高負(fù)荷壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的思考

■ 劉太秋 王佳宇 李麗麗/ 中國航發(fā)動(dòng)力所

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的需求促使壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)向著高負(fù)荷方向發(fā)展，但高負(fù)荷氣動(dòng)設(shè)計(jì)也帶來了綜合性能權(quán)衡、氣動(dòng)/幾何參數(shù)選取的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著對(duì)高負(fù)荷條件下壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)，新的設(shè)計(jì)理念和流動(dòng)控制方法逐步得到驗(yàn)證和應(yīng)用。

現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展趨勢包括高能量、高生存、高效率、高殺傷、高智能和高協(xié)同，由此牽引出對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能整體提升的技術(shù)需求。例如，為了滿足飛機(jī)遠(yuǎn)航程高機(jī)動(dòng)性需求，需要發(fā)動(dòng)機(jī)具備亞聲速巡航低耗油率、持續(xù)超聲速巡航能力、超聲速巡航高單位推力、高穩(wěn)定性能力；高生存能力要求發(fā)動(dòng)機(jī)拓展工作包線和高隱身能力；高效率要求發(fā)動(dòng)機(jī)大功率提取能力和熱管理能力；高殺傷也需要發(fā)動(dòng)機(jī)具備大功率提取能力；高智能和高協(xié)同要求發(fā)動(dòng)機(jī)具備綜合性的管理控制能力。這些需求分解到發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮系統(tǒng)上，則需要壓縮系統(tǒng)在氣動(dòng)方面實(shí)現(xiàn)高效率、高流通能力、高穩(wěn)定裕度、高壓比調(diào)節(jié)和高流量調(diào)節(jié)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面具備高結(jié)構(gòu)緊湊性、安全性和可靠性。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流強(qiáng)耦合的技術(shù)特征，使得各需求之間相互牽制、相互影響、相互作用的特征更加突出。如氣動(dòng)性能方面，高穩(wěn)定裕度和通流能力會(huì)影響到高效率的保持，而高壓比調(diào)節(jié)與高流量調(diào)節(jié)相互制約，且氣動(dòng)性能的提升還受到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的限制，如輪轂比、前緣厚度等均需要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的約束。而多級(jí)軸流式壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的重大突破是發(fā)動(dòng)機(jī)研制重大進(jìn)步的基礎(chǔ)[1]。隨著壓氣機(jī)負(fù)荷水平的提高，級(jí)數(shù)減少且質(zhì)量更輕，但效率、穩(wěn)定性、各級(jí)之間的匹配問題更為突出，對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)帶來了眾多設(shè)計(jì)難點(diǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn)，需要發(fā)展相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)以適應(yīng)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

高負(fù)荷壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

在進(jìn)行高負(fù)荷壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)（如效率、喘振裕度等）與負(fù)荷直接相關(guān)，通常會(huì)導(dǎo)致框架參數(shù)（包含級(jí)數(shù)、流路、級(jí)負(fù)荷、反力度）選取的范圍變窄，折中平衡難度更大。如在通流設(shè)計(jì)選擇氣動(dòng)和幾何參數(shù)沿徑向分布時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的要求更高，主要存在以下幾方面的難點(diǎn)。

一是量綱一（舊稱無量綱）參數(shù)組合選取范圍變窄。隨著壓氣機(jī)負(fù)荷系數(shù)的增加，在相同的流量系數(shù)下，壓氣機(jī)的效率和裕度有所降低。采用增加流量系數(shù)的措施導(dǎo)致軸向馬赫數(shù)的增加，速度擴(kuò)散程度隨之增大，流場更不容易控制，增加了葉片的設(shè)計(jì)難度。

