民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)技術(shù)進(jìn)展

曹傳軍，劉天一，朱偉，王進(jìn)春

中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241

大型客機(jī)無一例外地采用了大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力，國(guó)際民航市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展促進(jìn)了民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的飛速提升。為了進(jìn)一步降低耗油率，提升大型客機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)不斷地提高涵道比。同時(shí)伴隨著材料耐溫水平和冷卻技術(shù)的提高，作為核心部件的高壓壓氣機(jī)的壓比和效率也在持續(xù)升高［1］。高效率高壓比壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)是大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)［2］。隨著涵道比越來越大，渦輪前溫度的提升，壓縮部件的總壓比增大有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的比推力和降低耗油率。目前先進(jìn)水平的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比達(dá)到11～12，渦輪前溫度達(dá)到1 950 K 以上，壓縮部件的總壓縮比達(dá)到50～60，其中高壓壓氣機(jī)的壓比達(dá)到20～28，且在實(shí)現(xiàn)高壓比的同時(shí)，還要保證具有一定的穩(wěn)定工作裕度。

國(guó)際上大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)被美國(guó)通用電氣（GE）、美國(guó)普惠（PW）、英國(guó)羅·羅（RR）三大 公 司 或 其 合 資 公 司 如CFMI、IAE 等 壟 斷［3］。三大公司的技術(shù)路線和設(shè)計(jì)特點(diǎn)不盡相同，GE和PW 專注于雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)，如GE 基于F101 發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)發(fā)展出CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓壓氣機(jī)采用9 級(jí)軸流式，壓比達(dá)到12；基于20 世紀(jì)80 年代的E3計(jì)劃，發(fā)展了GE90、GEnx 發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓壓氣機(jī)為10 級(jí)軸流式，壓比達(dá)到了23；PW 發(fā)展了PW4000 發(fā) 動(dòng) 機(jī)，而RR 基于三軸的RB211 發(fā) 動(dòng)機(jī)發(fā)展出來Trent 系列發(fā)動(dòng)機(jī)，由于采用三軸設(shè)計(jì)，高壓壓氣機(jī)為6 級(jí)軸流式，無可調(diào)靜葉，壓比為4.2。2016 年P(guān)W 公司獨(dú)辟蹊徑，創(chuàng)新研發(fā)了PW1000G 系列齒輪傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，涵道比進(jìn)一步增大，耗油率顯著降低，高壓壓氣機(jī)采用8 級(jí)軸流式，壓比14。

中國(guó)在2007 年和2017 年分別啟動(dòng)了國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型飛機(jī)重大專項(xiàng)”和“航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)”，開啟了民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，作為核心部件的高壓壓氣機(jī)也同步攻關(guān)，但其研制基礎(chǔ)薄弱、經(jīng)驗(yàn)缺乏、難度極高。

本文對(duì)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了剖析，評(píng)述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外此領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展水平、發(fā)展趨勢(shì)，客觀地指出國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域面臨的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，期望能借鑒吸收國(guó)際先進(jìn)的設(shè)計(jì)特征，對(duì)中國(guó)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到一定的啟示作用。

1 技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)特征

1. 1 技術(shù)指標(biāo)

評(píng)價(jià)高壓壓氣機(jī)性能水平的指標(biāo)主要有效率、總壓比和喘振裕度。效率代表了壓氣機(jī)內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換的完善程度，總壓比代表了負(fù)荷水平，喘振裕度代表了壓氣機(jī)能偏離工作點(diǎn)使用的范圍。對(duì)于民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)來說，發(fā)動(dòng)機(jī)首要考慮的燃油經(jīng)濟(jì)性使得壓氣機(jī)效率成為其性能的首要指標(biāo)。目前民航市場(chǎng)上先進(jìn)窄體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)等熵效率在87%以上（效率實(shí)現(xiàn)的難易程度和總壓比相關(guān)，總壓比低的壓氣機(jī)，效率指標(biāo)偏高些）。隨著高壓壓氣機(jī)進(jìn)口流量和葉高尺寸的增加，端區(qū)附面層和葉尖間隙泄漏損失的影響減弱，效率指標(biāo)也會(huì)提高，典型寬體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的等熵效率達(dá)到88%以上。RR 公司的發(fā)展歷程表明，壓氣機(jī)效率的發(fā)展已基本達(dá)到極致，如圖1［4］所示?？傮w而言，壓氣機(jī)效率的提升十分困難，通常認(rèn)為每十年才能提升一個(gè)百分點(diǎn)［4］。

圖1 RR 公司高壓壓氣機(jī)多變效率的發(fā)展［4］Fig.1 Polytropic efficiency development of high-pressure compressors in RR Company［4］

民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為了降低耗油率，進(jìn)一步提高涵道比，核心機(jī)的循環(huán)功逐步提升，高壓壓氣機(jī)的氣動(dòng)負(fù)荷越來越重，表現(xiàn)為級(jí)數(shù)減少，壓比增大。如 表1 所 示，CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)9 級(jí)高壓壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)了CJ805 發(fā)動(dòng)機(jī)17 級(jí)高壓壓氣機(jī)的壓比，GE 公司最新的GE-9X 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)壓比達(dá)到了27～28，平均級(jí)壓比1.35～1.40。難度更高的是高壓壓氣機(jī)要求高負(fù)荷的同時(shí)還需要寬廣的穩(wěn)定工作范圍，以滿足飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速性、性能衰退、進(jìn)口吸入雨/冰/雹的要求，用喘振裕度來表示高壓壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，通常在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)喘振裕度要求＞（20%～25%）。

表1 典型高壓壓氣機(jī)壓比Table 1 Pressure ratio of typical high-pressure compressors

除以上指標(biāo)之外，流量指標(biāo)代表了高壓壓氣機(jī)的通流能力，現(xiàn)代民用高負(fù)荷航空高壓壓氣機(jī)具有高通流的特點(diǎn)，流量與密度、軸向速度和流通環(huán)面積相關(guān)，設(shè)計(jì)的過程中要綜合考慮流道沿程的面積收縮率、各級(jí)壓比和速度三角形的變化，同時(shí)為了兼顧效率和裕度，需要考慮進(jìn)出口輪轂比的影響。

1. 2 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比和核心機(jī)循環(huán)功的增大，要求高壓壓氣機(jī)的總壓比和效率進(jìn)一步提升，負(fù)荷高、效率高是民機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)性能發(fā)展的趨勢(shì)。為了達(dá)成這一目標(biāo)，在設(shè)計(jì)中需要有一些特殊的考慮。

