高壓比高效率組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

■ 鄒學(xué)奇 朱玲/ 中國航發(fā)動研所

中小型航空發(fā)動機(jī)廣泛采用的高壓比組合壓氣機(jī)級數(shù)進(jìn)一步減少，葉輪出口的線速度和工作溫度越來越高，而氣動和結(jié)構(gòu)效率將進(jìn)一步提升，需要設(shè)計(jì)人員遵循產(chǎn)品研發(fā)的內(nèi)在邏輯規(guī)律，全面提升組合壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)水平。

壓氣機(jī)作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)三大核心部件之一，按空氣流動形式，可分為軸流壓氣機(jī)、離心壓氣機(jī)和斜流壓氣機(jī)等，如圖1所示，基本功能均是為燃燒室及其他發(fā)動機(jī)部件提供特定壓力的氣流，保證發(fā)動機(jī)在全任務(wù)包線內(nèi)穩(wěn)定可靠地工作。在大型航空發(fā)動機(jī)中主要采用軸流壓氣機(jī)；在中小型航空發(fā)動機(jī)中，則有多級軸流、單級離心、雙級離心及軸流+離心和斜流+離心組合壓氣機(jī)等多種結(jié)構(gòu)形式。本文所述的組合壓氣機(jī)特指軸流+離心組合壓氣機(jī)，而且是單軸結(jié)構(gòu)的組合壓氣機(jī)，如阿赫耶（Arriel）發(fā)動機(jī)的1級軸流+1級離心（1A1C）組合壓氣機(jī)、RTM322發(fā)動機(jī)的3級軸流+1級離心（3A1C）組合壓氣機(jī)和GE T700發(fā)動機(jī)的5級軸流+1級離心（5A1C）組合壓氣機(jī)等。

圖1 航空發(fā)動機(jī)中常見的幾種壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式

組合壓氣機(jī)的選取依據(jù)

軸流壓氣機(jī)通常適宜作為大流量航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)部件，單級壓比低，但效率高；離心壓氣機(jī)適宜作為中小流量航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)部件，其單級壓比高，但效率偏低。軸流+離心組合壓氣機(jī)兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有相對較高的壓比和效率水平。在氣動性能上，采用組合壓氣機(jī)的內(nèi)在邏輯是必須綜合考慮不同結(jié)構(gòu)形式壓氣機(jī)級的做功能力、不同比轉(zhuǎn)速的最佳效率區(qū)域、不同壓氣機(jī)出口換算流量反映的“尺寸效應(yīng)”大小等多因素的影響。

不同類型壓氣機(jī)級的做功能力

以H等中徑和H分別代表等中徑基準(zhǔn)級和非等中徑級的級做功因子，以r2/r1代表不同結(jié)構(gòu)形式壓氣機(jī)級的出口與進(jìn)口平均半徑比值。從表1可看出，r2/r1對級的做功能力影響很大，r2/r1變化5%，其級的做功能力則相差30%～40%，可見不同流路形式的壓氣機(jī)級做功能力差異之大。

表1 葉片氣動負(fù)荷相近的不同級的做功能力對比

壓氣機(jī)級的做功能力實(shí)際上體現(xiàn)了其氣動負(fù)荷水平和離心力的做功大小。因此，對實(shí)際做功因子H相當(dāng)?shù)牟煌鞯澜Y(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)級，若r2/r1不同，則葉片的實(shí)際氣動負(fù)荷水平會相差很大。這也能很好地解釋離心壓氣機(jī)單級壓比為什么可以達(dá)到10以上、而軸流壓氣機(jī)的級壓比通常很低的內(nèi)在原因。流路形式不同，軸流級和離心級的做功能力不同，而且軸流級內(nèi)部各級的作功能力也不同，各部分對組合壓氣機(jī)總性能的貢獻(xiàn)大小也不同，如何使總的性能最佳、風(fēng)險(xiǎn)最小，又能滿足發(fā)動機(jī)總體的要求，必須仔細(xì)研究比較不同氣動布局的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)各壓氣機(jī)級的具體情況來分配做功量，依據(jù)大量分析計(jì)算來確定具體的流路形式。

