航空發(fā)動機壓氣機性能提升研究

■ 曹傳軍 王進春 / 中國航發(fā)商發(fā)

壓氣機是航空發(fā)動機的核心部件之一。對壓氣機設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)開展研究，有助于進一步提升壓氣機性能，降低整機環(huán)境下渦輪前溫度和耗油率，提高核心機循環(huán)功，具有重要的學術意義和工程價值。

效率和喘振裕度是壓氣機性能的重要指標，效率代表了壓氣機內部能量轉換的完善程度，喘振裕度代表了壓氣機能偏離工作點使用的范圍。中國航發(fā)商發(fā)自成立以來開展了大型客機發(fā)動機的研發(fā)工作，同步開展了高負荷高效率多級軸流壓氣機的研制，在借鑒國內外先進技術的基礎上，經歷了多輪部件、核心機、整機層級的設計迭代，逐步逼近并達到指標要求，完成了多級軸流壓氣機的設計和初步驗證。壓氣機設計迭代過程中關鍵環(huán)節(jié)包括壓氣機一維參數(shù)設計、三維計算方法、葉片造型技術、S2通流數(shù)據(jù)標定和葉尖間隙控制等。

重視一維參數(shù)的設計迭代

一維參數(shù)設計主要是確定初步的流道形式、中徑處速度三角形、各級輪緣功、壓比、損失分布等，是整個壓氣機設計的基礎，尤其流道形式決定了壓氣機80%以上的性能，設計參數(shù)不合理的方案很難在后續(xù)的S2通流設計或者三維詳細設計過程校正。

一維參數(shù)設計時需充分借鑒先進壓氣機方案的參數(shù)和發(fā)展趨勢，表1給出了民機發(fā)動機典型高壓壓氣機壓比參數(shù)[1]。壓氣機流道形式要考慮不同的壓氣機應用場景需求，進/出口的輪轂比、切線速度（結合轉速）、沿程面積收縮率等對氣動性能有較大的影響。壓氣機進口級通常為跨聲速級，來流相對馬赫數(shù)需要結合進口輪轂比、環(huán)面積、流量、轉速等參數(shù)來合理設計。壓氣機沿程的軸向速度分布與葉型損失、葉片負荷以及做功能力相關，進而影響效率和裕度，需要合理設計流道沿程的面積收縮率。壓氣機出口需要控制葉片高度和馬赫數(shù)（結合出口輪轂比、總壓比、環(huán)面積等參數(shù)）。流道面積的變化還需要考慮級間引氣的影響，中國航發(fā)商發(fā)多輪壓氣機氣動設計的經驗表明，采用引氣處流路收縮技術可以使壓氣機級間匹配更好，性能更優(yōu)。

表1 民機發(fā)動機典型高壓壓氣機壓比參數(shù)

采用分塊/分級/分排的設計思路

三維計算展示了壓氣機通道內流動的細節(jié)。隨著計算流體力學（CFD）的發(fā)展，壓氣機設計過程中全三維計算越來越普遍。由于壓氣機通道內的邊界層發(fā)展和分離流動的復雜性，CFD很難精準有效地模擬多級高負荷的壓氣機，計算模型對實際幾何的精確表達、轉靜交界面數(shù)據(jù)傳遞的方法處理不當?shù)葘е碌钠顣S著級數(shù)的增多逐步加大。中國航發(fā)商發(fā)采用商用三維軟件對多級壓氣機開展了全級仿真工作，計算（一維無反射和守恒型交界面）與試驗結果的對比如圖1所示，表明交界面處理方式對仿真結果準確性具有重要的影響，但無論哪種處理方式，兩種交界面處理方法的仿真結果與試驗之間仍存在偏差，需要對仿真工具的標定和使用方法開展進一步的研究。

圖1 多級連算與試驗結果對比

各大航空發(fā)動機制造商均配備和開發(fā)了適合自身產品特點的三維CFD計算軟件，并依據(jù)試驗數(shù)據(jù)對軟件進行標定，且很少開展多級壓氣機所有級的計算分析。取而代之的是采用像火車車廂連接的方式將多級壓氣機分為多個計算域（如2～3級轉/靜子葉片作為一個計算域），消除多級連算過程中由上游積累的偏差對下游葉片的影響，圖2為多級壓氣機切分的不同計算域示意。

圖2 壓氣機分塊計算域示意

挖掘三維葉片優(yōu)化的潛能

壓氣機葉片設計實現(xiàn)了S2通流設計意圖。葉片設計過程包括了基元葉型設計、基元葉型的三維積疊、形成三維彎扭掠葉片等，設計的好壞將直接影響壓氣機的效率和穩(wěn)定裕度。

GE公司在20世紀末應用第一代三維葉片設計技術，將高壓壓氣機的效率提升了約2個百分點。借助于三維CFD工具，當前壓氣機葉片設計具備了考慮端區(qū)邊界層、容腔效應和葉尖泄漏等影響的能力，朝著精細化葉型設計的方向發(fā)展。為了獲得高效的壓氣機葉片，通常需要經歷多輪迭代，對葉片表面的馬赫數(shù)分布形狀精雕細琢，以實現(xiàn)綜合性能最優(yōu)的目的。

普惠公司在20世紀80年代設計出的可控擴散葉型（CDA），控制葉片吸力面邊界層分離，在超/跨聲速時不產生激波，得到了廣泛的應用。經典基元葉型設計通常采用中弧線疊加葉片厚度分布的造型方法，中弧線角度和葉型厚度分布規(guī)律可以采用任意形式多段圓弧或高階貝塞爾曲線等方式，其本質是采用一種光滑曲線來構造任意彎度的中弧線，疊加高階厚度分布規(guī)律，最終獲得負荷高、損失低的基元葉型。對于跨聲速或超聲速葉型，需要控制來流馬赫數(shù)和激波強度，采用進口預壓縮的吸力面型線可以有效降低激波損失。根據(jù)來流馬赫數(shù)采用通道內單激波或雙激波的設計。對于亞聲速葉型，可采用前加載的形式，降低葉型損失。

