復(fù)合掠彎軸流增壓設(shè)計(jì)技術(shù)

曹志鵬，王永明，趙龍波，關(guān)朝斌，牛瀟，陳晨

中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500

未來戰(zhàn)斗機(jī)在平臺層面普遍要求遠(yuǎn)航久航、高速［1］。目前，美國正在抓緊研制的穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)，其可能超越以往戰(zhàn)斗機(jī)的遠(yuǎn)航久航能力［2-3］。

動力是戰(zhàn)斗機(jī)性能的基礎(chǔ)保障，一代新動力，一代新戰(zhàn)機(jī)［4］。從對未來戰(zhàn)斗機(jī)使命任務(wù)的分析以及對技術(shù)支撐能力的預(yù)測，未來戰(zhàn)斗機(jī)將仍是主要在航空空間執(zhí)行任務(wù)的飛行器，因此渦扇發(fā)動機(jī)仍將是其動力的首選。在美國下一代戰(zhàn)斗機(jī)的研制規(guī)劃中，明確提出“戰(zhàn)區(qū)滯空時間提高50%；推力增大10%；油耗降低25%；亞聲速航程延長30%，待機(jī)時間延長70%；超聲速航程延長40%，待機(jī)時間延長80%”等幾項(xiàng)需求，發(fā)動機(jī)、氣動結(jié)構(gòu)和飛控技術(shù)是支撐這些需求的主要技術(shù)領(lǐng)域。很顯然，發(fā)動機(jī)的貢獻(xiàn)率將是最高的［5-7］。

未來戰(zhàn)斗機(jī)要求發(fā)動機(jī)具備高低速都能飛、高低速都省油，并且具有極高的經(jīng)濟(jì)可承受性。受部件和系統(tǒng)技術(shù)的限制，常規(guī)發(fā)動機(jī)難以滿足未來擴(kuò)大的使用范圍、多種任務(wù)等需求，普遍認(rèn)為，變循環(huán)技術(shù)可為這些需求提供有效的解決方案。美國在YF-23 上已試飛過F120 變循環(huán)發(fā)動機(jī)［7-9］，通過不斷地改進(jìn)，F(xiàn)120［10］變循環(huán)發(fā)動機(jī)已逐漸成熟。相比于同樣大小的發(fā)動機(jī)，采用變循環(huán)發(fā)動機(jī)可增加10%的推力，提升25%的燃油效率，多出30%的航程［6］。

綜上可知，未來高性能渦扇發(fā)動機(jī)在大功率狀態(tài)下單位推力高［11］，在部分功率狀態(tài)下耗油率低，對壓縮系統(tǒng)有2 個方面的具體要求：首先，總增壓比要進(jìn)一步大幅提高；其次，壓氣機(jī)的流量在不同功率狀態(tài)下能夠大幅度改變，以滿足涵道比的變化需要，達(dá)到降低耗油率的目的。

在此需求牽引下，如果風(fēng)扇/壓氣機(jī)繼續(xù)采用原負(fù)荷水平的成熟技術(shù)，那么提高總增壓比意味著增加級數(shù)，而由此帶來的重量和長度的增加對于飛機(jī)完成遠(yuǎn)航久航、機(jī)動飛行任務(wù)將會造成非常大的困難，必定難以被接受；而如果風(fēng)扇/壓氣機(jī)能夠大幅度提升級負(fù)荷，減小級數(shù)，減輕重量和長度，就會與飛機(jī)需求高度一致，因此是其最主要的發(fā)展方向。

提高葉尖切線速度和增大氣動負(fù)荷ΔCu（即C2u-C1u，動葉進(jìn)出口絕對速度的周向分量差）是提高風(fēng)扇/壓氣機(jī)壓比的2 條基本途徑［12-13］。動葉葉尖切線速度與結(jié)構(gòu)、材料技術(shù)水平的發(fā)展緊密相關(guān)，隨著材料力學(xué)性能的提高和強(qiáng)度設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)扇葉尖切線速度已達(dá)550～600 m/s，這為高負(fù)荷風(fēng)扇設(shè)計(jì)提供了可能；如果在葉尖切線速度受限制（如渦輪AN2 的限制，轉(zhuǎn)速不能繼續(xù)提高），增大氣動負(fù)荷ΔCu也能夠達(dá)到同樣效果。小展弦比復(fù)合掠彎是提升負(fù)荷的典型技術(shù)，如果負(fù)荷水平再進(jìn)一步增大，就需要采用串列葉片、吸附式葉片等新構(gòu)型來提高氣流折轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)減小流動分離，提高效率和增大壓比的目的。

在高負(fù)荷壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，上述2 種技術(shù)途徑對級壓比提升的貢獻(xiàn)需要保持平衡。每種技術(shù)途徑都有自身優(yōu)勢，但同時也會有其他方面的不利影響，例如吸附式技術(shù)，氣動負(fù)荷水平理論上可以大幅度提高，但吸附結(jié)構(gòu)、抽吸量的控制相當(dāng)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，而且吸出的氣體難以二次利用的問題十分突出。設(shè)計(jì)不能只關(guān)注優(yōu)異的性能技術(shù)指標(biāo)，也要考慮后續(xù)工程化應(yīng)用，權(quán)衡利弊、綜合性能最優(yōu)才是設(shè)計(jì)中需要遵循的根本原則。

相關(guān)研究資料表明，風(fēng)扇級壓比可能達(dá)到4.0，多級壓氣機(jī)的平均級壓比將達(dá)到1.8 以上，要實(shí)現(xiàn)如此高的級負(fù)荷，就必須采用掠形葉片等先進(jìn)技術(shù)［14］。綜合應(yīng)用高葉尖切線速度和掠、彎等三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)對高負(fù)荷增壓需求有著明顯優(yōu)勢：首先，結(jié)構(gòu)材料技術(shù)進(jìn)步，降低了轉(zhuǎn)速升高帶來的強(qiáng)度振動問題，通過增大切線速度就能提高壓比；其次，掠、彎等三維設(shè)計(jì)技術(shù)水平的提高帶來氣動負(fù)荷能力增大，對級壓比提高有不小的貢獻(xiàn)；最后，同吸附式等新氣動構(gòu)型相比，掠、彎設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)相對小，通過結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)步是完全可以實(shí)現(xiàn)的，不會帶來設(shè)計(jì)難度的成倍增加。掠、彎三維技術(shù)較好地平衡了氣動、結(jié)構(gòu)、材料等方面的設(shè)計(jì)難度，是一個可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)的高負(fù)荷增壓技術(shù)途徑［15-16］。