首先，氣動(dòng)流道設(shè)計(jì)。流道的高度決定了葉片的切線速度，流道的環(huán)面積結(jié)合流量決定了軸向速度，切線速度、軸向速度以及葉片的彎角決定了葉片的做功能力和負(fù)荷水平。好的流道布局形式?jīng)Q定了壓氣機(jī)80%以上的性能。高壓壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)通常是跨聲級(jí)，為了控制葉片中上區(qū)域的激波損失和葉型損失，提高跨聲級(jí)的效率，采用進(jìn)口小輪轂比（0.5 以下）設(shè)計(jì)來控制軸向速度，且來流相對(duì)馬赫數(shù)通常會(huì)控制在1.3 左右，在設(shè)計(jì)點(diǎn)葉柵通道內(nèi)只形成一道正激波。進(jìn)口級(jí)采用等中徑的流道設(shè)計(jì)特征，兼顧了效率和負(fù)荷，這與軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)通常為了考慮負(fù)荷和做功能力，會(huì)提高來流的馬赫數(shù)并采用進(jìn)口高輪轂比的設(shè)計(jì)來提高做功能力的設(shè)計(jì)特征是明顯不同的。后面級(jí)由于壓縮比大，面積收縮劇烈，葉片長(zhǎng)度較短，端區(qū)的附面層和葉尖間隙的影響加劇，流道通常會(huì)設(shè)計(jì)成等內(nèi)徑形式，輪轂比0.90～0.93。為了進(jìn)一步降低葉片端區(qū)的負(fù)荷，葉片根部的流道會(huì)設(shè)計(jì)有周向?qū)ΨQ的凹坑，凹坑使得葉片根部吸力面峰值馬赫數(shù)降低，葉片的負(fù)荷降低。流道的設(shè)計(jì)還需要考慮級(jí)間引氣的影響。

其次，切線速度與壓比分布。葉尖切線速度代表了轉(zhuǎn)子的做功能力，大的切線速度做功能力強(qiáng)且代表氣動(dòng)負(fù)荷水平的載荷因子較低，但較高的切線速度帶來了較高的來流馬赫數(shù)，激波損失和葉型黏性損失較大，目前高壓壓氣機(jī)的進(jìn)口級(jí)葉尖切線速度控制在400～450 m/s［5］，如圖2 所示；沿程各級(jí)的壓比分布通常從進(jìn)口至出口逐級(jí)降低，由于高壓壓氣機(jī)級(jí)數(shù)多，為了保證低轉(zhuǎn)速的喘振裕度滿足要求，通常會(huì)設(shè)計(jì)多排的可調(diào)靜子葉片，通過低轉(zhuǎn)速時(shí)改變轉(zhuǎn)子來流的攻角，調(diào)節(jié)葉片的負(fù)荷和喘振裕度，如CFM56 高壓壓氣機(jī)共9 級(jí)，采用4 級(jí)可調(diào)靜子葉片；Leap 高壓壓氣機(jī)共10 級(jí)，采用5 級(jí)可調(diào)靜子葉片。對(duì)于沒有可調(diào)靜子控制的下游第一級(jí)，通常會(huì)采用降負(fù)荷的設(shè)計(jì)，保證低轉(zhuǎn)速的喘振裕度，這會(huì)犧牲一些該級(jí)的效率。

圖2 壓氣機(jī)葉尖切線速度發(fā)展［5］Fig.2 Development of compressor blade tip speed［5］

最后，葉片設(shè)計(jì)。自從Wennerstrom 發(fā)展并驗(yàn)證了現(xiàn)代小展弦比設(shè)計(jì)理念［6］，現(xiàn)代民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片幾乎都采用了小展弦比設(shè)計(jì)特征（見圖3［7］），展弦比的發(fā)展變化如圖4 所示［5］，在不降低效率的情況下能保證較高的喘振裕度。結(jié)合小展弦比設(shè)計(jì)，葉片大量采用了高度三維的彎掠設(shè)計(jì)，控制端區(qū)和激波損失。在基元葉型設(shè)計(jì)方面，自20 世紀(jì)70 年代發(fā)展了可控?cái)U(kuò)散葉型之后，在現(xiàn)代壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用［8］。在此基礎(chǔ)上采用精細(xì)化前緣設(shè)計(jì)，如圖5 所示［9］，消除前緣的壓力尖峰，拓寬了葉型的攻角范圍并提高了低轉(zhuǎn)速特性；采用自由中弧線和任意厚度分布等葉型表面負(fù)荷自由分配的設(shè)計(jì)特征，進(jìn)一步降低葉型損失，提升效率。在基元葉型沿徑向積疊方面，采用“J”型或“S”型積疊控制端區(qū)流動(dòng)分離。轉(zhuǎn)子葉片采用兩端彎角增加、加強(qiáng)做功的設(shè)計(jì)特征，提高端區(qū)的氣流動(dòng)能，抵抗端區(qū)由于逆壓梯度導(dǎo)致的氣流分離而產(chǎn)生的壓力損失。不同于軍機(jī)各種大機(jī)動(dòng)或過載狀態(tài)，民機(jī)的飛行狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高壓壓氣機(jī)葉尖間隙的變化量相對(duì)較小。民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)為了進(jìn)一步提升效率，在長(zhǎng)期工作的設(shè)計(jì)狀態(tài)可以采用較小的葉尖間隙，降低葉尖泄漏流動(dòng)，提升效率。高負(fù)荷壓氣機(jī)對(duì)葉尖間隙尤為敏感，某高負(fù)荷壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)葉尖間隙從0.3%增大到1.0%，高壓壓氣機(jī)效率降低約2 個(gè)百分點(diǎn)［10］。

圖3 不同展弦比葉片對(duì)比［7］Fig.3 Comparison of different aspect ratio blades［7］

圖4 壓氣機(jī)展弦比發(fā)展［5］Fig.4 Development of compressor aspect ratio［5］

圖5 壓氣機(jī)精細(xì)化葉片前緣設(shè)計(jì)［9］Fig.5 Blade leading edge refined design of compressor［9］

1. 3 結(jié)構(gòu)、材料與工藝

現(xiàn)代民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子通常為盤鼓混合式結(jié)構(gòu)［7］（見圖6）。為減少零件數(shù)量，提高結(jié)構(gòu)可靠性，轉(zhuǎn)子大量采用整體葉盤式和焊接盤鼓組件［11］（見圖7）。靜子為雙層機(jī)匣，外層承力，內(nèi)層形成氣流流路。雙層機(jī)匣可以在外層機(jī)匣承受較大載荷時(shí)不影響內(nèi)層機(jī)匣與轉(zhuǎn)子葉尖之間的徑向間隙，保證壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能。高負(fù)荷壓氣機(jī)通常設(shè)計(jì)有多排角度可調(diào)靜葉，提高中低轉(zhuǎn)速的喘振裕度，靜葉角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)根據(jù)核心機(jī)艙的空間，有曲柄連桿式和扭力桿式2 種。前靜子帶有可調(diào)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成水平對(duì)開式，后靜子設(shè)計(jì)成全環(huán)式，保證機(jī)匣的圓度和葉尖間隙的均勻。后靜子葉片與轉(zhuǎn)子鼓筒之間為了提高封嚴(yán)效果減少根部氣流泄漏損失，通常設(shè)計(jì)有內(nèi)環(huán)和封嚴(yán)環(huán)，與轉(zhuǎn)子鼓筒之間采用多道篦齒封嚴(yán)。除減少根部泄漏，后靜子葉片帶有內(nèi)環(huán)和封嚴(yán)環(huán)的結(jié)構(gòu)還能提高葉片的振動(dòng)特性。