二是級(jí)匹配更加困難。高負(fù)荷壓氣機(jī)各排葉片的負(fù)荷水平均較高，平均級(jí)壓比的提高使得高低轉(zhuǎn)速下進(jìn)口級(jí)流量系數(shù)的變化較大，以及出口級(jí)負(fù)荷系數(shù)變化范圍大的矛盾更為突出；在每級(jí)內(nèi)部，隨著平均級(jí)壓比提高帶來的進(jìn)口馬赫數(shù)提高，葉型可用攻角范圍減小，級(jí)匹配難度進(jìn)一步增加。每一排葉片都很重要，設(shè)計(jì)容差小，要求對(duì)各級(jí)匹配精準(zhǔn)把控，精細(xì)化設(shè)計(jì)。因此，需要進(jìn)行級(jí)壓比的合理分配，并同流路的調(diào)整相呼應(yīng)，充分發(fā)揮各排葉片的做功能力，否則很容易產(chǎn)生匹配偏差，導(dǎo)致壓氣機(jī)做功能力不足，效率或裕度不達(dá)標(biāo)。

三是流場控制更難。隨著壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的減少，意味著承擔(dān)速度擴(kuò)散的葉片排數(shù)減少，每個(gè)葉片排內(nèi)的速度擴(kuò)散度增加，導(dǎo)致逆壓力梯度增加，流場易產(chǎn)生分離，流場的穩(wěn)定性降低，損失控制難度增加。高負(fù)荷壓氣機(jī)不易實(shí)現(xiàn)高效率，進(jìn)口級(jí)轉(zhuǎn)子進(jìn)口相對(duì)馬赫數(shù)高，流場激波強(qiáng)，激波損失及激波邊界層干涉損失嚴(yán)重，無法保證效率和失速裕度；另外負(fù)荷系數(shù)與效率指標(biāo)密切相關(guān)，負(fù)荷水平的提高通常也帶來效率的降低。在壓氣機(jī)效率指標(biāo)沒有降低甚至提高的需求下，級(jí)數(shù)的減少更需要各級(jí)都工作在較高的氣動(dòng)性能水平。

四是高負(fù)荷導(dǎo)致端壁二次流的敏感性更強(qiáng)，且更難于控制。各級(jí)轉(zhuǎn)子、靜子負(fù)荷高，根部氣流轉(zhuǎn)折角更大，負(fù)荷水平更高，氣流折轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)難，可用攻角范圍通常減小，特別是靜子根部情況更嚴(yán)重；轉(zhuǎn)子尖部由于葉尖馬赫數(shù)高、存在泄漏流等影響，也處于非常苛刻的工作環(huán)境。高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)一般采用小展弦比設(shè)計(jì)，端壁二次流損失大約占總損失的50%～70%，所以控制端壁二次流是提高高負(fù)荷壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的關(guān)鍵區(qū)域。

高負(fù)荷壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

為了解決上述設(shè)計(jì)難點(diǎn)，從壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)流程出發(fā)，在一維、二維和三維設(shè)計(jì)這3個(gè)環(huán)節(jié)中，要關(guān)注的高負(fù)荷壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)有如下幾個(gè)方面。

一維設(shè)計(jì)技術(shù)

一維設(shè)計(jì)是壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的開端和基礎(chǔ)。通過一維設(shè)計(jì)確定壓氣機(jī)的氣動(dòng)布局框架，初步確定轉(zhuǎn)速、級(jí)數(shù)、流路、壓比及預(yù)旋等關(guān)鍵參數(shù)分配。一維設(shè)計(jì)主要依托早期大量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析形成的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)。隨著負(fù)荷水平提高，參數(shù)選擇超出已有選取范圍，對(duì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)并進(jìn)行一維優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而獲得高負(fù)荷氣動(dòng)布局基礎(chǔ)框架。針對(duì)不同類型和需求的壓氣機(jī)技術(shù)指標(biāo)，尤其需要注意對(duì)軸向速度和加功系數(shù)的選擇。例如，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的軸流壓氣機(jī)，為了降低出口級(jí)的氣動(dòng)負(fù)荷，中間級(jí)軸向速度要提高，但不宜提得過高，以避免后幾級(jí)因軸向速度減速過快而加重負(fù)擔(dān)。在加功系數(shù)選取時(shí)，需要兼顧設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的壓氣機(jī)性能。各級(jí)的加功系數(shù)一般采用兩頭低中間高、且出口級(jí)加功系數(shù)仍大于進(jìn)口級(jí)加功系數(shù)的分布，這樣的加功系數(shù)分布對(duì)于高負(fù)荷壓氣機(jī)可能更合理。

隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展，越來越多的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)開始逐步應(yīng)用到壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)中?；谛阅芷ヅ涞膮?shù)分布經(jīng)驗(yàn)，利用一維程序快速便捷的特點(diǎn)，與優(yōu)化程序相結(jié)合，對(duì)負(fù)荷系數(shù)、預(yù)旋、軸向速度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得符合技術(shù)指標(biāo)需求的壓氣機(jī)布局基本框架。

二維設(shè)計(jì)技術(shù)

二維設(shè)計(jì)是壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的核心。在一維框架布局的基礎(chǔ)上，對(duì)壓比、效率、攻角、落后角等參數(shù)的徑向分布進(jìn)行優(yōu)化和匹配設(shè)計(jì)，確定流道和各排葉片的基本氣動(dòng)參數(shù)，通過葉型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通流葉型設(shè)計(jì)參數(shù)的分布，最終確定二維通流設(shè)計(jì)。隨著負(fù)荷水平不斷提高，擴(kuò)散因子、氣流轉(zhuǎn)角等參數(shù)都超出了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)范圍，關(guān)鍵還是模型要素關(guān)聯(lián)及適用范圍的確定，特別是De Haller數(shù)、擴(kuò)散因子等與馬赫數(shù)的關(guān)聯(lián)，所以這個(gè)環(huán)節(jié)流場參數(shù)匹配優(yōu)化和精細(xì)化葉型設(shè)計(jì)成為影響壓氣機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

流場參數(shù)匹配優(yōu)化 優(yōu)化沿流線氣動(dòng)熱力參數(shù)的分布，如反力度、擴(kuò)散因子、速度分布、負(fù)荷分配等，將主要參數(shù)控制在經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)，超出經(jīng)驗(yàn)范圍的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和評(píng)估。二維正問題分析一般可以快速評(píng)估各參數(shù)在不同工況下的徑向分布，根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)精細(xì)化調(diào)節(jié)，以得到平衡各設(shè)計(jì)需求的折中方案。目前二維正問題分析中的損失模型等對(duì)高負(fù)荷壓氣機(jī)的適應(yīng)性仍需進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)參數(shù)的合理性評(píng)估等通常還需要增加三維計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真。

低損失基元葉型技術(shù) 轉(zhuǎn)子葉型設(shè)計(jì)須適應(yīng)超／跨聲速來流條件，一般會(huì)在前面級(jí)引入預(yù)壓縮葉型設(shè)計(jì)，解決設(shè)計(jì)點(diǎn)激波損失大的問題，但是這種預(yù)壓縮需要合理設(shè)計(jì)，否則會(huì)對(duì)低轉(zhuǎn)速性能產(chǎn)生負(fù)面影響；靜子葉型需進(jìn)行大彎角設(shè)計(jì)。采用橢圓和連續(xù)曲率進(jìn)行葉型前緣的型線控制，降低葉型前緣吸力面峰值馬赫數(shù)，減弱或消除分離泡，提高基元葉型性能，提高效率和喘振裕度，如圖1所示。

圖1 前緣形狀設(shè)計(jì)對(duì)壓氣機(jī)性能的影響

三維設(shè)計(jì)技術(shù)