壓氣機(jī)基本級結(jié)構(gòu)形式與比轉(zhuǎn)速的關(guān)系

比轉(zhuǎn)速反映了流量、葉輪角速度和壓縮總焓增的關(guān)系。比轉(zhuǎn)速從小到大，壓氣機(jī)基本級結(jié)構(gòu)由離心式、斜流式逐步變?yōu)檩S流式，而且對于離心壓氣機(jī)來說，存在一個最佳效率區(qū)間。因此，壓氣機(jī)基本級結(jié)構(gòu)形式與所需要的流量、壓比（焓增）以及選用的轉(zhuǎn)速存在合理的對應(yīng)關(guān)系，參數(shù)選擇如果出現(xiàn)大的偏離就會導(dǎo)致級性能的大幅降低。

“尺寸效應(yīng)”的影響

壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)、出口換算流量之間的關(guān)系既包含了壓氣機(jī)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)的綜合影響，也間接反映了其尺寸的大小以及可能的“尺寸效應(yīng)”。由于“尺寸效應(yīng)”的影響，以及軸流級和離心級對葉尖間隙敏感性的差異，通常根據(jù)壓氣機(jī)出口換算流量大小或進(jìn)口換算流量和壓比大小，可以大致確定不同壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)布局的適用范圍，如圖2所示。

圖2 壓氣機(jī)流量、壓比對壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式的影響

發(fā)動機(jī)功率等級的影響

壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)、出口換算流量取決于發(fā)動機(jī)的循環(huán)參數(shù)的選擇，決定了壓氣機(jī)流道幾何及葉尖相對間隙的大小量級，因而渦軸發(fā)動機(jī)的功率等級也可大致反映出壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)和趨勢。從統(tǒng)計(jì)上看，如圖3所示，對于750kW級以下的渦軸發(fā)動機(jī)，壓氣機(jī)構(gòu)型經(jīng)歷了從軸流+離心，到軸流+離心與單級離心并存的發(fā)展過程，尤其是500kW級以下更加普遍地采用單級離心壓氣機(jī)；對于750～1500kW級，經(jīng)歷了從多級軸流到軸流+離心，再到軸流+離心與雙級離心并存的發(fā)展過程；對于1500kW級以上，經(jīng)歷了從多級軸流到軸流+離心的發(fā)展過程；總體來看，在各功率等級下，壓氣機(jī)均朝著結(jié)構(gòu)緊湊化方向發(fā)展，級數(shù)越來越少。

圖3 壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式變化趨勢示意

不同因素的綜合考慮

航空發(fā)動機(jī)的研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有內(nèi)在的規(guī)律性：統(tǒng)籌策劃的系統(tǒng)性、自主研發(fā)的正向性、專業(yè)學(xué)科的綜合性、技術(shù)應(yīng)用的成熟性、方案優(yōu)化的迭代性、過程管控的科學(xué)性。壓氣機(jī)作為發(fā)動機(jī)的核心部件，其設(shè)計(jì)必須服從于發(fā)動機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)的內(nèi)在規(guī)律。發(fā)動機(jī)是否采用組合壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式，需根據(jù)發(fā)動機(jī)用途及功率或推力等級、整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性、發(fā)動機(jī)對壓氣機(jī)部件性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)的具體要求、技術(shù)繼承性、產(chǎn)品改進(jìn)改型發(fā)展空間、目前的軟硬件條件等因素進(jìn)行綜合論證。如果采用組合壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式，則一定是從發(fā)動機(jī)整機(jī)角度綜合權(quán)衡的一種最優(yōu)選擇，而非基于設(shè)計(jì)者個人經(jīng)驗(yàn)和片面認(rèn)識的一種選擇。

組合壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)