然而，高負(fù)荷的掠彎三維設(shè)計(jì)技術(shù)同樣也面臨著系列難題：葉尖切線速度提高的同時，增大了進(jìn)口氣流的相對馬赫數(shù)，激波強(qiáng)度增加，會引起激波損失增大以及激波/附面層相互干涉增強(qiáng)［17-18］。對于小輪轂比風(fēng)扇動葉，其根部的切線速度低，要達(dá)到與尖部一樣的增壓比，氣流在葉片通道內(nèi)的折轉(zhuǎn)角度需要增大，通道內(nèi)會出現(xiàn)擴(kuò)壓減速和順壓加速的復(fù)雜流動過程，在逆壓力梯度過大位置氣流容易發(fā)生分離，需要用擴(kuò)散因子等準(zhǔn)則參數(shù)對氣流折轉(zhuǎn)、擴(kuò)壓流動進(jìn)行嚴(yán)格控制；順壓加速雖然對動葉流動有利，但會使靜葉根部進(jìn)口氣流速度達(dá)到超聲速，葉片槽道內(nèi)氣流擴(kuò)壓流動將產(chǎn)生激波，造成靜葉流動損失大幅度增加；此外，為了能夠給下一級動葉提供良好的進(jìn)口角度，靜葉的轉(zhuǎn)折角度也可能大幅度增加，超過設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在進(jìn)口馬赫數(shù)和氣流折轉(zhuǎn)角都超過設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時，流動分離和損失將難以控制，因此，在高級壓比的設(shè)計(jì)目標(biāo)下，要達(dá)到高的效率和裕度會更加困難［19］。

高負(fù)荷增壓能力一直是渦扇發(fā)動機(jī)壓縮系統(tǒng)始終不變的追求，強(qiáng)烈的需求牽引著高負(fù)荷增壓技術(shù)不斷向前發(fā)展。在各類預(yù)研計(jì)劃的支持下，國內(nèi)外的研究人員已經(jīng)開展了很多卓有成效的研究工作，在非常規(guī)構(gòu)型、復(fù)合掠彎葉片設(shè)計(jì)方法，以及流動匹配設(shè)計(jì)與分析等方面進(jìn)展順利，有力提升了對高負(fù)荷增壓設(shè)計(jì)技術(shù)的認(rèn)識。2016 年開始，關(guān)于美國下一代動力自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機(jī)研制進(jìn)展的公開報(bào)道逐漸增多，以Flade 風(fēng)扇葉片為典型特征的三外涵架構(gòu)引起了廣泛關(guān)注。發(fā)動機(jī)這種全新構(gòu)型注重與飛機(jī)設(shè)計(jì)融合，通過Flade 葉片對第三外涵的流量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，既可以進(jìn)一步增大涵道比，降低耗油率，又能夠?qū)崿F(xiàn)飛發(fā)綜合熱管理，有效地降低飛機(jī)進(jìn)氣道溢流阻力和提升隱身能力，十分關(guān)鍵。

“十一五”期間，中國燃?xì)鉁u輪研究院完成了大前掠帶箍風(fēng)扇設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工作，本文充分利用其成果，繼續(xù)深入開展小展弦比復(fù)合掠形氣動布局、任意中線掠彎葉片造型方法研究，建立了兩級風(fēng)扇超跨聲速級間匹配全新角度調(diào)節(jié)規(guī)律，完成了優(yōu)化調(diào)節(jié)技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的效率和裕度指標(biāo)，設(shè)計(jì)方法正確性得到了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，針對更高負(fù)荷指標(biāo)的需求，開展串列、吸附等非常規(guī)構(gòu)型研究，從概念、原理、設(shè)計(jì)方法以及試驗(yàn)驗(yàn)證等方面開展分析，評估其可行性。最后，對于未來發(fā)動機(jī)所需Flade 葉片構(gòu)型、基于智能材料的柔性葉片展開了初步分析，研究了未來軸流增壓技術(shù)的發(fā)展方向—流量可變關(guān)鍵技術(shù)，為全面滿足飛機(jī)需求的低耗油率發(fā)動機(jī)研制提供了支撐。

1 小展弦比掠彎

美國學(xué)者Wennerstrom 博士在20 世紀(jì)70 年代設(shè)計(jì)了單級高通流壓氣機(jī)（HTFC），達(dá)到了壓比2.058 和試驗(yàn)驗(yàn)證效率0.889 的空前水平［20］，這是小展弦比掠形技術(shù)發(fā)展的里程碑，標(biāo)志著風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)理念發(fā)生了革命性變化，向著高負(fù)荷的發(fā)展方向邁進(jìn)了一大步。Wennerstrom 是小展弦比掠形技術(shù)提出者和推動者，對高負(fù)荷跨聲速風(fēng)扇/壓氣機(jī)氣動設(shè)計(jì)做出了貢獻(xiàn)：一是提倡采用小展弦比；二是將掠形方案引入設(shè)計(jì)，作為可選擇的設(shè)計(jì)幾何參數(shù)之一。

程榮輝和周拜豪［21］提出：掠形葉片的設(shè)計(jì)總是與高負(fù)荷、小展弦比、高稠度聯(lián)系在一起。在F119 風(fēng)扇上，最終沒有采用掠形葉片的主要原因有2 個方面：一方面是掠形技術(shù)尚未成熟，另一方面是設(shè)計(jì)要求的級負(fù)荷尚未達(dá)到常規(guī)葉片不能勝任的程度。但是在更先進(jìn)的風(fēng)扇設(shè)計(jì)中，就必須采用掠形技術(shù)，例如兩級風(fēng)扇壓比達(dá)到4.5（見圖1），第1 級級壓比接近2.5，葉尖進(jìn)口馬赫數(shù)接近1.8，這時采用掠形設(shè)計(jì)就是必須的。在風(fēng)扇和壓氣機(jī)發(fā)展中總結(jié)出來的小展弦比概念，已經(jīng)被廣泛接受，把其用于掠形葉片設(shè)計(jì)這一點(diǎn)尤其重要。如果采用大展弦比設(shè)計(jì)，后掠葉片的裕度會更低，前掠葉片的應(yīng)力水平會更高，顫振的可能性就更大。高稠度是與高負(fù)荷相聯(lián)系的，可以起到降低擴(kuò)散因子的效果。