圖6 CFM56-3 高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖［7］Fig.6 Structural sketch of CFM56-3 high-pressure compressor［7］

圖7 GE-9X 前六級(jí)焊接一體整體葉盤結(jié)構(gòu)［11］Fig.7 The front 6-stage welding blisks of GE-9X［11］

為進(jìn)一步減重，轉(zhuǎn)子前面級(jí)葉盤通常采用鈦合金，后面級(jí)由于溫度較高，采用鎳基高溫合金，出口級(jí)甚至采用耐溫水平更高的粉末高溫合金。溫度水平不高時(shí)，后面級(jí)也有采用高溫鈦合金，形成全鈦合金轉(zhuǎn)子，Trent700 是第1 個(gè)在高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子上全部采用鈦合金的發(fā)動(dòng)機(jī)。通常為了防止發(fā)生鈦火，前靜子和轉(zhuǎn)子不成對(duì)使用鈦合金，機(jī)匣和靜子葉片采用不銹鋼材質(zhì)，后面級(jí)機(jī)匣和靜子葉片采用鎳基高溫合金?，F(xiàn)役某些先進(jìn)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)，在軸向間隙和葉片變形得到控制的情況下，成對(duì)使用鈦合金轉(zhuǎn)靜子葉片，如Leap 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)1～3 級(jí)轉(zhuǎn)靜子葉片皆為鈦合金，有效減輕了壓氣機(jī)的重量。

加工工藝上，采用五軸數(shù)控銑削加工轉(zhuǎn)子整體葉盤，無余量精鍛轉(zhuǎn)子葉片，數(shù)控銑削加工靜子葉片或鈑金釬焊靜葉扇形段，也有通過電化學(xué)加工整體葉盤和轉(zhuǎn)子葉片。通過電子束焊接或者慣性摩擦焊形成盤鼓一體式轉(zhuǎn)子。

2 國(guó)內(nèi)外型號(hào)技術(shù)進(jìn)展

2. 1 國(guó)際三大公司發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)GE、PW 和英國(guó)RR 三大公司（或其合資公司）基于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)理念各自擁有不同的高壓壓氣機(jī)技術(shù)，這其中GE 公司的高壓壓氣機(jī)的技術(shù)處于領(lǐng)先地位［12-13］。

現(xiàn)役窄體客機(jī)動(dòng)力領(lǐng)域占據(jù)半壁江山的CFM56 系列發(fā)動(dòng)機(jī)由CFMI 公司研發(fā)，該公司是美國(guó)GE 公司與法國(guó)SNECMA 公司的合資企業(yè)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)來源于美國(guó)GE 公司F101軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)技術(shù)，高壓壓氣機(jī)采用9 級(jí)軸流式，總壓比12，效率達(dá)到84.5%，基于此高壓壓氣機(jī)的核心機(jī)通過匹配不同的低壓部件，發(fā)展了多個(gè)型號(hào)不同推力的發(fā)動(dòng)機(jī)，服役至今超過40 年。20 世紀(jì)80 年代，GE 公 司 基 于E3項(xiàng)目開 發(fā)了10 級(jí)總壓比為23 的軸流壓氣機(jī)，應(yīng)用在寬體客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)GE90 中，該高壓壓氣機(jī)平均級(jí)壓比1.368，轉(zhuǎn)子第1 級(jí)葉尖切線速度為450 m/s，基于此高壓壓氣機(jī)技術(shù)發(fā)展的后續(xù)型號(hào)GE90-115B 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力達(dá)到了569 kN［7］，為當(dāng)時(shí)世界之最；此后為波音787 客機(jī)開發(fā)的下一代寬體客機(jī)動(dòng)力GEnx 發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)［14］沿用了GE90 的級(jí)壓比分配方案，但采用了先進(jìn)的三維葉片設(shè)計(jì)，提升了效率并增加了喘振裕度，如圖8［7］所 示；基于GEnx 發(fā) 展 的Leap-1A/1C 發(fā) 動(dòng)機(jī)［15］作為空客A320neo 和中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司C919 飛機(jī)的動(dòng)力，高壓壓氣機(jī)沿用了相似的級(jí)壓比分布和切線速度設(shè)計(jì)特征，葉片采用了更先進(jìn)的全三維彎掠轉(zhuǎn)子葉片、弓形靜子葉片、端彎等。為保證足夠的喘振裕度，出口級(jí)抬高輪轂，采用了較高的輪轂比設(shè)計(jì)特征。2019 年GE 公司更進(jìn)一步，打破了自己保持的發(fā)動(dòng)機(jī)推力 世界記 錄，開發(fā)完成的GE-9X 發(fā)動(dòng)機(jī)［11］推力達(dá)到了598 kN，高壓壓氣機(jī)采用11 級(jí)軸流式，總壓比達(dá)到了驚人的27。GE 公司多級(jí)高負(fù)荷高壓壓氣機(jī)技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先，表2 給出了GE 公司典型高壓壓氣機(jī)的參數(shù)。

表2 GE 公司典型高壓壓氣機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of typical high-pressure compressors of GE Company

圖8 GEnx 高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖［7］Fig.8 Structural sketch of GEnx high-pressure compressor［7］

美國(guó)PW 公司在寬體客機(jī)動(dòng)力領(lǐng)域的代表是PW4000 系列發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓壓氣機(jī)采用11 級(jí)軸流式，壓比11，前4 級(jí)靜葉角度可調(diào)節(jié)，如圖9［7］所示。PW 公司和RR 公司組建的國(guó)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司（IAE）成功研發(fā)了窄體客機(jī)動(dòng)力V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)，用于波音737 系列飛機(jī)，其中高壓壓氣機(jī)采用10 級(jí)，總壓比16，前5 級(jí)靜葉角度可調(diào)節(jié)。為了降低封嚴(yán)篦齒泄漏，PW4000 和V2500 高壓壓氣機(jī)采用了刷式封嚴(yán)技術(shù)，由具有彈性的金屬絲組成環(huán)形刷，封嚴(yán)效果相當(dāng)于間隙0.1 mm、5 個(gè)齒的篦齒封嚴(yán)，且過渡態(tài)由于刷絲依然緊貼壁面，仍能起到良好的封嚴(yán)效果。2004 年P(guān)W 公司研制成功用于空客A318 飛機(jī)的PW6000 發(fā)動(dòng)機(jī)，高壓壓氣機(jī)由德國(guó)MTU 公司研制，6 級(jí)總壓比10.4，平均級(jí)壓比1.477。2016 年，PW 公司開發(fā)完成齒輪傳動(dòng)的PW1000G 系列發(fā)動(dòng)機(jī)，在風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)之間采用一套齒輪減速機(jī)構(gòu)，以使風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)都各自在最優(yōu)轉(zhuǎn)速下工作，涵道比達(dá)到12，效率得到大幅提升。PW1000G使用8 級(jí)高壓壓氣機(jī)，壓比14，平均級(jí)壓比1.391，前4 排靜葉可調(diào)，前7 級(jí)轉(zhuǎn)子均采用整體葉盤結(jié)構(gòu)，以充分減重。表3 給出了PW 公司典型高壓壓氣機(jī)的參數(shù)。