目前三維設(shè)計(jì)主要功能是實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)性能校核與優(yōu)化。隨著負(fù)荷水平不斷提高，轉(zhuǎn)子隨著壓比增加葉尖泄漏流加劇、葉片根部的橫向二次流更強(qiáng)、靜子彎角超出經(jīng)驗(yàn)值。為了解決這些高負(fù)荷帶來的問題，采取了一系列的技術(shù)措施，關(guān)鍵是對(duì)流動(dòng)細(xì)節(jié)的機(jī)理理解并發(fā)展流動(dòng)控制方法。

復(fù)合彎掠葉片設(shè)計(jì) 改變?nèi)~尖區(qū)葉片力對(duì)氣流的作用力方向和大小，使葉片流道中流場發(fā)生變化，有利于減輕葉尖區(qū)的氣動(dòng)負(fù)荷，減少葉尖的泄漏流動(dòng)和泄漏損失。通過復(fù)合彎掠改變?nèi)~片壓力的徑向分布，特別是抑制端區(qū)局部分離，改善各級(jí)之間的匹配關(guān)系。

端壁區(qū)流動(dòng)綜合控制 考慮引氣的影響，對(duì)引氣處的葉排的攻角、落后角做相應(yīng)補(bǔ)償，保證級(jí)間真實(shí)匹配，對(duì)于高負(fù)荷設(shè)計(jì)時(shí)尤其重要；采用流路修型，有效降低葉型吸力面的峰值馬赫數(shù)，降低根部的逆壓梯度，進(jìn)而減小根部分離的可能性；前移靜子可調(diào)葉片轉(zhuǎn)軸位置，且加大圓盤直徑，消除靜子葉片前緣的周向氣體泄漏。

泄漏流控制設(shè)計(jì) 負(fù)荷增加后，篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)所引起的泄漏流與主流的摻混對(duì)性能產(chǎn)生極大影響，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2所示，優(yōu)化轉(zhuǎn)子根部封嚴(yán)齒的分布及尺寸、靜子葉環(huán)技術(shù)、整體葉盤轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展，都對(duì)泄漏流起到了顯著的抑制作用。端區(qū)泄漏流的控制不僅能夠有效抑制和推遲端區(qū)分離的發(fā)生，同時(shí)也能促進(jìn)對(duì)壓氣機(jī)裕度的提升。

圖2 泄漏控制技術(shù)

串列葉片 串列葉片就是把大的彎度分給兩個(gè)小葉片完成，將氣動(dòng)載荷合理地分配到兩排葉片之上，后排葉片的邊界層要重新建立不會(huì)像單排葉片那樣連續(xù)地發(fā)展，阻斷前葉片尾跡的擴(kuò)散，并延緩后葉片葉背邊界層的建立和發(fā)展。采用串列靜子技術(shù)，如圖3所示，增加葉排氣流折轉(zhuǎn)能力，突破高負(fù)荷靜子大氣動(dòng)彎角難題，解決葉型彎角增大損失增加問題。部件試驗(yàn)表明，壓氣機(jī)效率能夠提高2～3個(gè)百分點(diǎn)，裕度提高1.5～7個(gè)百分點(diǎn)。采用串列轉(zhuǎn)子技術(shù)，增加葉片做功能力和穩(wěn)定性，提高單級(jí)壓比。串列葉片只會(huì)在更高負(fù)荷的壓氣機(jī)流場內(nèi)才會(huì)比常規(guī)葉片具有優(yōu)勢。串列葉片技術(shù)進(jìn)一步提高了葉型氣流折轉(zhuǎn)能力，有效拓寬葉片可用攻角范圍，提升了高負(fù)荷壓氣機(jī)的做功能力及與其他級(jí)的匹配能力。

圖3 串列靜子設(shè)計(jì)