圖1 高負(fù)荷大前掠帶箍風(fēng)扇Fig.1 High load large forward sweep band clamp fan

劉永泉等［22］認(rèn)為，葉片設(shè)計(jì)理念由窄弦、高展弦比逐漸向?qū)捪摇⑿≌瓜冶绒D(zhuǎn)變；此外，受掠形機(jī)翼啟示，葉片展向積疊思路由束縛于展向近直葉片轉(zhuǎn)變?yōu)楹舐尤~片、前掠葉片，并在深刻認(rèn)識掠即體現(xiàn)負(fù)荷展向匹配后，轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)設(shè)計(jì)需要而定制復(fù)合掠葉片，見圖2。

圖2 葉片設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變Fig.2 Transformation of blade design concept

美國的“海軍先進(jìn)風(fēng)扇部件技術(shù)”計(jì)劃（NAFCOT）按照“亞聲前緣”原則，在葉中以上采用大后掠，企圖實(shí)現(xiàn)無激波動葉，動葉子午形狀做成斧頭形。試驗(yàn)結(jié)果表明該大后掠動葉的嘗試是失敗的［23-24］。

多年來，理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證表明小展弦比掠形技術(shù)可以有效地提高壓縮系統(tǒng)的負(fù)荷，各類高負(fù)荷構(gòu)型都是以小展弦比復(fù)合掠形為基礎(chǔ)，足見其良好的普適性。為緊跟國際先進(jìn)水平，在各類預(yù)研計(jì)劃支持下，我國也是不遺余力地發(fā)展高負(fù)荷掠形技術(shù)，尤其是在對外合作研究中，取得了多項(xiàng)成果。

中國燃?xì)鉁u輪研究院和北京航空航天大學(xué)進(jìn)行了后掠跨聲速風(fēng)扇（ATS-2）聯(lián)合設(shè)計(jì)，該風(fēng)扇是1 臺高負(fù)荷、小展弦比、適度后掠的軸流風(fēng)扇，單級壓比2.2。同時，開展了前掠動葉ATS-3 的研究工作，數(shù)值結(jié)果顯示，動葉壓比達(dá)到2.437，效率達(dá)到了0.95。同一判別標(biāo)準(zhǔn)下，前掠風(fēng)扇動葉失速裕度比后掠風(fēng)扇動葉高出20%，這是前掠風(fēng)扇區(qū)別于常規(guī)和后掠風(fēng)扇的明顯優(yōu)勢［25］。

沈陽發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)所完成了高負(fù)荷雙級掠形風(fēng)扇J286［26］的設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究，還與北京航空航天大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)了1 臺高馬赫數(shù)、單級復(fù)合掠形風(fēng)扇J285。

中國燃?xì)鉁u輪研究院研制了大前掠帶箍兩級風(fēng)扇，設(shè)計(jì)總增壓比已經(jīng)接近4.5（見表1）。這種大前掠、復(fù)合材料箍環(huán)動葉設(shè)計(jì)理念在20 年前是十分超前的，即使是現(xiàn)在，其氣動性能指標(biāo)也是十分先進(jìn)。更為重要的是，箍環(huán)動葉與變循環(huán)發(fā)動機(jī)中的Flade 葉片結(jié)構(gòu)相類似，其研究成果為后續(xù)變流量技術(shù)發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。

表1 國內(nèi)預(yù)研高負(fù)荷風(fēng)扇的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of domestic pre-developed high load fans

另外，文獻(xiàn)［27］在掠彎葉柵方面也開展了深入的研究，并取得了不錯的研究進(jìn)展。

伴隨著切線速度和負(fù)荷的提高，新一代風(fēng)扇進(jìn)口級動葉的葉尖相對馬赫數(shù)和尖部壓比已經(jīng)超出試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的支持范圍。如HTFC［28］計(jì)劃4 號動葉的級壓比為2.07，ATS-2［29］的級壓比為2.2，J285 的級壓比為2.3，帶箍風(fēng)扇第1 級壓比為2.3，對應(yīng)的動葉尖部壓比則更高；HTFC 基準(zhǔn)動葉葉尖進(jìn)口相對馬赫數(shù)為1.675，ATS-2 的為1.65 左右，J285［14，30-31］的為1.712，帶箍風(fēng)扇為1.758。而在原有風(fēng)扇設(shè)計(jì)體系中，級壓比通常不超過1.7，葉尖馬赫數(shù)不超過1.5［32-33］。

在進(jìn)口馬赫數(shù)大幅度增加的情況下，由于采用了新的掠形氣動布局和三維葉片設(shè)計(jì)方法，不論是后掠還是前掠，都達(dá)到了效率指標(biāo)，只是前掠動葉風(fēng)扇的穩(wěn)定裕度更高。雖然單級壓比2.0以上的掠形風(fēng)扇試驗(yàn)都一次成功，達(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)方法得到初步驗(yàn)證，但是隨后在兩級風(fēng)扇研究中卻異常艱難，即使是反復(fù)修改設(shè)計(jì)，離預(yù)期指標(biāo)依然差距很大。為了突破高負(fù)荷流動級間匹配的技術(shù)瓶頸，本文提出全新的復(fù)合掠彎設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用于超跨聲速級間匹配設(shè)計(jì)與分析，建立全新的角度調(diào)節(jié)規(guī)律，全面實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷兩級風(fēng)扇預(yù)期目標(biāo)。

1.1 復(fù)合掠形氣動布局

無論是ATS-2，還是J285，都屬于偏后掠掠形，雖然穩(wěn)定裕度略有降低，但是強(qiáng)度振動問題比直葉片小。而對于前掠，為回避強(qiáng)度振動問題，僅開展三維數(shù)值分析。后掠作為單級高負(fù)荷風(fēng)扇選型，穩(wěn)定裕度尚可，但在高負(fù)荷條件下，超跨聲速級間匹配本身難度就已經(jīng)很大，如果在前后兩級上都采用后掠掠形，即使在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，前后級流動匹配的范圍將顯著變窄，非設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，匹配性進(jìn)一步惡化，綜合性能將不如直葉片風(fēng)扇。因此，在復(fù)合掠形還未被完全理解前，動葉大前掠具有高效率和寬穩(wěn)定裕度特性，是高負(fù)荷多級風(fēng)扇設(shè)計(jì)唯一選擇。

對于大前掠易引起葉尖振動等結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問題，建議采用復(fù)合材料箍環(huán)動葉［34］（見圖3）。其基本思路是：在風(fēng)扇動葉葉尖處，套入1 個復(fù)合材料箍環(huán)，將大前掠動葉緊緊箍住，在工作過程中，動葉葉尖部分被有效地固定，不會由于受大的氣動力而產(chǎn)生振動，不僅大前掠引起的振動問題可以有效解決，而且抗鳥撞等外部打擊能力也大大增強(qiáng)。