從研發(fā)體系的角度，壓氣機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)分為頂層的壓縮系統(tǒng)（總體、方法論等）設(shè)計(jì)技術(shù)、底層的專業(yè)學(xué)科技術(shù)（氣動設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、熱分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等）和共性的數(shù)智賦能技術(shù)（數(shù)字連續(xù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等）。基于正向設(shè)計(jì)的理念，組合壓氣機(jī)以系統(tǒng)工程的需求管理為抓手，通過“需求的定義與分解”和“需求的驗(yàn)證和確認(rèn)”實(shí)現(xiàn)需求、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)的可追溯，采用魯棒性的集成產(chǎn)品開發(fā)方法，做實(shí)、做細(xì)項(xiàng)目論證和設(shè)計(jì)階段的工作，避免開發(fā)和試驗(yàn)階段出現(xiàn)大的反復(fù)。前端的設(shè)計(jì)要求、中間的設(shè)計(jì)過程和最終獲得的結(jié)果同等重要，應(yīng)以目標(biāo)為導(dǎo)向，緊盯設(shè)計(jì)要求，以高質(zhì)量的過程管控達(dá)成高效高質(zhì)量的結(jié)果。

組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)要求

壓氣機(jī)研制技術(shù)要求通常包括設(shè)計(jì)、制造、取證、試驗(yàn)及交付等全過程的要求，包括壓氣機(jī)功能要求、性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)完整性要求，壓氣機(jī)研制過程中應(yīng)達(dá)到的質(zhì)量要求、需完成的試驗(yàn)項(xiàng)目、安裝與接口要求、取證資質(zhì)要求及安全性、耐久性/維修性要求等。為滿足壓氣機(jī)功能與非功能的需求，在壓氣機(jī)設(shè)計(jì)初期需要將客戶原始需求系統(tǒng)全面地分解成壓氣機(jī)氣動設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求等，并貫穿到壓氣機(jī)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)中，通過仿真、試驗(yàn)等手段逐步驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)要求捕獲到向客戶交付符合要求產(chǎn)品的閉環(huán)管控。

組合壓氣機(jī)氣動設(shè)計(jì)要求主要包括穩(wěn)態(tài)性能要求、穩(wěn)定性要求、軸向力載荷要求、葉尖間隙要求、擴(kuò)穩(wěn)設(shè)計(jì)要求等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)、保證發(fā)動機(jī)功能和可靠運(yùn)行，設(shè)計(jì)過程中需要權(quán)衡考慮部件和整機(jī)性能需求、生產(chǎn)制造能力、考核驗(yàn)證方法、采購和維護(hù)成本等因素。壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求主要包括：滿足性能設(shè)計(jì)所提出的各項(xiàng)要求，如通道面積、葉片級數(shù)、葉片型面及安裝角等；控制葉尖間隙變化，保證所設(shè)計(jì)的壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)狀態(tài)下工作效率高；采取適當(dāng)?shù)姆来胧ＷC壓氣機(jī)寬廣的穩(wěn)定工作范圍；結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量輕，具有良好的結(jié)構(gòu)剛性和轉(zhuǎn)靜子變形協(xié)調(diào)性，以保證間隙；裝配維修方便，制造成本低；滿足強(qiáng)度、振動及變形要求，主要零件壽命長；能在較長時間內(nèi)保持初裝時的性能，即性能衰減率小。

組合壓氣機(jī)主要設(shè)計(jì)過程

從產(chǎn)品角度來看，組合壓氣機(jī)作為中小流量航空發(fā)動機(jī)的重要組成部分，必須遵循產(chǎn)品全生命周期階段劃分的相關(guān)規(guī)定。例如，軍用產(chǎn)品分為論證階段、方案階段、工程研制階段、狀態(tài)鑒定階段、列裝定型階段、批量生產(chǎn)階段、使用保障階段等7個階段；民用產(chǎn)品劃分為需求分析和定義階段、概念設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、試制與驗(yàn)證階段、生產(chǎn)與服務(wù)階段等6個階段。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度來看，組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)過程分為需求分析和定義、方案論證、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證等幾個階段。從專業(yè)學(xué)科角度來看，組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)包括氣動設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱分析、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證等多個環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)過程中需要接受和通過相關(guān)的技術(shù)審查和決策審查，以確保所有需求已被正確定義、設(shè)計(jì)滿足需求，且全部得到驗(yàn)證。決策審查主要由決策層根據(jù)產(chǎn)品研制團(tuán)隊(duì)提交的項(xiàng)目的技術(shù)、費(fèi)用及進(jìn)度評估結(jié)果及識別的風(fēng)險(xiǎn)，作出“繼續(xù)、終止或申請調(diào)整”的決策，實(shí)施對項(xiàng)目的管控，避免人力、物力的浪費(fèi)，或獲取外部投資方或客戶方的進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)調(diào)整的支持。

