軸流壓氣機新技術探討

■ 曹志鵬 趙龍波 關朝斌 陳晨/ 中國航發(fā)渦輪院

新一代變循環(huán)發(fā)動機低耗油率、高推重比的發(fā)展需求，促使發(fā)動機壓縮系統(tǒng)負荷進一步提高。面對未來軸流壓氣機發(fā)展，需要結合氣動布局、先進構型、流動控制等設計手段，優(yōu)化三維激波結構與葉片通道流動，實現(xiàn)轉靜子、級間流動最佳匹配，促進壓氣機負荷及裕度的進一步提升。

遠航久航、寬速域飛行是未來先進戰(zhàn)斗機的基本特征，這要求發(fā)動機必須具備亞聲速飛行耗油率足夠低、超聲速飛行推力足夠大的能力。低耗油率發(fā)動機循環(huán)參數(shù)表現(xiàn)出的典型特征為高總增壓比、大涵道比、高部件效率、低風扇壓比；而高單位推力意味著以較小的流量（通常與進口尺寸成正比）獲得較高的推力，這種發(fā)動機設計循環(huán)參數(shù)表現(xiàn)為高渦輪前溫度、高總增壓比和高風扇壓比。由此可以看出，高總增壓比是兼具低耗油率和大推力能力發(fā)動機的首要選擇。

增加級數(shù)和提高級壓比是提升總增壓比的兩種不同途經(jīng)，前者帶來質量和長度上的增加，而后者能夠使風扇/壓氣機部件減級、減重、減長度，符合飛機對于輕質、高效動力的迫切需求，因此是風扇/壓氣機最重要的發(fā)展方向。提高葉尖切線速度和增大氣動負荷ΔCu（轉子葉片進出口絕對速度的周向分量差，即C2u-C1u）可以有效提升風扇/壓氣機級壓比。轉子葉片葉尖切線速度與結構和材料技術水平的發(fā)展緊密相關，當前風扇葉尖切線速度已達550～600m/s。在葉尖切線速度受到限制的情況下，要繼續(xù)提高壓比就得增大氣動負荷ΔCu，增大ΔCu意味著增大葉片的彎角或者靜壓升。然而，高切線速度設計下增大葉片的彎角或者靜壓升，無法避免葉片表面、角區(qū)邊界層分離，導致風扇/壓氣機效率降低、穩(wěn)定工作范圍變小。采用復合掠彎、低反力度、串列葉片和自循環(huán)吸附等風扇/壓氣機新技術,有助于上述問題的解決。

復合掠彎技術

復合掠彎是指在風扇/壓氣機設計中通過葉片的掠、彎或掠彎組合來提高氣動性能、減少強度/振動問題的一種技術，本質上是通過改變葉片形狀、型面實現(xiàn)對風扇/壓氣機中不利流動的控制，達到降低流動損失、增加流動穩(wěn)定性，從而提高效率、級壓比和氣動穩(wěn)定性的目的。

復合掠彎是葉片掠形和彎曲造型技術的一種綜合應用。在壓縮系統(tǒng)中葉片掠形的概念并不是將外流機翼掠形概念簡單套用。國內外學者對此開展了大量的研究，目前普遍認為葉片掠形是葉片在子午投影方向上的掠，但也有另一種理論認為掠形是葉片前緣線三維空間的掠。

葉片掠形主要分為前掠和后掠，不同的進口流動條件，對風扇壓氣機性能的影響不同：亞聲速流動中，沿徑向的各個基元葉型整個型線都會對流動產(chǎn)生影響；超跨聲速流動中，激波、激波邊界層相互干擾等三維流動特征顯著，性能對于基元葉型前緣及基元葉型喉部在徑向位置更為敏感。大量研究結果表明，葉片前掠可以提高超跨聲速風扇/壓氣機的裕度，主要原因包括：葉片前緣線前掠改變了前緣激波的三維結構、在一定程度上削弱了激波強度，并且有效地控制了二次流動；葉片前掠帶來喉道與通道激波相對位置的變化，使激波穩(wěn)定位于基元葉型喉道之后，在背壓提高時，能夠有效延遲激波前推進程，從而提高了穩(wěn)定工作裕度。葉片后掠可以提高風扇/壓氣機的效率，但激波與喉部的相對位置比前掠更靠前一些，因此裕度比前掠低。