圖3 復(fù)合材料箍環(huán)動葉概念Fig.3 Concept of composite hoop rotor blades

在這種超前思路的指引下，中國燃?xì)鉁u輪研究院率先開展了大前掠帶箍高性能雙級風(fēng)扇研究（見圖4）。圖4 中R 表示動葉，S 表示靜葉，1 表示第1 級，2 表示第2 級。采用復(fù)合材料箍環(huán)設(shè)計(jì)最初目的，主要是解決動葉的結(jié)構(gòu)振動問題，但在研制過程中發(fā)現(xiàn)，還有減重方面的優(yōu)勢：碳纖維復(fù)合材料彈性模量大，可承受的拉力是鋼的數(shù)倍，高速旋轉(zhuǎn)下葉片和盤的離心力都可以加載到復(fù)合材料箍環(huán)上，動葉葉根和葉片盤只需要承受很低的拉伸應(yīng)力，因此可以減?。惶祭w維復(fù)合材料的比重很低，制造的箍環(huán)雖然沿外徑纏繞整圈，但是也很輕。這2 個方面的貢獻(xiàn)加起來，整個動葉重量比常規(guī)設(shè)計(jì)還要輕40%～50%。

圖4 大前掠帶箍高性能雙級風(fēng)扇方案與箍環(huán)動葉示意Fig.4 Scheme of high performance dual stage fan with large forward sweep and hoops and schematic diagram of hooped moving blades

但是，箍環(huán)使得風(fēng)扇動葉在葉尖結(jié)構(gòu)上發(fā)生了大的改變，葉尖的超聲速流動的邊界條件隨之也發(fā)生了根本變化。在沒有箍環(huán)的情況下，葉尖超聲速流動與機(jī)匣壁面存在很高的周向速度分量，葉尖泄漏流動與激波的干擾是主要流動現(xiàn)象；而有了箍環(huán)后，不存在葉尖間隙泄漏流動，葉尖超聲速流動與機(jī)匣壁面間也沒有高速相對運(yùn)動，只有葉尖激波與箍環(huán)內(nèi)壁面附面層相互干擾的流動，由于葉尖部分激波三維構(gòu)型發(fā)生變化，影響了效率和穩(wěn)定裕度。

此外，箍環(huán)外壁面與機(jī)匣之間由于相對運(yùn)動的存在，需要留有一定的間隙，會采用篦齒等密封手段將間隙控制在小尺寸范圍內(nèi)［35］（見圖5），防止大量氣流返流到動葉葉尖前端，進(jìn)而影響動葉性能；但復(fù)合材料箍環(huán)結(jié)構(gòu)，會隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速升高、工作時間變長而產(chǎn)生高溫升、高泄漏的問題。機(jī)匣和復(fù)合材料箍環(huán)外表面的高速相對運(yùn)動，使得夾在小間隙空間內(nèi)的氣流快速升溫，過高的溫度將超過復(fù)合材料的耐溫極限，進(jìn)而影響試驗(yàn)件安全；此外，高溫會引起機(jī)匣大幅度向外膨脹，而動葉葉尖受到箍環(huán)限制不能伸長，因而間隙變大，葉尖返流泄漏量增大，對動葉進(jìn)口葉尖的超聲速流動不利，帶來通道堵塞，性能大幅降低（見圖6）。

圖5 葉尖箍環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural diagram of blade tip hoop

圖6 箍環(huán)機(jī)匣容腔流場Fig.6 Flow field in casing cavity of hoop casing

通過不斷實(shí)踐，研究人員逐漸認(rèn)識到復(fù)合掠彎構(gòu)型在性能和結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢：葉片沿徑向方向采用適當(dāng)前掠、后掠組合，可以有效降低來流法向馬赫數(shù)，改善通道內(nèi)超聲速流動的激波強(qiáng)度，控制三維激波位置和各類流動損失，在一定程度上達(dá)到純前掠、后掠的效果；同時，通過組合掠形的方式也能夠兼顧結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

基于此，保持與帶箍風(fēng)扇同樣的性能指標(biāo)要求，將設(shè)計(jì)方法由原來的大前掠變?yōu)閺?fù)合掠彎，并完成了子午氣動布局設(shè)計(jì)（見圖7），與原構(gòu)型（見圖4（a））進(jìn)行對比，可以看出子午面上復(fù)合掠形顯著特點(diǎn)：動葉前緣采用了根部前掠、中部后掠、尖部再前掠的方式；靜葉前緣則采用大前掠方式。而進(jìn)口導(dǎo)葉（Inlet Guide Vane，IGV）是另一個顯著區(qū)別。原帶箍風(fēng)扇不設(shè)進(jìn)口導(dǎo)葉，主要原因?yàn)椋孩僖浞烛?yàn)證大前掠氣動布局的技術(shù)優(yōu)勢，如高進(jìn)口馬赫數(shù)下，能否保持高效率和高穩(wěn)定裕度，是否有很強(qiáng)的抗流場畸變能力等，如果帶有進(jìn)口導(dǎo)葉，進(jìn)口條件差異很大，會影響分析；②如果去掉進(jìn)口導(dǎo)葉后，性能依然能夠滿足需求，就能夠起到減重和縮短軸向長度的作用。但隨著風(fēng)扇負(fù)荷水平的不斷提高，以及多工況綜合性能提升的要求，缺少了進(jìn)口導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)手段，在一些低轉(zhuǎn)速工況，性能難以達(dá)到要求，而新構(gòu)型采用IGV 設(shè)計(jì)能夠提升綜合性能、更適合工程應(yīng)用。

圖7 復(fù)合掠彎子午氣動布局Fig.7 Composite swept meridian aerodynamic layout

雖然原大前掠帶箍風(fēng)扇采用第1 級靜葉可變彎度、第2 級靜葉整體可調(diào)的兩級調(diào)節(jié)方式，但是由于首調(diào)位置都設(shè)置在第1 級動葉后面，從試驗(yàn)結(jié)果上看，調(diào)節(jié)幅度十分有限，難以滿足兩級風(fēng)扇全工況性能要求。在高負(fù)荷條件下，利用IGV作為調(diào)節(jié)手段，不僅使設(shè)計(jì)點(diǎn)性能達(dá)到最佳，非設(shè)計(jì)工況的性能也能夠得到很大的改善，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)也更加簡單。通過IGV 調(diào)節(jié)，動葉和靜葉的負(fù)荷更加均衡，流道可以采用類等中徑設(shè)計(jì)，子午弦長也可以適當(dāng)減短，最終的長度和重量與大前掠帶箍原方案相當(dāng)。