表3 PW 公司典型高壓壓氣機(jī)參數(shù)Table 3 Parameters of typical high-pressure compressors of PW Company

圖9 PW4000 高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖［7］Fig.9 Structural sketch of PW4000 high-pressure compressor ［7］

英國(guó)RR 公司的民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，由20 世紀(jì)70 年代的RB211系列型號(hào)發(fā)展而來，相繼衍生發(fā)展Trent700、Trent800、 Trent500、 Trent900、 Trent1000、TrentXWB、Trent7000 等型號(hào)［16］，高壓壓氣機(jī)一脈相承，不斷改進(jìn)。研制成功的TrentXWB 發(fā)動(dòng)機(jī)［17］應(yīng)用于空客A350 寬體客機(jī)，壓縮系統(tǒng)由1 級(jí)風(fēng)扇、8 級(jí)中壓壓氣機(jī)、6 級(jí)高壓壓氣機(jī)組成。和GE 公司、PW 公 司 的 高 壓 壓 氣 機(jī) 相 似，RR 公 司TrentXWB 發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)基于全三維設(shè)計(jì)技術(shù)，中、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，采用新近發(fā)展的子午流道抬高氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，改善速度分布，并采用了刷式封嚴(yán)、主動(dòng)間隙控制技術(shù)等進(jìn)一步提升效率和裕度。在支線客機(jī)或公務(wù)機(jī)動(dòng)力領(lǐng)域，RR 公司發(fā)展了雙軸的Tay 和BR700 系列發(fā)動(dòng)機(jī)［18］，其 中Tay 采 用12 級(jí) 高 壓 壓 氣 機(jī)，壓 比 僅6.5，BR710 采用10 級(jí)高壓壓氣機(jī)（圖10［19］），由V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)按照0.91 比例縮放，移植了V2500 新發(fā)展的可控?cái)U(kuò)散葉型技術(shù)，效率相比原型提升0.5%［19］。最新發(fā)展的Pearl 15 發(fā)動(dòng)機(jī)融合RR 公司Advance-2 驗(yàn)證項(xiàng)目的創(chuàng)新技術(shù)和經(jīng)BR700 驗(yàn)證的先進(jìn)技術(shù)，是業(yè)界領(lǐng)先的公務(wù)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，其中10 級(jí)高壓壓氣機(jī)的總壓比達(dá)到24［20］。表4 給 出 了RR 公 司 典 型 高 壓 壓 氣 機(jī) 的參數(shù)。

表4 RR 公司典型高壓壓氣機(jī)參數(shù)Table 4 Parameters of typical high-pressure compressors of RR Company

圖10 BR710 高壓壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖［19］Fig.10 Structural sketch of BR710 high-pressure compressor ［19］

2. 2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱商發(fā)公司）基于國(guó)內(nèi)已有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備，吸收消化發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)桿企業(yè)公開的產(chǎn)品設(shè)計(jì)特征，于2009 年開始了民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，命名為長(zhǎng)江1000 發(fā)動(dòng)機(jī)，作為配裝國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)C919 的動(dòng)力。其中作為核心部件的高壓壓氣機(jī)的研制也同步開展，經(jīng)過十多年的攻關(guān)，取得了令人鼓舞的進(jìn)展。

長(zhǎng)江1000 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)為十級(jí)軸流式，壓比20 以上，采用進(jìn)口小輪轂比、沿程大軸向速度的設(shè)計(jì)特征，基于三維分析計(jì)算的復(fù)合彎掠葉片、弓形靜子和端彎葉片以及結(jié)合了可控?cái)U(kuò)散與預(yù)壓縮設(shè)計(jì)思想的自由定制基元葉型設(shè)計(jì)技術(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用水平對(duì)開前靜子和雙層后靜子機(jī)匣，大量采用整體葉盤和扇形段靜子結(jié)構(gòu)，后鼓筒采用焊接盤鼓結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減重并提高結(jié)構(gòu)的可靠性。應(yīng)用該高壓壓氣機(jī)的整機(jī)已開展了初步的試驗(yàn)驗(yàn)證［21］。作為未來寬體客機(jī)的國(guó)產(chǎn)動(dòng)力，長(zhǎng)江2000 發(fā)動(dòng)機(jī)及其高壓壓氣機(jī)也在同步研制。

3 設(shè)計(jì)方法和工具

民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法與軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)方法相近，主要包括一維參數(shù)設(shè)計(jì)與分析、S2流面設(shè)計(jì)與分析、葉片造型與S1流面分析、三維定常和非定常分析等，陳禹田等［22］對(duì)國(guó)內(nèi)外壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系進(jìn)行了很好的總結(jié)。從20 世紀(jì)60 年代起，隨著氣動(dòng)理論的發(fā)展、試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)能力的提升，航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系從二維、準(zhǔn)三維發(fā)展到全三維［23-24］。當(dāng)前，基于帶摻混模型的完全徑向平衡方程開展子午流面設(shè)計(jì)，并以全三維流場(chǎng)分析來支撐高自由度的基元葉型設(shè)計(jì)、彎掠葉片設(shè)計(jì)等技術(shù)的運(yùn)用，已經(jīng)成為工業(yè)界的常規(guī)做法。同時(shí)，正在研發(fā)下一代設(shè)計(jì)工具，例如將子午流面計(jì)算的速度與CFD 計(jì)算的局部流場(chǎng)精度相結(jié)合，基于CFD 的子午流面設(shè)計(jì)工具以及考慮了黏性力的葉片力模型等。