值得注意的是，在分析掠形對風扇/壓氣機性能的影響時，也需要考慮掠形是否帶來了葉片弦長和稠度的變化。若在掠形設計中為實現(xiàn)前掠或后掠效果僅改變前緣線，在分析掠形單獨帶來的效果時，就需要將弦長/稠度變化和掠形的影響解耦，而這是非常困難的[1]。因此，一般情況下需要保持弦長不變，通過前、尾緣線同步移動來實現(xiàn)目標掠形效果，如圖1所示。

圖1 掠形與弦長的關系對比

與掠形不同，葉片彎曲是指通過控制葉片積疊線在圓周方向上的位置變化，從而實現(xiàn)對葉片通道內二次流動的控制。葉片彎曲主要分為正彎（C形彎）、反彎（反C形彎）、正S彎、馬鞍形彎（W形彎）等，如圖2所示。正彎是指葉片吸力面與端壁夾角成鈍角的彎曲，反彎則相反；S彎、馬鞍形彎等分別指葉片積疊線在圓周方向呈現(xiàn)S形、馬鞍形等，根據(jù)彎曲方向也可以分為正、反兩個方向的S彎與馬鞍形彎；另外有一種葉片彎曲叫端彎，主要是通過控制葉片根、尖截面的葉型來適應端區(qū)流動，端彎葉片從葉片表面看也有一種葉片彎曲的效果。不同的彎曲形式對流動控制的效果不同，需要根據(jù)具體情況而定。一般情況下，葉片正彎可以實現(xiàn)對端區(qū)流動的卸荷效果，即通過彎曲作用使端區(qū)的低能流體實現(xiàn)向葉片中部的遷移，可以起到改善端區(qū)流動、延遲失速的效果（見圖3），但也要注意到，正彎葉片在改善端區(qū)流動的同時也會增加葉片中部的損失。反彎葉片也得到了應用，參考文獻[2]在大涵道比風扇內涵道靜子葉片設計中就采用反彎的設計，取得了較好的效果[2]。

圖2 葉片彎曲示意

圖3 彎曲靜子葉片流動改善示意

轉子葉片的彎曲設計需要與強度設計反復迭代。一方面轉子葉片的彎曲形式與幅度受到強度的限制，另一方面當葉片強度設計有不足時可以通過一定的彎曲改善。靜子葉片的彎曲設計的強度問題相對較少。無論是對轉子葉片還是靜子葉片，彎曲均會對葉片的振動特性帶來一定的影響。

復合掠彎技術在高負荷風扇/壓氣機的設計應用表現(xiàn)出良好的效果。在設計中，需要做好子午布局、葉片三維構型和級間匹配等3方面的設計。在子午布局設計時：一是合理分配級壓比、反力度，均衡每排葉片負荷；二是根據(jù)每排葉片進口馬赫數(shù)、氣流彎角及分布進行葉片排子午掠形、流道曲率設計，并注意流道曲率與葉片掠形相互關聯(lián)。葉片三維造型設計中，應根據(jù)通流設計結果，綜合考慮馬赫數(shù)、氣流彎角、De Haller數(shù)等氣動參數(shù)，選取葉片掠、彎形式，并在此基礎上匹配最佳攻角、落后角、撓度、厚度分布等造型參數(shù)。級間匹配也是復合掠彎葉片設計中需要重點考慮的實現(xiàn)要素，不同的掠彎形式會對葉片出口參數(shù)分布造成較大的影響，其中氣流角沿徑向的分布對級間匹配影響最大，而對應基元葉型的流管流量沿徑向的分布（受到徑向二次流影響）會對葉片出口氣流角造成較大影響，因此在級間（包括葉排間）匹配時，需要重點考慮上游葉片的落后角、下游葉片的攻角及葉片喉道位置（受厚度分布、撓度影響）。