1.2 掠彎葉片造型

三維葉片設(shè)計(jì)對于高負(fù)荷風(fēng)扇/壓氣機(jī)性能至關(guān)重要。隨著風(fēng)扇/壓氣機(jī)的負(fù)荷水平不斷提高，高進(jìn)口馬赫數(shù)和大逆壓梯度帶來的各類流動損失不斷升高，基元葉型采用直線積疊不能滿足性能要求。研究發(fā)現(xiàn)，無論動葉還是靜葉，通過積疊線的適當(dāng)調(diào)整，呈現(xiàn)掠、彎特征，就能夠?qū)Ω哓?fù)荷條件下的各類流動損失進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)高效率。于是，三維葉片就朝著掠彎方向快速發(fā)展。

葉片三維掠形一般從子午平面和周向法平面2 個方向描述，由于子午面氣動布局的重要性，通常都首先控制子午面上（見圖8）的前掠和后掠［36］，而對性能起決定作用的還是三維掠形。

圖8 Yamaguchi 掠形［36］Fig.8 Yamaguchi swept shape［36］

積疊線掠、彎調(diào)節(jié)是掠彎葉片設(shè)計(jì)主要部分，基元葉型積疊成形方法作為造型設(shè)計(jì)支撐，直接影響掠、彎實(shí)施效果，也十分重要?；~型造型通常采用中線加厚度分布的方式，在帶箍兩級風(fēng)扇設(shè)計(jì)中，采用的是任意中線設(shè)計(jì)方法［37-38］，效果良好，但仍然還有提升空間，因?yàn)樵诟哓?fù)荷小輪轂比風(fēng)扇動葉中，面臨著直接難題：在動葉根部，進(jìn)口馬赫數(shù)較低，處于亞聲速狀態(tài)，為了滿足動葉出口總壓均勻的設(shè)計(jì)要求，根部葉型需要實(shí)現(xiàn)很大的氣流折轉(zhuǎn)角度，為了減小整個葉型的彎角，降低損失，提升根部葉型效率，葉型設(shè)計(jì)選取前加載方式（見圖9（a））；而動葉尖部，剛好相反，進(jìn)口馬赫數(shù)很高，需要選用后加載的方式。前加載方式需要在葉型前40%左右弦長內(nèi)，完成70%左右的角度折轉(zhuǎn)，而后加載方式則需要在后40%左右弦長內(nèi)，完成70%左右的角度折轉(zhuǎn)，原有的造型程序控制點(diǎn)間距固定，難以實(shí)現(xiàn)中線高曲率變化的精準(zhǔn)控制，采用加密的方式，控制點(diǎn)太多，曲率調(diào)整起來費(fèi)時費(fèi)力，基元葉片的設(shè)計(jì)效率低。

圖9 前加載葉型及局部加密的NUBS 葉型設(shè)計(jì)方法Fig.9 NUBS blade design method based on pre-loaded blade profiles and local refinement

為此，發(fā)展了非均勻B 樣條（NUBS）的葉型中線設(shè)計(jì)方法［39］（見圖9（b）），沿葉片弦長方向按需設(shè)置控制點(diǎn)，對于中線控制更加靈活。當(dāng)需要曲率變化大時，在局部小范圍內(nèi)增設(shè)控制點(diǎn)，就可以滿足中線曲率變化的精準(zhǔn)控制要求。

從根部到尖部，基元葉型的截面數(shù)需要根據(jù)需要來設(shè)置。初始方案設(shè)計(jì)時，可以取尖、中、根附近3 個截面，以及在尖部和中部之間、中部與根部之間分別再各增加1 個截面，一共5 個截面，基本上可以滿足要求；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，一些局部位置出現(xiàn)了不易控制的分離流動，就需要增加基元葉型設(shè)計(jì)截面，優(yōu)化控制局部流動。

葉型的積疊成形方法會影響三維葉片性能。已有方法采用的是在切平面上設(shè)計(jì)基元葉型，然后積疊成形的方式；對應(yīng)于高負(fù)荷的動葉根部，進(jìn)口和出口不僅軸向距離長，高度差大，而且中間的曲率變化復(fù)雜（見圖10），此時，流面與切平面的差異很大，不再適合采用切平面造型和積疊的方式。新掠、彎葉片設(shè)計(jì)方法采用了回轉(zhuǎn)面上積疊成形方法，更貼近實(shí)際的流面流動，獲得的三維葉片效率更高。

圖10 葉片輪轂型線對比Fig.10 Comparison of blade hub profiles

1.3 超跨聲速級間流動匹配

高負(fù)荷兩級風(fēng)扇超聲速條件下，級間流動匹配困難的原因：當(dāng)級壓比>2.0 時，雖然控制第2級動葉進(jìn)口氣流速度為軸向亞聲速，但其相對馬赫數(shù)除了接近根部少量區(qū)域?yàn)?.9 左右的高亞聲速流動外，其余都是1.0 以上超聲速氣流，來流攻角可適應(yīng)的變化范圍顯著變窄；非設(shè)計(jì)工況下，進(jìn)口級和出口級性能下降，沒有中間級作為過渡緩解，難以實(shí)現(xiàn)有效匹配。

后掠和大前掠雖然有性能優(yōu)勢，但也存在以前沒有認(rèn)識到的新問題：如進(jìn)口級后掠構(gòu)型風(fēng)扇穩(wěn)定工作范圍窄，不能支撐與后面級的良好匹配；大前掠箍環(huán)間隙漏氣，嚴(yán)重影響前掠動葉尖部的超聲速流動（見圖6），進(jìn)而影響到與后面級的匹配。在第1 輪設(shè)計(jì)中忽略了這些小問題，沒有采取有效地控制措施，造成性能受到嚴(yán)重影響。

弄清根本原因后，從加強(qiáng)流動控制角度入手，采用層層深入的方式，從增強(qiáng)承載能力，精準(zhǔn)控制匹配和發(fā)展優(yōu)化規(guī)律3 個方面開展技術(shù)攻關(guān)。將新發(fā)展的復(fù)合掠彎方法應(yīng)用在兩級風(fēng)扇氣動方案中，有效地拓寬了單排葉片的承載能力，提高了穩(wěn)定工作范圍，與強(qiáng)度、振動設(shè)計(jì)要求進(jìn)行反復(fù)迭代，最終得到性能結(jié)構(gòu)最優(yōu)方案。