葉型邊界層控制設(shè)計(jì) 通過在葉表設(shè)置抽吸孔/縫，將邊界層內(nèi)的低速流體抽離或者吹除，從而抑制吸力面邊界層的分離，減小葉型損失，緩解葉片通道堵塞，提高壓氣機(jī)葉片負(fù)荷，進(jìn)而提高壓氣機(jī)的效率和穩(wěn)定性，如圖4所示。試驗(yàn)表明，靜子邊界層抽吸可提高效率1.4～2個(gè)百分點(diǎn)。

圖4 靜子葉片抽吸技術(shù)

擴(kuò)穩(wěn)設(shè)計(jì) 處理機(jī)匣是提升中低轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)裕度的有效手段，如圖5所示。通過轉(zhuǎn)子葉頂開設(shè)處理機(jī)匣，使得轉(zhuǎn)子葉頂氣流能夠在軸向壓差驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)入處理槽內(nèi)再從轉(zhuǎn)子前緣附近噴出，從而改善葉尖通道的氣體流動(dòng)，減弱葉尖間隙二次流動(dòng)和泄漏渦的強(qiáng)度，改善壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)效果。機(jī)匣處理結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，付出的代價(jià)是尺寸和質(zhì)量增加，所以處理機(jī)匣的處理槽與主流流動(dòng)一體化設(shè)計(jì)，減小摻混損失是一個(gè)攻關(guān)方向。

圖5 處理機(jī)匣技術(shù)

高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢

學(xué)科的交叉融合是未來的技術(shù)發(fā)展方向，高負(fù)荷壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)也不例外。壓氣機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)將會(huì)更加注重氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、振動(dòng)等多學(xué)科的交叉融合，從先前的側(cè)重串行設(shè)計(jì)發(fā)展為交叉融合的并行一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)需要持續(xù)提升試驗(yàn)測試方面的驗(yàn)證能力，對(duì)設(shè)計(jì)過程的所用模型進(jìn)行校核，持續(xù)提升模型的精度，以應(yīng)對(duì)不斷增長的性能需求和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，推動(dòng)高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

學(xué)科的交叉融合能力

高負(fù)荷壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)需要涵蓋多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，包括氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。工具方法的快速發(fā)展為壓氣機(jī)交叉融合設(shè)計(jì)分析技術(shù)創(chuàng)造了條件，未來的高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)將更加注重學(xué)科之間的交叉融合，通過跨學(xué)科的合作與創(chuàng)新，獲得更好的綜合設(shè)計(jì)效果。例如，結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)可以用于優(yōu)化葉片的強(qiáng)度和剛度，從而減小顫振風(fēng)險(xiǎn)；材料科學(xué)的進(jìn)展可以為葉片材料的選擇提供更多可能性，對(duì)發(fā)展高葉尖切線速度奠定基礎(chǔ)。對(duì)于壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，采用流固耦合、流聲耦合、氣固熱耦合等方面的耦合分析研究，滿足顫振抑制、吞水性能提升等設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)綜合體系能力的提升。

試驗(yàn)測試驗(yàn)證能力

提高試驗(yàn)測試能力，不僅從對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證需求出發(fā)，更需要通過精細(xì)化測試加深對(duì)壓氣機(jī)內(nèi)流動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)。通過大量的試驗(yàn)測試研究，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證的充分性、保真性，建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行歸納和總結(jié)，建立起相應(yīng)的技術(shù)系統(tǒng)。

驗(yàn)證能力是體系能力提高的基礎(chǔ)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)校核設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的各類假設(shè)模型，校核二維、三維仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)系統(tǒng)、仿真軟件由此才能逐步提高其適用性和準(zhǔn)確性。

結(jié)束語

隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)效率、可靠性和性能的要求越來越高，高負(fù)荷壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)已成為未來先進(jìn)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的重要趨勢。壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能起著至關(guān)重要的作用，更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化手段的引入、更為精細(xì)的試驗(yàn)測試能力的提升，將會(huì)助推新的設(shè)計(jì)理念、流動(dòng)控制方法不斷向精細(xì)化發(fā)展，不斷推進(jìn)高負(fù)荷壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。