劉永泉等［25］將設(shè)計(jì)方法的發(fā)展分為了5 個(gè)階段，如圖11 所示。早期采用孤立葉型理論設(shè)計(jì)壓氣機(jī)，隨著葉柵空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，葉片設(shè)計(jì)開始基于大量平面葉柵試驗(yàn)的結(jié)果展開；1952 年，吳仲華教授提出了S1與S2流面理論，在此基礎(chǔ)上建立了壓氣機(jī)準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)；隨著計(jì)算流體力學(xué)的飛速發(fā)展，基于Navier-Stokes 方程的全三維計(jì)算分析方法取代經(jīng)驗(yàn)修正模型，流場(chǎng)細(xì)節(jié)豐富、級(jí)間匹配更優(yōu)，三維彎掠扭葉片、葉片端彎、流道與葉片端部融合等［26-29］設(shè)計(jì)技術(shù)得到更好的應(yīng)用，大大提高了壓氣機(jī)的性能水平；進(jìn)一步發(fā)展的三維非定常分析方法，可研究轉(zhuǎn)/靜干涉、葉片周向布局影響、葉片氣動(dòng)彈性設(shè)計(jì)、流場(chǎng)畸變影響等問題。

圖11 設(shè)計(jì)方法與工具體系發(fā)展［25］Fig.11 Development of design methods and tools［25］

國(guó)外高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的某些通用方法已進(jìn)行了商業(yè)化運(yùn)作，如Concept NREC 公司的敏捷工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Agile Engineering Design System）、SoftInWay 公 司 的Ax-stream 設(shè) 計(jì) 軟件［30］。商業(yè)化的設(shè)計(jì)體系具有普適性，可滿足常規(guī)設(shè)計(jì)需求。但由于所使用的修正模型是公開論文發(fā)布的數(shù)據(jù)，隨著壓氣機(jī)的級(jí)數(shù)和單級(jí)負(fù)荷的不斷提升，壓氣機(jī)級(jí)間匹配和葉型設(shè)計(jì)難度不斷增加，該設(shè)計(jì)體系不再適用多級(jí)高負(fù)荷高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)。因此，為了滿足自身特殊的設(shè)計(jì)需求，GE、PW 和RR 公司都建立了自主的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系［31-32］。GE 公司壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系的發(fā)展歷程和PW 公司基本一致，都已經(jīng)從簡(jiǎn)單的通流設(shè)計(jì)發(fā)展到目前的以三維CFD 為核心的多級(jí)三維定常/非定常設(shè)計(jì)，GE 公司設(shè)計(jì)體系如圖12 所示。在GE 的研發(fā)體系中，十分重視試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累與使用，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)使用的工具，如通流程序等不斷進(jìn)行校準(zhǔn)和優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)軟件的精確度。下面基于文獻(xiàn)［31］簡(jiǎn)要回顧下GE 壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系從初建到逐步完善的過程。

圖12 GE 公司壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系Fig.12 Compressor design system in GE Company

GE 公司壓氣機(jī)研發(fā)體系的建立最早可追溯至1941 年，至今已有80 年的發(fā)展歷史。在20 世紀(jì)50 年代，GE 公司基于簡(jiǎn)單徑向平衡方程理論研發(fā)了11 級(jí)軸流高壓壓氣機(jī)TG180。為了進(jìn)一步完善S2通流程序，20 世紀(jì)60 年代Smith 開發(fā)了可實(shí)現(xiàn)功和損失沿徑向分布的通流程序CAFD，并應(yīng)用于J93 發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)。在該版本的基礎(chǔ)上，GE 公司逐漸發(fā)展了二次流損失和堵塞模型、損失和落后角模型等，并通過試驗(yàn)不斷校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，最終形成了GE 公司當(dāng)前使用的通流計(jì)算程序CAFMIX 2。

在三維黏性CFD 計(jì)算方法普及之前，GE 高壓壓氣機(jī)葉型設(shè)計(jì)大量參考了平面葉柵和低速模擬的試驗(yàn)結(jié)果。20 世紀(jì)70 年代，GE 公司研發(fā)了CAT（Circular Arc Tweaks）葉片造型設(shè)計(jì)程序，該程序可以實(shí)現(xiàn)前緣和尾緣的形狀優(yōu)化，厚度分布的選取也具有更高的設(shè)計(jì)自由度。通過該程序產(chǎn)生的高效葉型首先在平面葉柵和低速模擬試驗(yàn)中獲得了驗(yàn)證，之后成功應(yīng)用于CFM56 和CF6 高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)。

GE 公司自主開發(fā)了適用于壓氣機(jī)流場(chǎng)的三維計(jì)算工具，經(jīng)過GE 公司大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核優(yōu)化，如今GE 的所有高壓壓氣機(jī)葉型都是使用三維黏性計(jì)算工具進(jìn)行最終階段的詳細(xì)設(shè)計(jì)。隨著三維CFD 技術(shù)的不斷發(fā)展，GE 壓氣機(jī)設(shè)計(jì)正從三維定常設(shè)計(jì)體系向三維非定常設(shè)計(jì)體系轉(zhuǎn)變。

國(guó)內(nèi)壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)體系在航空推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃的支持下，開展了基于規(guī)范、軟件、數(shù)據(jù)庫和集成平臺(tái)的設(shè)計(jì)體系建設(shè)工作。國(guó)內(nèi)研究院所相繼建立了壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系［33-34］，部分高校也自主開發(fā)了壓氣機(jī)三維仿真工具，比如北京航空航天大學(xué)的MAP，南京航空航天大學(xué)的NAPA 等，同時(shí)也相繼引進(jìn)了一些專用軟件和通用商業(yè)軟件， 如CFX、FLUENT、NUMECA 等，通過預(yù)研工作，進(jìn)一步驗(yàn)證了這些軟件［22，35-36］。

從2009 年開始，商發(fā)公司（ACAE Company）在“大型飛機(jī)重大專項(xiàng)”和“航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)”的支持下，開展了民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷高效率高壓壓氣機(jī)的研發(fā)。經(jīng)過十多年的發(fā)展，初步搭建了民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)體系（見圖13）。商發(fā)公司壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)體系立足國(guó)內(nèi)已有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，并充分借鑒吸收國(guó)際先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和方法。在一維設(shè)計(jì)方面，開發(fā)了多級(jí)壓氣機(jī)一維氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算軟件，考慮了葉型損失、端區(qū)損失、間隙損失、容腔影響等，發(fā)展了先進(jìn)多級(jí)壓氣機(jī)流道設(shè)計(jì)和級(jí)間匹配技術(shù)；在S2流面設(shè)計(jì)方面，發(fā)展了基于通流矩陣和流線曲率算法的S2設(shè)計(jì)程序，綜合考慮了端壁和壓氣機(jī)級(jí)間引氣對(duì)壓氣機(jī)S2氣動(dòng)布局的影響；在葉片造型方面，開發(fā)了高階自由中弧線疊加任意厚度分布葉片造型方法，實(shí)現(xiàn)多種可控?cái)U(kuò)散葉型的造型設(shè)計(jì)，且能對(duì)葉片前緣形狀進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，具備對(duì)稱/非對(duì)稱橢圓型前緣及Droop 前緣造型的能力；在三維仿真方面，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全三維數(shù)值仿真軟件Aero 3D，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好，具備較高的仿真精度。基于設(shè)計(jì)體系各流程中的工具方法，搭建了壓氣機(jī)設(shè)計(jì)集成平臺(tái)，將流程、軟件和數(shù)據(jù)庫集成，設(shè)計(jì)結(jié)果關(guān)聯(lián)可追溯，提高了設(shè)計(jì)效率、保證了數(shù)據(jù)正確性。