充分利用全三維流動分析工具和大規(guī)模并行計(jì)算的硬件能力，采用多軟件平臺求解（numeca、fluent、cfx 和國內(nèi)自主發(fā)展的map）、定常/非定常計(jì)算對比分析等方式，通過海量數(shù)據(jù)支撐，降低數(shù)值軟件中轉(zhuǎn)靜交界面處理方式的影響，著重分析單級動、靜葉片排，以及前后級間流動匹配特性。根據(jù)計(jì)算得到的前、后級共同工作環(huán)境下穩(wěn)定工作范圍，調(diào)整復(fù)合掠彎設(shè)計(jì)參數(shù)，拓寬單級穩(wěn)定匹配范圍，鎖定前后級的匹配點(diǎn)，達(dá)到匹配性能提升要求。

進(jìn)口IGV 和一級靜葉組合角度的調(diào)節(jié)規(guī)律十分重要。已有的角度調(diào)節(jié)規(guī)律在高負(fù)荷的條件下，已不再適用。應(yīng)用一維、二維正問題特性和全三維流場仿真軟件，結(jié)合優(yōu)化方法，通過全工況性能計(jì)算，建立新的復(fù)合掠彎靜葉角度控制調(diào)節(jié)規(guī)律。從性能分析結(jié)果看，增加靜葉作為調(diào)節(jié)手段，在高負(fù)荷超聲速流動匹配中發(fā)揮了重要作用：在設(shè)計(jì)工況下，采用高反力度的方式，動葉承擔(dān)較重的擴(kuò)壓任務(wù)，提升了級負(fù)荷能力；非設(shè)計(jì)工況下，靜葉調(diào)節(jié)可以有效實(shí)現(xiàn)負(fù)荷在前后兩級中的再分配，使前后級各排葉片都能繼續(xù)穩(wěn)定工作，達(dá)到多工況性能最優(yōu)的狀態(tài)（見圖11）。

圖11 兩級風(fēng)扇匹配設(shè)計(jì)Fig.11 Matching design of two stage fans

1.4 性能優(yōu)化調(diào)節(jié)

試驗(yàn)前，優(yōu)化調(diào)節(jié)規(guī)律基于風(fēng)扇的性能分析模型，有一維、二維，還有全三維，由于數(shù)值分析模型與實(shí)際情況存在偏差，試驗(yàn)的修正就尤為重要。首先，利用已有的理論模型進(jìn)行性能估算，給出初步優(yōu)化調(diào)節(jié)規(guī)律，按照初步規(guī)律得到試驗(yàn)結(jié)果后，對模型進(jìn)行修正，提高其預(yù)估精度；然后，利用優(yōu)化方法結(jié)合試驗(yàn)修正的模型，得到新的優(yōu)化調(diào)節(jié)規(guī)律，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，最終獲得復(fù)合掠彎的優(yōu)化調(diào)節(jié)規(guī)律。

靜葉調(diào)節(jié)有效保障低轉(zhuǎn)速磨合運(yùn)轉(zhuǎn)安全。高負(fù)荷風(fēng)扇設(shè)計(jì)點(diǎn)通常選取在高壓比、高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)點(diǎn)，在低轉(zhuǎn)速下，風(fēng)扇通道存在明顯的流動不適應(yīng)情況。在首次試驗(yàn)件磨合運(yùn)轉(zhuǎn)階段，轉(zhuǎn)速不能過高，并且轉(zhuǎn)速的變化也不能過快，否則就會造成轉(zhuǎn)動件與靜止件的碰磨。而高負(fù)荷風(fēng)扇在低轉(zhuǎn)速時，特別容易出現(xiàn)失速流動，引起葉片失速顫振，通過靜葉角度調(diào)節(jié)，能夠有效地改善低速下的失速流動，降低葉片振動，保證試驗(yàn)件能夠安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

相對換算轉(zhuǎn)速1.0 下，機(jī)匣壁面沿程靜壓分布隨背壓的變化規(guī)律（相對總壓比1.00、1.05、1.12、1.13、1.16），如圖12 表明：設(shè)計(jì)點(diǎn)具有良好的流動狀態(tài)，進(jìn)口IGV 為平衡兩級的負(fù)荷，提供了必要的氣流預(yù)旋，呈現(xiàn)靜壓升降低的加速流動過程，設(shè)計(jì)壓比及以上狀態(tài)點(diǎn)，各排葉片靜壓升都是提高的；進(jìn)口級和出口級內(nèi)都體現(xiàn)了高反力度的設(shè)計(jì)思想，在動葉中的靜壓升明顯高于靜葉；非設(shè)計(jì)點(diǎn)，隨著背壓不斷升高，各排葉片中的靜壓升也相應(yīng)升高，變化趨勢保持不變，表明高負(fù)荷兩級風(fēng)扇超、跨聲速級間流動匹配良好，未出現(xiàn)影響增壓的短板和缺陷。

圖12 試驗(yàn)機(jī)匣壁面靜壓沿流程分布（上：1.0，下：0.9）Fig.12 Distribution of static pressure on wall of test casing along process（up：1.0，down：0.9）

相對換算轉(zhuǎn)速0.9 下，機(jī)匣壁面沿程靜壓分布隨背壓的變化規(guī)律（對應(yīng)堵點(diǎn)、最高效率點(diǎn)和喘點(diǎn)，相對總壓比0.72、0.84、0.87），如圖12：在背壓較低，高負(fù)荷風(fēng)扇進(jìn)入堵塞狀態(tài)時，最后1 級靜葉呈現(xiàn)靜壓升降低的渦輪堵塞狀態(tài)，此時的最后1 排葉片損失大，整個風(fēng)扇效率降低顯著。隨著背壓逐漸升高，最后1 排葉片也恢復(fù)到正常的增壓狀態(tài)，葉片通道內(nèi)的靜壓升提高。在導(dǎo)葉和靜葉角度優(yōu)化調(diào)節(jié)下，兩級風(fēng)扇級間依然保持良好匹配，靜壓升的變化趨勢保持一致，沒有出現(xiàn)增壓失效的葉片排。

2 葉片串列

當(dāng)負(fù)荷需要進(jìn)一步提升時，復(fù)合掠彎與葉片串列技術(shù)結(jié)合，是一項(xiàng)重要途徑。串列葉片的研究是從基元串列葉柵開始的［40-42］，串列葉柵采用2 排單獨(dú)的葉柵來完成氣流偏轉(zhuǎn)（見圖13），當(dāng)上游葉柵附面層還未發(fā)展成分離流時，就在下游葉柵的葉型表面形成1 個新的附面層，可以起到阻止或推遲流動分離，從而提高葉柵負(fù)荷能力的作用。研究表明［43-45］，串列葉片壓氣機(jī)動葉可以實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)荷能力，負(fù)荷系數(shù)可達(dá)0.5 以上（以葉尖計(jì)，下同），非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能優(yōu)于常規(guī)壓氣機(jī)［46］。