葉型前緣的形狀對于跨聲速壓氣機葉片前緣吸力面馬赫數(shù)分布有較大影響。圓形或橢圓形前緣容易在葉型前緣出現(xiàn)局部馬赫數(shù)尖峰，進而導致局部損失增加。中國航發(fā)商發(fā)研究發(fā)展了多種葉片前緣精細化造型方法，結果表明采用非對稱橢圓前緣、非對稱連續(xù)曲率前緣（Droop）設計等方法能夠有效消除吸力面局部馬赫數(shù)尖峰，拓寬葉型攻角范圍，減少流動損失。

自從小展弦比葉片設計理念（寬弦葉片）發(fā)展并通過驗證，高性能航空壓氣機葉片廣泛采用了該設計特征[2]。小展弦比葉片減少了葉片數(shù)，取消了窄弦葉片原先的凸肩結構，減少了流動損失，提高了葉片負荷潛力。采用寬弦設計的渦扇發(fā)動機壓氣機，級數(shù)從上一代的12～13級減少到8～9級。

彎掠設計技術常常作為重要的擴穩(wěn)和提高效率措施應用于現(xiàn)代航空發(fā)動機壓氣機葉型設計，其實質是基于空氣動力學流動機理，通過全三維空間的流動定制和控制，達到提高壓氣機負荷、降低流動損失的目的。大量研究表明壓氣機轉子葉片采用前掠葉片可以實現(xiàn)更大負荷，更大喘振裕度和更好的抗流場畸變能力。彎技術在靜子葉片中被大量應用，對于改善端區(qū)流動，抑制二次流具有顯著的效果。中國航發(fā)商發(fā)近些年研究發(fā)現(xiàn)，在轉子葉片中使用彎技術也能較好地抑制葉尖泄漏流，進而提高轉子的裕度和效率。

做好S2通流設計與試驗數(shù)據(jù)標定

S2通流設計在一維平均參數(shù)的基礎上確定了子午面徑向參數(shù)，是壓氣機設計的關鍵環(huán)節(jié)。S2通流設計需要與試驗數(shù)據(jù)進行標定和優(yōu)化迭代，數(shù)據(jù)的標定是檢驗S2通流設計與試驗結果差異的重要過程，有助于發(fā)現(xiàn)設計缺陷和不合理的徑向參數(shù)分布，為下一輪優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。經過標定的S2通流設計工具更加準確，豐富的子午面徑向參數(shù)也更接近實際。尤其對于多級高負荷高效率壓氣機研發(fā)，在目前三維CFD工具缺乏足夠精確度的情況下，顯得尤為重要，是壓氣機研制過程中“設計—驗證—再設計—再驗證”的關鍵環(huán)節(jié)。

在壓氣機部件試驗中，通過在靜子葉片徑向不同高度布置總溫、總壓受感部，獲得壓氣機級間壓比和效率等數(shù)據(jù)，通過在機匣壁面上布置靜壓孔，獲得沿程靜壓分布，如圖3所示。由于壓氣機轉靜子之間軸向距離較近，布置五孔探針較為困難，因此轉靜子出口氣流角的確定是S2通流數(shù)據(jù)標定過程中最為重要的一個環(huán)節(jié)。通過多輪迭代調整轉靜子出口氣流角分布，使得S2通流程序計算獲得的級間總壓、總溫、沿程靜壓等與試驗結果吻合。

圖3 測量位置示意

控制好葉尖徑向間隙

葉尖徑向間隙（轉子葉片與機匣的徑向間隙）控制在現(xiàn)代高負荷航空壓氣機設計過程中容易被忽略，卻對壓氣機氣動性能影響極大，具有舉足輕重的作用。一方面，由于葉尖間隙的存在，葉尖氣流在壓力面和吸力面壓差作用下形成間隙流，引起流道堵塞，既改變了壓氣機流量，也削弱了轉子做功能力，不利于壓比提升；另一方面，間隙流帶來的熵增以及流動損失導致了效率降低，如圖4所示。經研究發(fā)現(xiàn)，葉尖間隙每增加1%弦長，相應壓氣機效率損失1.5%；間隙尺寸小于1%葉尖弦長時，壓氣機穩(wěn)定工作范圍對葉尖間隙的變化不敏感；隨著間隙尺寸進一步增加，間隙尺寸的增加與失速裕度的減小呈線性關系。

圖4 間隙對峰值效率的影響

中國航發(fā)商發(fā)核心機試驗過程中，第一次試驗的壓氣機構型，葉尖徑向間隙較大，效率值與指標偏差較大。第二次試驗前，通過機匣涂層補噴增加厚度，縮小了葉尖徑向間隙，結果表明高轉速狀態(tài)峰值效率獲得了顯著提升。為防止過渡態(tài)或最高負荷狀態(tài)時，葉片葉尖刮入機匣涂層太深，在設計轉速穩(wěn)態(tài)時對葉尖間隙進行優(yōu)化，讓葉尖與機匣涂層僅有較輕的刮磨。

結束語

提升效率和喘振裕度是現(xiàn)代航空壓氣機技術發(fā)展一直追求的目標，當前壓氣機效率發(fā)展水平已經達到極致，性能提升到了需要拿放大鏡細究技術特征的階段。壓氣機全流程設計與驗證涉及方法和專業(yè)較多，需要從眾多影響因素中，抓住主要矛盾，用最小設計迭代達到最大性能提升的效果。