三維葉片設計技術在現(xiàn)代壓氣機中的應用＊

■ 李博 王兆祺 蘭發(fā)祥 唐方明/中國航發(fā)研究院

三維（3D）葉片設計技術的應用使得壓氣機的負荷和效率水平跨上了一個新臺階，先進高負荷、高性能軸流壓氣機設計已全面進入了多級全三維造型階段。

隨著壓氣機級負荷的逐步提高，葉片通道內(nèi)強逆壓梯度作用下的邊界層流動及其他二次流會造成流動損失急劇增加，導致壓氣機效率降低；同時增厚的邊界層對流道的堵塞可能會造成流動分離，導致壓氣機失速或者喘振。三維葉片設計技術通過將葉片向周向、軸向傾斜或彎曲，抑制端壁邊界層的分離、合理改變和調(diào)整三維激波結(jié)構(gòu)以減小損失，提高壓氣機性能，是壓氣機實現(xiàn)高負荷、高效率、高穩(wěn)定裕度的關鍵技術。三維葉片設計技術主要包含端彎設計、弓形靜子和復合彎掠轉(zhuǎn)子等3種。其中，端彎設計主要針對端區(qū)邊界層影響進行修正，多用于早期型號的改進設計，被看作是三維葉片設計的雛形；而弓形靜子及復合彎掠轉(zhuǎn)子均通過葉片的周向或軸向彎曲，來合理利用葉片力將負荷沿徑向進行優(yōu)化匹配，從而達到提高性能的目的。

端彎設計技術

常規(guī)的S2通流設計不考慮端壁邊界層的影響，而在實際的壓氣機葉片通道內(nèi)，由于端壁邊界層的存在，端區(qū)內(nèi)流體的軸向速度低于設計結(jié)果，造成端區(qū)內(nèi)葉片的攻角和落后角偏大，極易導致流動分離。為了修正上述影響，早期型號的改進設計多是通過端彎設計來實現(xiàn)的。

端彎設計技術多用于靜子葉片，在原有葉片的基礎上，適當加大葉片在兩個端區(qū)的安裝角，能夠更好地適應端區(qū)內(nèi)的流動，提高原有壓氣機的性能。靜子葉片端彎后，不僅可以減小端區(qū)內(nèi)靜子葉片的攻角，也可以減小下游轉(zhuǎn)子葉片的攻角，使轉(zhuǎn)子和靜子都可以更好地適應端區(qū)內(nèi)軸向速度低的流動特點。

由于在目前的壓氣機設計過程中，適當減小動靜葉兩端的造型攻角也可以起到和端彎設計相似的效果，還不用擔心端彎可能造成的流動堵塞和加功量降低等因素。端彎技術廣泛應用于第二代發(fā)動機的改進型號和第三代發(fā)動機上，在目前壓氣機設計中的應用已經(jīng)越來越少。

弓形靜子技術

弓形靜子技術是在端彎靜子之后，以先進計算流體力學技術為基礎發(fā)展起來的三維葉片設計技術，主要用于消除和推遲靜子葉片拐角的氣流分離。靜子葉片如果采用常規(guī)的徑向積疊，當出口預旋沿葉高變化不大時，葉片沿葉高幾乎是無扭轉(zhuǎn)的直葉片。如果采用弓形積疊，葉片兩端向葉背彎曲，在葉根處形成正傾斜角，在葉尖處形成負傾斜角。

弓形靜子技術改善靜子端區(qū)流動的原理是合理地利用了葉片力。與常規(guī)徑向積疊的靜子相比，弓形靜子沿垂直于葉片表面的葉片力分量方向發(fā)生了變化，這一變化可以促使主流區(qū)內(nèi)的部分高能流體向兩個端區(qū)偏移，改善端區(qū)內(nèi)的流動狀態(tài)，從而推遲分離，減少端壁損失，提高靜子的壓升能力，使壓氣機在整個流量范圍內(nèi)的增壓特性更穩(wěn)定，喘振裕度獲得顯著提高。弓形靜子技術可有效消除在常規(guī)徑向積疊靜子中出現(xiàn)的端區(qū)流動分離，如圖1所示。

普惠公司在PW4084高壓壓氣機上最先采用了弓形靜子葉片，顯著提高了壓氣機性能。之后，普惠、GE、羅羅等公司先后在產(chǎn)品上采用了弓形靜子設計，均取得了明顯的收益。目前，弓形靜子設計技術已經(jīng)基本成熟并得到了大量成功的驗證，在現(xiàn)代壓氣機設計中得到了廣泛的應用。

復合彎掠轉(zhuǎn)子技術

葉片的彎和掠是利用三維效應主動控制邊界層流動、端壁效應及激波結(jié)構(gòu)的重要手段之一。彎葉片和掠葉片在發(fā)展初期是兩個獨立的設計概念，但隨著研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)彎、掠的“內(nèi)涵”基本相同，均是依靠基元葉型在不同方向上的錯位，通過改變?nèi)~片徑向力來影響流線曲率、流片形狀等，進而對展向負荷進行重新匹配，從而影響壓氣機性能。故在彎和掠技術發(fā)展的后期，二者逐漸融合發(fā)展為復合彎掠葉片技術，使葉片基元負荷在展向得到了更加綜合、良好的匹配，并在現(xiàn)代高性能壓氣機設計中得到廣泛應用。

針對葉片的彎和掠并沒有統(tǒng)一的定義，工程上一種簡單常用的彎掠定義，將葉片的積疊線沿周向的變換稱為彎，而沿軸向的變換稱為掠，如圖2所示。但此種定義并沒有真正的將彎和掠獨立出來，除了安裝角為零的特殊情況外，這種定義使得彎中帶有掠的因素，掠中帶有彎的因素。但無論彎和掠如何被定義，本質(zhì)均是在直葉片的基礎上，通過移動葉型積疊點的位置使葉片產(chǎn)生彎掠的效果，從而增加葉片的設計自由度，擴展葉片的設計空間[1]。