雖然復合掠彎技術目前已經(jīng)應用于先進風扇壓氣機設計中，但是隨著負荷水平進一步提升，僅單獨采用該項技術仍然難以達到目標，低反力度、串列、吸附式等新概念主、被動流動控制的技術融合復合掠彎技術可以進一步提升負荷水平。

低反力度設計

提高反力度是提高風扇/壓氣機負荷的一種常用方法[3]，但越往負荷極限靠近，該方法面臨的轉子葉片自身負荷能力不足的問題越突出，而高承載低反力度設計提供了一種新的提高負荷的方法。

基本原理

在常規(guī)壓氣機氣動設計中，為使得級效率最高，其反力度通常在0.5左右。低反力度氣動設計通過減小級反力度，降低轉子葉片中的逆壓力梯度，避免負荷提升導致轉子葉片氣流分離，使轉子葉片保持較高的效率；同時將更多擴壓功能轉移到靜子葉片上，采取主動/被動流動控制等多種手段改善靜子葉片流動，使得級負荷提升的同時效率仍然較高。

采用低反力度設計的高負荷級將面臨兩項典型的設計難題：一是由于轉子葉片中絕對速度的顯著增加，導致靜子葉片進口全葉高絕對馬赫數(shù)大于1.0，超出現(xiàn)有設計準則的約束，設計難度陡增；二是將氣流折轉增壓的功能向靜子葉片轉移后，靜子葉片彎角顯著增加，甚至大于60°，同樣超出了現(xiàn)有的設計準則，挑戰(zhàn)前所未有。上述問題可以從氣動布局和靜子葉片設計等方面進行突破。

低反力度氣動布局設計

降低反力度有助于減小動葉設計難度，但是會把難度轉移到靜子葉片設計上，因此反力度的取值取決于級性能要求以及當前水平靜子葉片所能承受的最大載荷。實際設計過程中，靜子葉片采取特殊的流動控制方式增加承載能力，并對轉子葉片、靜子葉片負荷的分配進行迭代尋優(yōu)，尋找最合適的反力度。

級負荷確定后，主要采用轉子葉片軸向速度增加的方式來降低反力度。軸向速度增加使得流道環(huán)面面積的收縮加劇，最直觀的表現(xiàn)就是葉片變短，因此從子午面布局看，低反力度壓氣機流道具有較強的連續(xù)收縮性；另外通過機匣流道半徑沿流向逐漸降低的設計，降低轉子葉片葉尖位置的切線速度，以此降低轉子葉片尖部負荷，使轉子葉片保持較高的效率。在這兩方面因素的作用下，低反力度壓氣機流道呈輪轂和機匣流道向中徑迅速收斂的形式，這與傳統(tǒng)外徑高負荷壓氣機設計顯著不同[4]。子午流道的迅速收縮還要配合葉片的小展弦比設計，因為不論是轉子葉片還是靜子葉片，氣流折轉角都顯著增大（甚至超出設計準則）。采用小展弦比設計，增加葉柵通道的有效長度，可以減緩氣流折轉角變化過大引起的強逆壓梯度，使葉片表面氣流的分離程度盡可能最小，保證轉子葉片具有較高的效率。

多級低反力度壓氣機設計中，并不是每一級都必須采用低反力度設計，基本原則是先前面級，再后面級。前面級為跨聲速級，且第一級入口總溫較低，因此充分利用第一級的做功能力，大幅度增加壓比，以減輕后面級級負荷。通常將第一級設計為高負荷的跨聲速級，再以此為基礎，根據(jù)第二級轉子葉片入口預旋需求，調節(jié)第一級靜子葉片出口的絕對氣流角。對轉子葉片入口正預旋的選取、轉子葉片出口軸向速度的選取，要求在確保實現(xiàn)給定設計負荷前提下，轉子葉片的效率較高?？紤]到充分利用第一級的級負荷能力，第一級靜子葉片入口可以設計為沿整個葉高全超聲速，同時，為有效解決靜子葉片激波后的邊界層分離，在第一級靜子葉片中采用邊界層抽吸或者其他流動控制技術。