圖13 商發(fā)公司壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系Fig.13 Compressor design system in ACAE Company

4 潛在技術(shù)探討

民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)持續(xù)向著高壓比、高效率的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高壓比的同時(shí)也帶來了出口級(jí)尺寸減小、雷諾數(shù)效應(yīng)、葉尖間隙泄漏和封嚴(yán)、出口級(jí)葉片前緣厚度以及倒圓半徑偏大等問題。除了采用各種先進(jìn)的優(yōu)化算法進(jìn)行三維彎掠葉片造型、合理調(diào)整轉(zhuǎn)靜子之間或者轉(zhuǎn)子徑向的做功量分配從而提高級(jí)間或者葉片根尖的匹配性能等方法外，文獻(xiàn)［37］還提出了合理布局引氣位置和引氣量、設(shè)計(jì)高精度高可靠靜葉調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、控制徑向間隙泄漏流動(dòng)、控制葉型公差、減小壓氣機(jī)性能衰退等解決思路。高負(fù)荷、高效率壓氣機(jī)的本質(zhì)是控制葉片通道附面層發(fā)展、二次流以及激波與附面層干擾的影響，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了一些新穎的方法并進(jìn)行了初步驗(yàn)證，這些潛在的方法可進(jìn)行深入的研究探討，思考在高壓壓氣機(jī)中應(yīng)用的可能性，為未來的工程應(yīng)用建立基礎(chǔ)。

4. 1 串列葉片技術(shù)

串列葉片是一種葉片組合，包含前后布置且具有不同軸向重合度的雙排葉片。串列葉片技術(shù)可以在實(shí)現(xiàn)更大彎角設(shè)計(jì)的同時(shí)避免高負(fù)荷下附面層因過度累積而發(fā)生大尺度流動(dòng)分離。McGlumphy 等［38］研究表明，串列葉片在 高負(fù)荷情況下比單排葉片具有更好的氣動(dòng)性能，在擴(kuò)散因子為0.62 時(shí)，串列葉片的損失下降了20%。Hoeger 等［39］針對(duì)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)前面級(jí)設(shè)計(jì)了可控?cái)U(kuò)散葉型的串列葉片，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，相比于可控?cái)U(kuò)散葉型的寬弦葉片，串列葉片在高馬赫數(shù)進(jìn)口條件下的氣流折轉(zhuǎn)能力更強(qiáng)。針對(duì)超聲速的情況，Eshraghi 等［40］采用數(shù)值模擬的方法對(duì)比了某超高負(fù)荷跨聲速單轉(zhuǎn)子葉片和幾何相似的串列葉片的性能。結(jié)果表明，串列葉片的質(zhì)量流量和壓比分別比常規(guī)級(jí)提高了48%和9.3%。劉寶杰等［41］理論分析了串列葉片相比常規(guī)葉片的負(fù)荷優(yōu)勢(shì)區(qū)間，并在低速試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明負(fù)荷系數(shù)＞0.46，串列葉片表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)（見圖14［41］）。串列葉片由于其更為緊湊的結(jié)構(gòu)形式，在縮短軸向長(zhǎng)度和減輕重量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖14 常規(guī)壓氣機(jī)及串列葉片幾何造型［41］Fig.14 Geometric modeling of conventional stage and tandem blades［41］

4. 2 大小葉片技術(shù)

大小葉片技術(shù)在葉片中后部擴(kuò)壓區(qū)域布置一個(gè)小葉片控制葉片通道中后段的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)葉片彎角增加的同時(shí)氣流不發(fā)生分離，提高壓比和負(fù)荷，該技術(shù)使得軸流壓氣機(jī)單級(jí)壓比達(dá)到3以上。

Wennerstrom 和Frost［42］為 了 解 決 某 單 級(jí) 高負(fù)荷壓氣機(jī)性能低下的問題，于1974 年采用了大小葉片轉(zhuǎn)子的方案，在氣流最容易分離的葉背后段區(qū)域布置小葉片，既可抑制氣流分離，又不至于引起較大的通道堵塞、效率下降和重量增大。美國(guó)IHPTET 計(jì)劃中對(duì)大小葉片軸流壓氣機(jī)進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證（見圖15［1］），在具備全三維流場(chǎng)設(shè)計(jì)分析技術(shù)基礎(chǔ)上，大小葉片技術(shù)得到了很好的驗(yàn)證，如美國(guó)Allison 公司設(shè)計(jì)了軍用的大小葉片轉(zhuǎn)子的風(fēng)扇。雖然未見大小葉片技術(shù)在大發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，但在小發(fā)動(dòng)機(jī)上已有應(yīng)用實(shí)例。北京航空航天大學(xué)陳懋章團(tuán)隊(duì)［1，43-44］對(duì)大小葉片在高負(fù)荷軸流壓氣機(jī)中應(yīng)用做了大量開創(chuàng)性的工作，并且成功地設(shè)計(jì)和試驗(yàn)了單級(jí)大小葉片壓氣機(jī)。

圖15 美國(guó)IHPTET 計(jì)劃大小葉片技術(shù)［1］Fig.15 Splitter rotor of American IHPTET plan［1］

4. 3 機(jī)匣處理技術(shù)

為了避免發(fā)生葉尖失速和喘振，保證壓氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至非設(shè)計(jì)工況時(shí)仍具有合理的穩(wěn)定裕度，機(jī)匣處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)匣處理主要通過在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉尖對(duì)應(yīng)的機(jī)匣上挖槽或開縫來實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)形式分為周向槽、軸向縫、軸向傾斜縫等，如圖16 所示［45］。

圖16 不同種類的機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)［45］Fig.16 Different configurations of casing treatments［45］

