效應(yīng)，借鑒軸流壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子復(fù)合彎掠設(shè)計(jì)理念，可在離心葉輪進(jìn)口導(dǎo)風(fēng)輪部分采用復(fù)合彎掠特征實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片表面二次流動(dòng)的抑制，進(jìn)而提高葉輪性能。

多重分流葉片

該技術(shù)葉片在高負(fù)荷跨聲速離心壓氣機(jī)中具有顯著優(yōu)勢(shì)，一方面多重分流葉片可顯著改善葉輪進(jìn)口由于超聲導(dǎo)致的尖部堵塞以及葉輪葉片數(shù)量多導(dǎo)致加工困難的雙重難題；另一方面由于多重分流葉片數(shù)較多，有利于實(shí)現(xiàn)氣流的有效約束，提升葉輪的做功能力。日本三菱重工的一型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)用高壓比離心葉輪[3]如圖5所示。

反方法葉輪

相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，反方法控制沿著流向渦量的偏導(dǎo)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓氣機(jī)葉片載荷的精細(xì)控制。德國航空航天研究院(DLR)已經(jīng)將該技術(shù)成功應(yīng)用于單級(jí)壓比6：1的離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中，圖6給出了DLR設(shè)計(jì)的離心葉輪三維模型。

管式擴(kuò)壓器

采用串列葉輪并匹配管式擴(kuò)壓器的離心級(jí)模型[4]如圖7所示。相比于傳統(tǒng)擴(kuò)壓器，由于其擴(kuò)壓器通道為一系列管道，超跨聲速不均勻來流經(jīng)過管式擴(kuò)壓器大前掠結(jié)構(gòu)的梳理，在平直的喉道內(nèi)進(jìn)一步整流后，經(jīng)過錐形擴(kuò)壓器區(qū)和魚尾擴(kuò)壓區(qū)進(jìn)一步減速，在擴(kuò)壓通道內(nèi)沒有傳統(tǒng)葉片銑削或焊接后形成的角區(qū)，氣流順暢，擴(kuò)壓效果良好，適用于葉輪出口絕對(duì)Ma0.95～1.2的超跨聲速離心級(jí)中。

圖4 GE本田公司高壓比離心葉輪

圖6 DLR反方法設(shè)計(jì)葉輪

圖5 三菱重工高壓比離心葉輪

圖7 管式擴(kuò)壓器離心級(jí)模型

三維葉片式擴(kuò)壓器

早期徑向擴(kuò)壓器葉片通常為單圓弧或者多圓弧中弧線的二維葉片，由于高壓比離心葉輪出口跨間隙的泄漏流與主流摻混后形成的射流尾跡效應(yīng)非常強(qiáng)，導(dǎo)致葉輪出口根部到尖部的氣動(dòng)參數(shù)變化非常劇烈，特別是出口的絕對(duì)氣流角。三維葉片擴(kuò)壓器是針對(duì)不同葉高截面進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，可有效削弱在超跨聲速不均勻來流下對(duì)擴(kuò)壓器性能的不利影響，提高壓氣機(jī)效率。

楔形擴(kuò)壓器

楔形擴(kuò)壓器是APU中應(yīng)用較為廣泛的一種擴(kuò)壓器，該種擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)理論與方法非常成熟。工程應(yīng)用中，采用該種擴(kuò)壓器主要考慮兩方面因素：一方面是結(jié)構(gòu)傳力的需要，擴(kuò)壓器葉型比較厚，這樣可以穿過螺栓，由葉片傳遞較大的載荷；另一方面是加工工藝成熟，對(duì)于成本控制具有顯著優(yōu)勢(shì)。美國國家航空航天局（NASA）的高效率離心壓氣機(jī)楔形擴(kuò)壓器[5]如圖8所示。

寬裕度高效率負(fù)載壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

負(fù)載壓氣機(jī)的主要作用是提供高壓氣體用于飛機(jī)環(huán)境控制、主發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)以及其他需要?dú)庠吹膱?chǎng)合。負(fù)載壓氣機(jī)的工作特點(diǎn)表現(xiàn)為：使用過程中需要頻繁切換不同工況，滿足不同場(chǎng)合的使用需求，壓氣機(jī)不但需要在不同引氣流量下高效地工作，而且還要防止極端使用條件下負(fù)載壓氣機(jī)發(fā)生意外喘振。因此負(fù)載壓氣機(jī)除去高效率特征以外的技術(shù)特征表現(xiàn)為：一方面需要具備導(dǎo)向葉片調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)或結(jié)合其他擴(kuò)穩(wěn)手段保證負(fù)載壓氣機(jī)具備非常寬的穩(wěn)定工作流量范圍；另一方面需要具備防喘控制能力。

可調(diào)導(dǎo)向葉片

可調(diào)導(dǎo)向葉片是調(diào)節(jié)壓氣機(jī)特性的重要手段，負(fù)載壓氣機(jī)引氣過程中通常需要根據(jù)引氣壓力以及引氣換算流量對(duì)導(dǎo)向葉片進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)載壓氣機(jī)不引氣的時(shí)候，導(dǎo)向葉片關(guān)閉到最小位置，保證負(fù)載壓氣機(jī)不喘振時(shí)的功耗最小。

機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)