流動控制增強的靜子葉片設計

低反力度壓氣機設計將承載能力的矛盾轉移到靜子葉片上。針對高承載能力靜葉設計要求，通過進口馬赫數(shù)、氣動轉折角等參數(shù)影響的綜合分析，確定高承載能力靜子葉片參數(shù)選取原則，利用流動控制技術，實現(xiàn)靜子葉片承載能力高提升，使得低反力度壓氣機提升負荷的同時，兼具高效率。

為達到高承載高效率的設計要求，常采用吸附式靜子葉片技術，如圖4所示。對于低反力度高負荷壓氣機，靜子葉片進口的馬赫數(shù)和彎角都顯著增大，靜子葉片通道中氣流分離無法避免，包括強激波邊界層干涉下的葉表分離和端壁角區(qū)分離。通過靜子葉片表面和端壁的吸附，可以顯著改善靜子葉片的流動，提高承載能力[5-6]。吸附式靜子葉片須重點關注強度設計問題，主要來自兩個方面：超聲速葉型的相對厚度普遍低于亞聲速葉型，以此為降低葉型損失，在這種“薄”葉片上開槽吸附，對強度設計是一項挑戰(zhàn)；壓氣機工作中，靜子葉片長期經(jīng)受各種非定常激勵，自身強度振動問題突出，若在葉片設置吸附結構，無疑是將矛盾更加激化。因此需要進一步發(fā)展?jié)M足結構完整性要求的超聲速吸附結構的靜子葉片設計技術。

圖4 吸附式超聲速靜子葉片

串列靜子葉片技術同樣能起到改善流動，提升承載能力的作用。串列葉片的研究與基元串列葉柵密切相關。串列葉柵擁有獨特的兩排單獨葉柵結構（見圖5），使得在前排葉柵邊界層還未充分發(fā)展，發(fā)生分離前，后排葉柵表面就已經(jīng)通過壓力面到吸力面的噴射氣流補充能量，從而重構葉片表面邊界層，達到延遲分離、提高負荷能力。

圖5 串列葉片原理示意

低反力度多級壓氣機末級靜子葉片彎角較大、負荷較高，但進口馬赫數(shù)并不像第一級那么高，可以采用串列葉片技術實現(xiàn)靜子葉片的高承載能力，保持較高的葉片排流通能力，顯著改善流動，如圖6所示。利用前排葉片內激波增壓減速，使馬赫數(shù)降低，在全弦長葉片后端增加一排小葉片，抑制葉片通道的氣流分離，可實現(xiàn)較大的氣流折轉角，可用于低反力度壓氣機靜子葉片的設計中。

圖6 傳統(tǒng)葉片與串列葉片后流場對比

將吸附式技術、串列技術和低反力度設計結合，是高負荷設計的一條重要途徑，目前的試驗結果初步驗證了原理的可行性，在實際多級低反力度高負荷壓氣機設計中，吸附流量對壓氣機性能有明顯影響，甚至會導致壓氣機失穩(wěn)，因此對降低吸附流量到合理范圍的更為深入研究，對于該項技術在發(fā)動機中的發(fā)展應用有著重要意義。

轉子葉片自循環(huán)吸附

除了吸附式靜子葉片外，自循環(huán)吸附轉子葉片也是一種提高負荷設計的途徑。參考文獻[7]提出了一種新型動葉自循環(huán)吸附式系統(tǒng)。其轉子葉片采用空心葉片結構形式，在轉子葉片吸力面上開有葉表吸氣孔，轉子葉片內部根據(jù)氣動、結構和強度要求設置氣流流路，動葉頂部設置葉頂噴氣孔，葉頂噴氣孔與葉表吸氣孔相連通，形成一個轉子葉片自適應流通結構。其自適應吸附原理為：在轉子葉片工作過程中，采用轉子葉片葉表吸氣孔抽吸低能邊界層流體到葉片內部，利用轉子葉片高速旋轉的離心作用，將聚集在葉片內部流體從轉子葉片葉頂噴氣孔噴出，形成一個自適應吸附式循環(huán)系統(tǒng)，同時起到轉子葉片頂部封嚴和減小轉子葉片吸力面上分離流動的作用，可以大幅度提高風扇/壓氣機的增壓能力和效率，相比于從轉子葉片根部或者尖部引氣并且外排的傳統(tǒng)吸附式結構，消除了吸氣帶來的流量減少，且不需要引入外部設備，結構相對簡單，具有良好的工程應用前景。