研究表明各種結(jié)構(gòu)形式的機(jī)匣處理中軸向斜縫的擴(kuò)穩(wěn)潛力最大，能夠?qū)崿F(xiàn)20%左右的裕度提升，其次是其他形式的縫式機(jī)匣處理；而周向槽機(jī)匣處理對(duì)穩(wěn)定裕度的提升約10%［46-47］。Houghton 和Day［48-49］研 究 了 周 向 單 槽 的 軸 向 位置對(duì)壓氣機(jī)工作范圍的影響，結(jié)果表明靠近葉尖前緣和中部位置周向槽的擴(kuò)穩(wěn)效果更佳。Cevik等［50］研究發(fā)現(xiàn)鋸齒形槽可以減少葉尖二次泄漏，降低壓氣機(jī)總體性能參數(shù)對(duì)葉尖間隙尺寸變化的敏感性。Du 等［51］在某低速壓氣機(jī)上考察了機(jī)匣處理的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)制，他們認(rèn)為葉尖泄漏流和主流之間的交界面越過前緣是導(dǎo)致壓氣機(jī)失速的原因，機(jī)匣處理的應(yīng)用延緩流量交界面向上游移動(dòng)的現(xiàn)象，因而擴(kuò)大了失速裕度。Sakuma 等［52］的研究表明機(jī)匣處理不僅改善了激波泄漏渦干涉引起的堵塞效應(yīng)，同時(shí)還抑制了泄漏流動(dòng)的形成，有效提升了穩(wěn)定裕度。Koley 等［53］研究了“S”型、“U”型、半圓型3 種不同的機(jī)匣開槽形式對(duì)葉尖區(qū)域流場(chǎng)雷諾應(yīng)力和湍動(dòng)能的影響。由于機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，且擴(kuò)穩(wěn)效果顯著，該技術(shù)目前已經(jīng)在軍機(jī)壓氣機(jī)多個(gè)型號(hào)中應(yīng)用，如F119、AL31F 等。

4. 4 葉身/端壁融合技術(shù)

葉身/端壁融合技術(shù)起源于機(jī)翼外流，20 世紀(jì)80 年代，Debruge［54］受到飛行器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的啟發(fā)，在壓氣機(jī)葉片與端壁連接位置施加倒圓后，發(fā)現(xiàn)可以起到改善角區(qū)附面層流動(dòng)的效果。由于葉身/端壁融合對(duì)于端區(qū)二次流的控制具有特別的作用，科研人員開始對(duì)此展開研究。

Hoeger 等［55］以擴(kuò)壓葉柵為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法研究了葉身/端壁融合對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的影響。結(jié)果表明，在葉片前緣處應(yīng)用倒圓結(jié)構(gòu)能增大端區(qū)的攻角范圍，同時(shí)降低橫向二次流的尺度，降低因前緣彎曲結(jié)構(gòu)使氣流失速的可能，起到了增大葉片載荷且降低氣動(dòng)損失的作用。北京理工大學(xué)季路成團(tuán)隊(duì)［56-57］基于擴(kuò)壓葉柵角區(qū)三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，提出葉身/端壁融合技術(shù)可以通過3 種設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)，分別是增大二面角角度，增大過渡曲線的最小曲率半徑以及降低二面角流向變化梯度。他們隨后將該設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在一系列軸流壓氣機(jī)上，這也表明葉身/端壁融合技術(shù)是未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)極具潛力的流動(dòng)控制技術(shù)（見圖17［57］）。

圖17 葉身/端壁融合設(shè)計(jì)［57］Fig.17 Design of blended blade and endwall［57］

4. 5 附面層控制技術(shù)

壓氣機(jī)葉片通道內(nèi)由葉片表面和端區(qū)的附面層形成的角區(qū)三維分離會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)的堵塞和損失，對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定工作和效率造成不良影響，嚴(yán)重阻礙了高負(fù)荷壓氣機(jī)的發(fā)展［58］。附面層流動(dòng)分離控制主要有開縫葉片、渦流發(fā)生器、翼刀等被動(dòng)控制方法和附面層噴氣、抽吸、射流、等離子激勵(lì)等主動(dòng)控制方法，張健等［59］對(duì)此做了很好的總結(jié)，圖18 為端壁和吸力面附面層噴氣結(jié)構(gòu)。

圖18 端壁和吸力面附面層噴氣結(jié)構(gòu)［59］Fig.18 Structure of blade endwall and suction side boundary layer jet［59］

基于抽吸壓氣機(jī)吸力面附面層低能流體來增大氣流折轉(zhuǎn)角以大幅提高壓氣機(jī)的增壓比形成了吸附式壓氣機(jī)技術(shù)。吸附式壓氣機(jī)的概念最早于1997 年由美國(guó)麻省理工學(xué)院Kerrebrock團(tuán)隊(duì)提出［60-61］，他們?cè)趧?dòng)葉和靜葉擴(kuò)壓極限位置設(shè)置抽吸槽，針對(duì)不同的葉尖切線速度設(shè)計(jì)了多臺(tái)吸附式壓氣機(jī)。研究表明：附面層抽吸不僅實(shí)現(xiàn)了更高的級(jí)負(fù)荷系數(shù)，而且每吸除1%高熵流體即可使得壓氣機(jī)效率提高約0.5%。當(dāng)擴(kuò)壓因子超過0.7 時(shí)，通流效率仍不低于87%。Merchant［62-63］和Schuler［64］等 優(yōu) 化 了 Kerrebrock等設(shè)計(jì)的2 臺(tái)高低速吸附式壓氣機(jī)，通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)等手段進(jìn)一步驗(yàn)證了吸附式壓氣機(jī)的可行性，圖19［63］給出了某高速吸附式壓氣機(jī)試驗(yàn)件的示意圖。吸附式壓氣機(jī)的概念為高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)提供了新的思路，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注并從抽吸槽幾何形狀、抽吸位置以及抽吸量等影響因素展開研究，得到了許多有價(jià)值的成果［65-68］。

圖19 吸附式壓氣機(jī)氣動(dòng)布局［63］Fig.19 Layout of aspirated compressor［63］

5 難點(diǎn)和問題討論

5. 1 高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)