圖13 串列葉片示意圖Fig.13 Schematic diagram of tandem blades

圍繞高負(fù)荷設(shè)計(jì)需求［37，47］，提出了新型串列軸流、雙排串列斜流風(fēng)扇氣動布局，大幅度提升了動葉增壓能力，使單級斜流風(fēng)扇壓比達(dá)到4.5，氣動負(fù)荷遠(yuǎn)超常規(guī)。通過數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，超聲速雙排串列動葉片前段減速增壓、后段折轉(zhuǎn)的流動特征十分顯著，流場內(nèi)部未出現(xiàn)明顯分離（見圖14）。風(fēng)扇靜葉根部區(qū)域進(jìn)口馬赫數(shù)高，為了降低損失，對第1 級靜葉中的負(fù)荷進(jìn)行了控制，靜壓升（即ΔP）并沒有大幅提升，而在第2 級靜葉中才完成了全部的增壓任務(wù)（見圖15）。

圖14 雙排串列動葉近尖部流場Fig.14 Flow field near tip of double-row tandem rotor

圖15 串列靜葉負(fù)荷分配Fig.15 Load distribution of tandem stationary blades

在串列原理數(shù)值驗(yàn)證基礎(chǔ)上，開展了負(fù)荷系數(shù)0.63 的單級串列軸流風(fēng)扇原理件的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。方案設(shè)計(jì)時，首先設(shè)置導(dǎo)葉調(diào)整進(jìn)口氣流預(yù)旋，優(yōu)化動、靜葉負(fù)荷分配，使馬赫數(shù)和氣流折轉(zhuǎn)角處于可設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；其次，研究串列葉片前后排不同相對位置對性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)后排葉片靠近前排葉片壓力面?zhèn)葧r，前排葉片壓力面和后排葉片吸力面所形成的通道射流對后排葉片流動的改善作用可以充分發(fā)揮，負(fù)荷能力明顯提升。

機(jī)匣壁面沿程試驗(yàn)靜壓變化規(guī)律（見圖16）表明：設(shè)計(jì)點(diǎn)的流動狀態(tài)良好，各排葉片靜壓升均勻提高，與動靜葉負(fù)荷分配平衡的設(shè)計(jì)初衷一致；在近喘點(diǎn)，動葉第2 排葉片靜壓提升能力不強(qiáng)，可能是失穩(wěn)短板。

圖16 單級風(fēng)扇試驗(yàn)機(jī)匣沿程相對靜壓分布Fig.16 Distribution of relative static pressure along single stage fan test case

通過三維仿真結(jié)果與試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，采用“單通道+周期邊界”的處理方式，受轉(zhuǎn)靜交界面處理方式影響，三維模擬的進(jìn)口流量與試驗(yàn)結(jié)果存在4%～5%的誤差，而采用全環(huán)計(jì)算能夠避免這類問題，誤差可以降低到1%～2%，精度更高。

3 動葉自循環(huán)吸附

文獻(xiàn)［48］提出了新型自循環(huán)吸附式系統(tǒng)，具有葉表吸氣孔、內(nèi)部氣流流路、葉頂噴氣孔等典型結(jié)構(gòu)特征（如圖17 所示），葉表附面層抽吸［49］及葉頂噴氣［50］的自循環(huán)流動主動控制技術(shù)能有效地控制風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉表附面層分離，擴(kuò)大其穩(wěn)定工作范圍，與復(fù)合掠彎技術(shù)結(jié)合，是提高負(fù)荷的另一種途徑［51-53］。

圖17 自適應(yīng)吸附系統(tǒng)流路結(jié)構(gòu)概念圖Fig.17 Conceptual diagram of flow path structure of adaptive adsorption system

文獻(xiàn)［48］完成了跨聲速動葉自適應(yīng)流路的設(shè)計(jì)（見圖18），并研究了數(shù)值模擬方法。由于自循環(huán)流路的流量較小，數(shù)值模擬網(wǎng)格生成中應(yīng)盡量提高不同區(qū)塊之間網(wǎng)格點(diǎn)的匹配性，從而減小計(jì)算中不同面之間的插值，提高計(jì)算準(zhǔn)確性；葉片表面、吸附槽和空腔使用完全匹配的網(wǎng)格連接，空腔與噴氣孔以及噴氣孔與葉片頂部通過非匹配的邊界連接。

圖18 循環(huán)流路結(jié)構(gòu)示意Fig.18 Schematic diagram of circulating flow path structure

數(shù)值模擬結(jié)果表明，自循環(huán)吸附后設(shè)計(jì)點(diǎn)激波的強(qiáng)度較未吸附有所降低，激波位置略向前移動。自循環(huán)吸附后，不同工況動葉激波位置變化較小；動葉間隙中葉頂噴氣孔附近的速度明顯降低，氣流經(jīng)過噴氣孔上方時軸向的動量有所減小，且越靠近失速工況，效果越明顯。采用自適應(yīng)吸附后，高負(fù)荷風(fēng)扇的穩(wěn)定裕度得到有效改善（見圖19）。

圖19 高負(fù)荷自適應(yīng)吸附式風(fēng)扇特性（設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速）Fig.19 Characteristics of high load adaptive adsorption fan（design speed）

自循環(huán)吸附原理雖然得到了數(shù)值模擬驗(yàn)證，但仍然面臨一些應(yīng)用問題：葉片設(shè)計(jì)中最大厚度位置與激波附面層發(fā)展起始位置難以統(tǒng)一，因此葉表吸附孔的強(qiáng)度問題顯著；葉片內(nèi)部的空腔形狀需要優(yōu)化改進(jìn)，才能將氣流的流動損失降至最低，從而形成有效的葉頂噴氣作用；葉頂噴氣具體采用噴氣孔還是噴氣縫或是其他結(jié)構(gòu)，還要進(jìn)行綜合分析研究。