組合壓氣機(jī)未來發(fā)展趨勢

組合壓氣機(jī)的離心級未來可替代更多的軸流級，組合壓氣機(jī)的級數(shù)可進(jìn)一步降低，提高氣動和結(jié)構(gòu)效率。從產(chǎn)品發(fā)展趨勢來看，未來10～20年離心/組合壓氣機(jī)性能將進(jìn)一步提高：單級低壓比（3～4一級）離心壓氣機(jī)，效率進(jìn)一步提高，最高效率接近0.9；單級離心壓氣機(jī)最高壓比大于15，效率超過82%；組合壓氣機(jī)壓比達(dá)30～50；出口線速度將超過800m/s，這要求性能更好的輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐高溫合金材料。

在未來中小型航空發(fā)動機(jī)低油耗、低成本、高推重比和高可靠性需求的推動下，組合壓氣機(jī)的發(fā)展趨勢始終是在保持并盡可能改善效率水平的基礎(chǔ)上增加壓比，擴(kuò)大失速邊界，并具備良好的性能保持、輕量化、長壽命、結(jié)構(gòu)簡單和零件數(shù)少等特征。在氣動熱力方面，復(fù)合彎掠葉片設(shè)計(jì)技術(shù)、基于變系數(shù)對流擴(kuò)散方程的葉片設(shè)計(jì)方法、曲率連續(xù)前緣葉型設(shè)計(jì)技術(shù)、復(fù)合彎掠離心葉輪、多重分流葉片設(shè)計(jì)技術(shù)、一體式管式擴(kuò)壓器等將進(jìn)一步發(fā)展。在結(jié)構(gòu)和材料方面，功能、性能、強(qiáng)度多學(xué)科智能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，基于新材料、新工藝的先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)將成為未來的發(fā)展方向。

同時，基于模型系統(tǒng)工程的壓氣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)智賦能應(yīng)用技術(shù)正在高速發(fā)展。物理世界、人類認(rèn)知世界、數(shù)字世界、機(jī)器認(rèn)知世界將構(gòu)成全新的智能世界，數(shù)據(jù)將成為4個世界連接轉(zhuǎn)換的樞紐。數(shù)據(jù)治理、數(shù)字孿生、數(shù)字連續(xù)、人工智能等技術(shù)將大力促進(jìn)“數(shù)字世界”和“機(jī)器認(rèn)知世界”中的組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)仿真技術(shù)的發(fā)展。

結(jié)束語

組合壓氣機(jī)具有高壓比、高效率的特點(diǎn)，是中小型航空發(fā)動機(jī)廣泛采用的壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式，但在壓氣機(jī)方案設(shè)計(jì)中，必須綜合考慮不同結(jié)構(gòu)形式壓氣機(jī)級的做功能力、最佳效率范圍、“尺寸效應(yīng)”大小，同時根據(jù)發(fā)動機(jī)用途及功率或推力等級、整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性、發(fā)動機(jī)對壓氣機(jī)部件性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)的具體要求、技術(shù)繼承性、產(chǎn)品改進(jìn)改型發(fā)展空間、目前的軟硬件條件等因素進(jìn)行綜合論證，使其真正成為從發(fā)動機(jī)整機(jī)角度綜合權(quán)衡的一種最優(yōu)選擇。組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)有其內(nèi)在邏輯，應(yīng)樹立正向設(shè)計(jì)的理念，通過“需求的定義與分解”“需求的驗(yàn)證和確認(rèn)”實(shí)現(xiàn)需求、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)的可追溯，以高質(zhì)量的過程管控達(dá)成高效高質(zhì)量的設(shè)計(jì)結(jié)果。組合壓氣機(jī)尤其離心壓氣機(jī)的發(fā)展需求已超出現(xiàn)有的設(shè)計(jì)邊界和經(jīng)驗(yàn)范圍，對設(shè)計(jì)提出了全新的挑戰(zhàn)，需要共同努力，從機(jī)理研究、基礎(chǔ)技術(shù)、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)工具、材料工藝等多方面深入開展工作，盡快提升先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品成熟度，進(jìn)而全面提升組合壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)水平。