提高壓氣機(jī)的總壓比有2 個(gè)途徑：① 保持級(jí)數(shù)不變，提高壓氣機(jī)的平均級(jí)壓比；② 通過增加級(jí)數(shù)提高總壓比。通過采用先進(jìn)的優(yōu)化算法進(jìn)一步挖掘三維彎掠扭葉片的負(fù)荷潛力，結(jié)合流道與葉片融合控制角區(qū)附面層發(fā)展，提高平均級(jí)負(fù)荷水平。采用大的切線速度、來流馬赫數(shù)和葉片彎角，可以提高壓比和負(fù)荷，但效率會(huì)受到不利影響。另外還需要考慮合理的級(jí)反力度設(shè)計(jì)，控制轉(zhuǎn)靜子功分配。與軍機(jī)相比，民機(jī)高壓壓氣機(jī)由于飛行工況相對(duì)穩(wěn)定，在全面考慮機(jī)匣承受的熱載荷和氣動(dòng)載荷以及轉(zhuǎn)子承受的熱、氣動(dòng)力、離心力載荷，精確估算壓氣機(jī)工作范圍內(nèi)熱態(tài)和冷態(tài)之間變形量的基礎(chǔ)上，可以采用較小的轉(zhuǎn)子徑向葉尖間隙和級(jí)間篦齒間隙來提高壓氣機(jī)的性能［69］。對(duì)于多級(jí)高壓比軸流壓氣機(jī)，全工況范圍內(nèi)各級(jí)之間的匹配良好是氣動(dòng)設(shè)計(jì)的首要難點(diǎn)［70］。設(shè)計(jì)過程中包括計(jì)算方法和計(jì)算模型都做了某些形式的簡(jiǎn)化，如轉(zhuǎn)靜交界面的處理、倒圓倒角、級(jí)間轉(zhuǎn)靜封嚴(yán)容腔、制造裝配誤差等，這些簡(jiǎn)化都會(huì)產(chǎn)生偏差。在級(jí)數(shù)增多之后，偏差越來越大，這種偏差對(duì)于下游葉片來說，就會(huì)工作在一個(gè)非最佳工況的狀態(tài)，逐級(jí)往下游累積，導(dǎo)致壓氣機(jī)最終偏離設(shè)計(jì)，達(dá)不到預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。針對(duì)這類問題，可采用分塊或分級(jí)的設(shè)計(jì)方式，但這種方法對(duì)邊界條件要求較高且對(duì)設(shè)計(jì)偏差值的預(yù)估極為依賴經(jīng)驗(yàn)。另外，壓氣機(jī)通道內(nèi)存在著高度非定常流動(dòng)［71］，與壓氣機(jī)性能及氣動(dòng)穩(wěn)定性密切相關(guān)，如轉(zhuǎn)靜干涉，渦系的生成、發(fā)展和消逝，喘振邊界預(yù)估，氣固熱耦合［72］等難題，影響了對(duì)壓氣機(jī)性能和強(qiáng)度水平的估算準(zhǔn)確性。在研制過程中，基于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行多次“驗(yàn)證-調(diào)整-再驗(yàn)證”的迭代才能得到最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。但這種多級(jí)高負(fù)荷壓氣機(jī)的驗(yàn)證過程絕非易事，周期、成本和試驗(yàn)?zāi)芰Χ际呛艽蟮目简?yàn)［73］。

5. 2 中國(guó)民機(jī)高壓壓氣機(jī)的發(fā)展

國(guó)內(nèi)依據(jù)多年的軍機(jī)壓氣機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)，各相關(guān)科研院所已初步建立了軍機(jī)壓氣機(jī)研發(fā)體系，推進(jìn)了型號(hào)研制［74］。但在民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高通流、高負(fù)荷、高效率的高壓壓氣機(jī)方面的技術(shù)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)積累少，困難和新問題多。商發(fā)公司初步建立了民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系和研發(fā)平臺(tái)。但中國(guó)與國(guó)際標(biāo)桿公司之間仍存在較大的差距，主要體現(xiàn)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累、設(shè)計(jì)工具與模型的不完善、材料和工藝的穩(wěn)定性等方面［75］。一方面，中國(guó)壓氣機(jī)研發(fā)中積累的平面葉柵吹風(fēng)試驗(yàn)、低速大尺寸模擬試驗(yàn)、部件試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)環(huán)境下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，與國(guó)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司積累的數(shù)據(jù)相距甚大，所使用的設(shè)計(jì)工具和模型仍需要充分的校核和改進(jìn)，如端區(qū)損失模型、葉型落后角模型等參數(shù)的選取仍然需要不斷的積累和沉淀；另一方面，由于壓氣機(jī)研制難度大，尤其是多級(jí)高負(fù)荷壓氣機(jī)的研制涉及氣動(dòng)熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)材料力學(xué)、強(qiáng)度分析等多學(xué)科的交叉應(yīng)用，而中國(guó)在多學(xué)科交叉方面的研究基礎(chǔ)仍相對(duì)薄弱。同時(shí)在材料、加工工藝方面，對(duì)中國(guó)的高端加工制造、特種材料工藝能力等提出了新的挑戰(zhàn)，如壓氣機(jī)出口級(jí)溫度較高，使用的某些種類高溫合金的工藝還不穩(wěn)定，性能與國(guó)外同類材料相差較大；復(fù)雜整體葉盤加工和盤鼓特種焊接技術(shù)還不成熟等。

民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)及高壓壓氣機(jī)除了追求高性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性之外，還需要滿足市場(chǎng)、成本、重量、適航等要求［76-77］。需要注重高壓壓氣機(jī)的正向設(shè)計(jì)的思路，充分捕獲與高壓壓氣機(jī)利益攸關(guān)方的需求，進(jìn)行運(yùn)行場(chǎng)景的分析，基于完整的需求進(jìn)行高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)定義。開展充分的驗(yàn)證工作，包括設(shè)計(jì)過程的方法和工具的驗(yàn)證、零組件工藝方法和過程的驗(yàn)證、從材料級(jí)、元件級(jí)到零組件與部件級(jí)的逐級(jí)積木式驗(yàn)證等。國(guó)際標(biāo)桿企業(yè)基于多年的研發(fā)積累與系統(tǒng)工程的應(yīng)用，在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)及高壓壓氣機(jī)部件正向設(shè)計(jì)領(lǐng)域已形成了行業(yè)體系和示范案例。

借著國(guó)家科技重大專項(xiàng)的機(jī)遇，中國(guó)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)及高壓壓氣機(jī)迎來了發(fā)展良機(jī)。為縮短壓氣機(jī)研制周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減小中國(guó)與國(guó)際標(biāo)桿公司的差距，壓氣機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)體系的發(fā)展需要重視基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累利用、重視研究工作的系統(tǒng)性和正向性、重視螺旋上升的研究規(guī)律，加大高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的通力協(xié)作。

6 結(jié)束語

民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)具有高效率、高壓比、高通流的“三高”特征，設(shè)計(jì)難度大。評(píng)述了高壓壓氣機(jī)技術(shù)指標(biāo)發(fā)展、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料和工藝特征?？偨Y(jié)了美國(guó)GE、PW和英國(guó)RR 公司民機(jī)高壓壓氣機(jī)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，梳理了標(biāo)桿公司高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系的建立過程。簡(jiǎn)要介紹了商發(fā)公司近年來依托 “大型飛機(jī)重大專項(xiàng)”和“航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)”開展的民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展。中國(guó)在民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)技術(shù)能力方面與國(guó)際標(biāo)桿公司之間仍存在較大的差距，主要體現(xiàn)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累、設(shè)計(jì)工具與模型的不完善、材料和工藝的穩(wěn)定性等方面。期望能借鑒吸收國(guó)際先進(jìn)高壓壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)特征，重視基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于系統(tǒng)工程的正向研發(fā)理念，加強(qiáng)校企院所的合作，加快中國(guó)民用大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。