通過彎可以使葉片對流體施加的葉片力產(chǎn)生徑向分量，進而控制通道內(nèi)的二次流動，原理與弓形靜子相似（弓形靜子本質(zhì)上也是一種彎曲葉片）。一個合理的彎設計可以使葉片負荷沿葉高分布更加合理，進而提升壓氣機的性能。除此之外，在葉尖區(qū)域有間隙及泄漏流的存在，一個在葉尖處向壓力面彎曲的葉片可以看作一把“鏟子”，一部分本應經(jīng)過間隙形成泄漏流的流體在“鏟子”的作用下離開機匣向內(nèi)走，進而減少了間隙泄漏的強度及引起的損失，提高了葉尖區(qū)域的效率和穩(wěn)定裕度。

圖 1 弓形靜子技術對端區(qū)流動分離的改善

圖 2 工程上一種常用的彎和掠的定義

圖 3 復合彎掠轉(zhuǎn)子對角區(qū)分離及葉尖泄漏的抑制作用

在跨聲速壓氣機中，葉片的掠主要是為了控制激波結(jié)構(gòu)，這也是受到外流中掠形機翼理論成功用于降低激波阻力的啟發(fā)。葉片表面邊界層內(nèi)的低能流體受離心力作用向葉尖遷移，對于采用后掠的轉(zhuǎn)子，大多數(shù)低能流體從下半葉展移向頂部，并終止于葉片頂部。頂部流體的阻塞加劇了激波與邊界層干擾，推動激波前移，并產(chǎn)生了較大的損失。對于采用前掠的轉(zhuǎn)子，從下半部來的邊界層低能流體在葉展中部就離開葉片，因此頂部的阻塞要小得多，從而使壓氣機的穩(wěn)定裕度有效增加。

葉片彎和掠的結(jié)合可以有效降低端區(qū)的氣動負荷，從而達到改善端區(qū)流動的目的。從圖3可以看出，采用復合彎掠技術優(yōu)化設計后的轉(zhuǎn)子葉片不僅消除了角區(qū)的流動分離，葉尖泄漏的強度也明顯減小。

經(jīng)過多年的研究和驗證,采用復合彎掠技術的風扇和壓氣機轉(zhuǎn)子葉片目前已經(jīng)逐步應用到現(xiàn)役和在研的渦扇發(fā)動機上。民用渦扇發(fā)動機中，GE90-115B和GEnx發(fā)動機的風扇都采用了三維氣動設計的彎掠轉(zhuǎn)子葉片，在提高效率的同時還增大了流量，從而增大了推力；在Tech56高壓壓氣機中，前3級轉(zhuǎn)子均采用了三維彎掠設計，轉(zhuǎn)子向壓力面彎曲，尾緣呈現(xiàn)弓形；除此之外，遄達系列發(fā)動機上均不同程度的應用了彎掠轉(zhuǎn)子技術。軍用發(fā)動機中，F(xiàn)414增推型發(fā)動機的2級高增壓比風扇和前3級高壓壓氣機、F136發(fā)動機的5級高壓壓氣機均采用了三維氣動設計的彎掠葉片，提高了壓氣機的性能和氣動穩(wěn)定性[2-3]。

三維葉片設計技術的未來發(fā)展

目前，三維葉片設計技術對葉輪機械流場改善的原理已經(jīng)基本清楚，并在國內(nèi)外很多在役或預研的型號上得到了應用。設計人員經(jīng)過多年的摸索與實踐，逐步掌握了一些設計經(jīng)驗，可以在一定程度上對設計進行定性的指導。然而，當前的設計經(jīng)驗不具備普適性，特別是對于高負荷的壓氣機，在流動布局上呈現(xiàn)出很多全新的特征，如果沒有形成具體的設計準則，則使用起來可能會耗費資源且不可靠。例如，對于復合彎掠轉(zhuǎn)子技術，只有合理的彎掠設計才能帶來正向的性能收益，葉片的彎曲雖然可以抑制角區(qū)失速的發(fā)展，但若是彎曲過大，反而會加劇低能流體向葉片中部匯聚，中部區(qū)域的流動損失增加量可能會超過端區(qū)損失的減少量，造成葉片總體性能下降[4]。除此之外，葉片的彎和掠往往需要互相配合，以滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。所以，形成三維葉片設計的設計準則或數(shù)學模型是一項亟待解決的難題，也是將三維葉片設計技術進一步落實為實用技術的必經(jīng)之路。

除此之外，未來為了進一步提升壓氣機性能，實現(xiàn)更高的負荷、效率以及穩(wěn)定裕度，端區(qū)復雜流動的組織與調(diào)控是首當其沖需要解決的難題。當前葉片的三維設計技術在葉片/端區(qū)交匯處的參數(shù)化嚴重不足，僅僅能部分緩解端區(qū)的流動問題。因此，需要摒棄一直以來葉片與端壁獨立設計的習慣，借鑒外流飛機翼身融合技術，開展葉片與端壁一體化設計[5]，從而實現(xiàn)端區(qū)流動的精細化控制。

結(jié)束語

縱觀國內(nèi)外高性能航空發(fā)動機風扇、壓氣機的成功設計案例，三維葉片設計技術是提高風扇、壓氣機性能的關鍵技術，我們急需在這些成功案例中進一步提煉設計經(jīng)驗，發(fā)展并形成三維葉片設計的準則和數(shù)學模型，以支撐未來超高負荷風扇、壓氣機的研制任務。