基本原理分析

在不考慮黏性力、葉片力和子午流線曲率變化造成加速度的前提下，單位質量微團的受力平衡由微團跟隨葉片旋轉造成的離心力項、微團沿子午面加速度的徑向分量和靜壓力項維持，靜壓梯度主要由離心力項和微團子午面加速度的徑向分量產(chǎn)生，且在葉片內腔流體流速低及速度變化率不大的情況下，靜壓力梯度主要由離心力產(chǎn)生。一般情況下，離心力越大，葉片內腔中靜壓越高，葉頂噴氣孔處與通道內氣流的靜壓力差越大。在葉片主流通道內同樣存在著由離心力等主導的靜壓平衡流動，轉子葉片葉尖間隙內沿軸向也存在一定的靜壓升高，只有當自適應流路噴氣孔內的總壓高于對應位置葉尖間隙內靜壓時，才可形成自適應吸附/噴氣的驅動力，且靜壓差越大，驅動力越強，噴氣氣流加速越多，從而獲得更高的噴氣速度，葉尖封嚴和葉表流動控制的效果才越好。

自循環(huán)分析

轉子葉片自循環(huán)流路的設計主要包括吸附槽、葉頂噴氣孔和葉片內部空腔等3部分。吸附槽合理的位置應處于激波后邊界層剛發(fā)展起來的極大值位置附近，該位置使得吸附槽能較好地控制下游邊界層的發(fā)展。葉頂噴氣孔的角度和弦向位置對性能提升效果有直接的影響。噴氣角度在圓周方向的變化會對擴穩(wěn)效果產(chǎn)生影響，當噴氣方向與葉片旋轉方向相反時，噴氣擴穩(wěn)的效果最好。根據(jù)基本原理和數(shù)值模擬的分析，噴氣孔的弦向位置應該靠近前緣為宜。葉片內部空腔的設計，可以根據(jù)吸附孔的要求靈活調整，但應注意滿足葉片的強度設計要求。

參考文獻[7]完成了跨聲速轉子葉片自適應流路的設計，并進行了數(shù)值模擬驗證。采用自適應吸附后，高負荷風扇的穩(wěn)定裕度得到有效改善。

自適應吸附技術在實際應用中仍然面臨一些問題：為了保證強度通常希望在葉片最厚的位置設置吸附槽，但最大厚度位置和激波邊界層發(fā)展的起始位置較難統(tǒng)一；對于不同負荷水平的風扇，吸附結構能否使得激波在葉片通道中的位置始終固定，仍需要開展研究，一旦激波位置移動，吸附效果會大幅度降低。

結束語

在高性能發(fā)動機的指標要求不斷提高的形勢下，壓氣機設計向高負荷增壓設計發(fā)展不斷加速，但仍面臨許多未知與挑戰(zhàn)。目前，國內外科研機構取得的研究成果揭示了各先進技術的優(yōu)勢特性，初步驗證了將其用于軸流壓氣機的可行性，許多研究工作非常超前，但極限負荷下很多機理仍不清晰。工程上不僅要求設計點氣動性能達標，還要求滿足全飛行包線內氣動熱力需求，更加強調效率、加減速性、氣動穩(wěn)定性和間隙控制的重要性，更加關注葉片振動對高周疲勞壽命影響等，因此上述技術的應用需要進行更多的研究和分析。此外，變循環(huán)、智能、柔性等新概念應對新需求的態(tài)勢已經(jīng)顯現(xiàn)，結合小展弦比掠彎、串列、自循環(huán)吸附技術創(chuàng)新發(fā)展，是未來壓縮系統(tǒng)技術發(fā)展的一個重要的方向。