機(jī)匣處理具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、抑制葉尖間隙泄漏等明顯優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)匣處理起到擴(kuò)穩(wěn)效果的同時(shí)也帶來效率和壓比的損失[6-7]。為了兼顧壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作裕度和等熵效率兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)出一種稱為自循環(huán)的機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)，可以在不降低絕熱效率的同時(shí)拓寬其穩(wěn)定工作范圍。自循環(huán)機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)作用機(jī)理為在接近喘點(diǎn)時(shí)氣流通過葉輪尖部放氣槽往回流腔遷移，氣流經(jīng)進(jìn)口回流槽再次吸入壓氣機(jī)，然后再經(jīng)過葉輪尖部的放氣槽進(jìn)行循環(huán)，由于進(jìn)入壓氣機(jī)進(jìn)口的總流量并未實(shí)質(zhì)性減小，壓氣機(jī)進(jìn)口尖部的氣流迎角得到極大改善，因此可以獲得壓氣機(jī)裕度提升。已有試驗(yàn)結(jié)果表明，在跨聲速離心葉輪上采用自循環(huán)機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)形式，離心壓氣機(jī)的工作裕度在不損失效率的情況下有所增加[8]。自循環(huán)機(jī)匣與傳統(tǒng)機(jī)匣結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖9所示。

防喘控制

負(fù)載壓氣機(jī)在使用過程中由于頻繁切換工作狀態(tài)，為滿足不同天氣溫度的引氣需求，需要通過導(dǎo)向葉片來調(diào)節(jié)不同溫度下壓氣機(jī)的出口引氣流量和壓力，避免因極端情況導(dǎo)致負(fù)載壓氣機(jī)喘振。其基本原理是在負(fù)載壓氣機(jī)擴(kuò)壓器進(jìn)出口設(shè)置壓差傳感器，根據(jù)壓差與壓氣機(jī)出口換算流量的關(guān)系提前設(shè)定好工作范圍，若超過預(yù)警值，則負(fù)載壓氣機(jī)集氣蝸殼下游防喘閥打開，使負(fù)載壓氣機(jī)快速退出喘振狀態(tài)，保證使用安全。

圖8 高效率離心壓氣機(jī)楔形擴(kuò)壓器

圖9 自循環(huán)機(jī)匣與傳統(tǒng)機(jī)匣

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要求

根據(jù)中國民航局2014年頒布的CTSO-77b，大型客機(jī)APU不僅注重安全性、可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性等要求外，同時(shí)還要兼具經(jīng)濟(jì)性、較長的使用壽命和易于維修等特點(diǎn)，這些需求對(duì)于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件的強(qiáng)度、壽命、包容性等均提出了要求，大型客機(jī)APU的壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)方面需要以先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)作為支撐。

長壽命葉輪

成熟的APU平均翻修間隔為10000h以上，葉輪作為冷端部件中的關(guān)鍵件，必須具有極高的壽命。離心葉輪設(shè)計(jì)中需要充分考慮氣動(dòng)性能，葉輪強(qiáng)度壽命、振動(dòng)、變形控制以及裝配性等因素，在眾多約束下獲得滿足壽命要求的離心葉輪。

葉輪包容

在CTSO-77b中明確要求對(duì)APU轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮葉片失效斷裂或者輪盤失效斷裂后產(chǎn)生的高能碎片脫離軌跡，應(yīng)設(shè)計(jì)專門的包容結(jié)構(gòu)，保證在極端條件下的包容性需求。

葉輪進(jìn)口抗外物損傷

由于APU工作過程中可能會(huì)吸入異物，例如，冰塊、沙石以及其他異物，為保證使用安全，離心葉輪葉片的設(shè)計(jì)必須要考慮抗外物損傷，CTSO-77b中也有相應(yīng)要求，設(shè)計(jì)中葉輪通常采用葉片前緣增厚、大后掠等措施，避免因葉片前緣擊傷導(dǎo)致葉片斷裂失效，提高APU工作安全性。

壓氣機(jī)變形與間隙控制

由于大型客機(jī)用APU的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是負(fù)載壓氣機(jī)和動(dòng)力壓氣機(jī)設(shè)置在同一根細(xì)長轉(zhuǎn)軸上，離心葉輪葉片和外罩之間的工作間隙對(duì)壓氣機(jī)性能影響非常顯著，設(shè)計(jì)中需要考慮壓氣機(jī)葉輪受到溫度載荷、壓力載荷、軸向預(yù)緊力以及離心力、轉(zhuǎn)子竄動(dòng)等的共同作用對(duì)葉輪尖部變形產(chǎn)生的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓氣機(jī)尖部變形的有效控制，并通過試驗(yàn)確認(rèn)最佳工作間隙。

引氣污染控制

負(fù)載壓氣機(jī)提供的壓縮氣體在環(huán)境控制引氣條件時(shí)，將氣體提供給飛機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)以供飛機(jī)座艙乘客正常呼吸，CTSO-77b中規(guī)定APU進(jìn)氣道在滿足防火要求下，進(jìn)氣道不會(huì)釋放危險(xiǎn)量的有毒氣體到引氣中。壓氣機(jī)專業(yè)需要注意的是防止負(fù)載葉輪背腔封嚴(yán)篦齒滑油泄漏到負(fù)載壓氣機(jī)主流道中引起呼吸不適。

結(jié)束語

隨著APU性能指標(biāo)需求的提升，針對(duì)采用負(fù)載壓氣機(jī)引氣構(gòu)型的主流大型客機(jī)APU，一方面要求其核心機(jī)壓氣機(jī)的壓比不斷提高，另一方面要求負(fù)載壓氣機(jī)滿足不同引氣環(huán)境下高效工作，降低燃油消耗量提高經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)針對(duì)APU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還需要對(duì)接相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，保證APU的安全與可靠。由此可見，先進(jìn)的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于支撐未來大型客機(jī)輔助動(dòng)力裝置的研制具有重要作用。