4 低反力度靜葉吸附

除了動葉采用自循環(huán)吸附外，吸附式靜葉也是提高負(fù)荷的設(shè)計(jì)一種途徑。在常規(guī)壓氣機(jī)氣動設(shè)計(jì)中為使壓氣級效率最高，其反力度通常在0.5 左右。進(jìn)一步提升壓氣機(jī)級負(fù)荷時，動葉、靜葉葉片表面以及角區(qū)附面層分離使得壓氣機(jī)無法穩(wěn)定工作。低反力度氣動設(shè)計(jì)通過減小級反力度，增大動葉出口速度，從而降低了動葉中的逆壓力梯度，避免了負(fù)荷提升導(dǎo)致動葉氣流分離，使得動葉高效流動；此時，靜葉會承擔(dān)更多擴(kuò)壓任務(wù)，為避免靜葉在高負(fù)荷下發(fā)生分離，通過主動/被動流動控制等多種手段來改善靜葉流動，使得級負(fù)荷提升且效率仍然較高。

采用低反力度設(shè)計(jì)，動葉出口氣流的絕對速度與絕對氣流角都會增加（見圖20［54］，圖中C為絕對氣流速度，W為相對氣流速度，U為葉柵轉(zhuǎn)動的圓周速度，ΔCU為絕對速度在周向的變化量，代表了氣動負(fù)荷），可以增大的程度與損失控制能力密切相關(guān)，目前動葉出口全葉高氣流絕對馬赫數(shù)>1.0，但軸向氣流馬赫數(shù)控制<1.0（即軸向亞聲速）被認(rèn)為是可以接受的，即使這樣也是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中不曾遇到的；靜葉的彎角將顯著增加，甚至達(dá)到60°以上［54］，已經(jīng)超出了現(xiàn)有的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，挑戰(zhàn)前所未有。以下2 個方向可以作為解決上述問題的突破口。

圖20 常規(guī)設(shè)計(jì)和低反力度設(shè)計(jì)速度三角形對比［54］Fig.20 Comparison of speed triangles between conven tional design and low reaction design［54］

4.1 低反力度壓氣機(jī)氣動布局

降低反力度有助于減小動葉設(shè)計(jì)難度，但只是把難度轉(zhuǎn)移到靜葉設(shè)計(jì)上。所以低反力度設(shè)計(jì)不是一味越低越好，反力度的取值取決于動葉期望性能以及當(dāng)前設(shè)計(jì)手段下靜葉所能承受的最大載荷。存在反力度的較優(yōu)值，即能夠?qū)崿F(xiàn)高負(fù)荷高效率的低反力度設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)過程中需要對動葉、靜葉負(fù)荷的分配進(jìn)行迭代尋優(yōu)，尋找最佳的反力度。

利用動葉進(jìn)口的預(yù)旋以及軸向速度改變，可對動葉出口絕對馬赫數(shù)與絕對氣流角進(jìn)行調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)需綜合考慮動葉效率、靜葉入口參數(shù)需求，以及級負(fù)荷大小。通常將調(diào)節(jié)動葉預(yù)旋作為降低反力度的輔助手段，主要是通過動葉軸向速度的增加來降低反力度。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(jī)流道具有較強(qiáng)的連續(xù)收縮性。同時，為了降低動葉尖部負(fù)荷，機(jī)匣流道半徑采用沿流向逐漸降低的設(shè)計(jì)，綜合下來，低反力度壓氣機(jī)流道呈輪轂和機(jī)匣流道迅速向中徑收斂的形式（見圖21），這與傳統(tǒng)等外徑高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)（見圖22［55］）顯著不同。小展弦比是低反力度氣動布局的另一個典型特征。因?yàn)闊o論是動葉還是靜葉，氣流折轉(zhuǎn)角都顯著增大，采用小展弦比設(shè)計(jì)，增加葉柵通道的有效長度，減小葉柵通道中折轉(zhuǎn)角變化的梯度，盡可能減少、延緩、消除氣流的分離，是提高葉片承載能力的有效途徑。

圖21 低反力度單級壓氣機(jī)子午布局Fig.21 Meridian layout of low reaction force single stage compressor

圖22 傳統(tǒng)高負(fù)荷壓氣機(jī)子午布局（第1級壓比2.372）［55］Fig.22 Meridian layout of traditional high load compressor（1st stage pressure ratio 2.372）［55］

4.2 全超聲速吸附靜葉

低反力度壓氣機(jī)設(shè)計(jì)將承載能力的矛盾轉(zhuǎn)移到靜葉上［56-60］，導(dǎo)致靜葉進(jìn)口的馬赫數(shù)和彎角都顯著增大，靜葉通道中強(qiáng)激波附面層干涉下的葉表分離和端壁角區(qū)分離無法避免，文獻(xiàn)［54，61］通過靜葉表面和端壁的吸附，改善了靜葉的承載能力。

在工程實(shí)踐中，靜葉本身的強(qiáng)度和振動問題是種考驗(yàn)，如果在葉片表面開孔吸附，對葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)；另外，為了降低葉型損失，全超聲速靜葉的相對厚度要顯著低于亞聲速葉片，要在葉片中設(shè)計(jì)空心結(jié)構(gòu)，將吸附的氣流引走，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)難度更為增加。經(jīng)過探索，一種工程適用性較強(qiáng)的靜葉設(shè)計(jì)方案是：葉片采用小展弦比設(shè)計(jì)，增加葉柵通道的有效長度，作為提升靜葉負(fù)荷的一項(xiàng)有效手段［62］；通過靜葉弓形設(shè)計(jì)，將靜葉主流區(qū)域的負(fù)荷向上下端壁遷移，并在靜葉上下端壁位置進(jìn)行吸附，改善端壁流動（見圖23）。

圖23 低反力度單級壓氣機(jī)試驗(yàn)特性Fig.23 Test characteristics of low reaction force single stage compressor

5 流量可變

Flade 葉片通過進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)第三外涵流量，改變發(fā)動機(jī)涵道比；而葉片柔性變形可以實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)流量和壓比變化，進(jìn)一步增大涵道比和總增壓比調(diào)節(jié)范圍，同時保持較高的效率，是低耗油率發(fā)動機(jī)重要的發(fā)展方向。

Flade（Fan on blade）風(fēng)扇又稱為葉尖風(fēng)扇（如圖24 所示），其外涵葉片稱為Flade，內(nèi)涵在外形上類似于常規(guī)風(fēng)扇，F(xiàn)lade 通過箍環(huán)連接在內(nèi)涵動葉上。

圖24 Flade 風(fēng)扇示意圖Fig.24 Schematic diagram of blade fan

與常規(guī)風(fēng)扇動葉與流道外壁面間存在間隙和相對運(yùn)動不同，F(xiàn)lade 風(fēng)扇的內(nèi)涵動葉與外壁面間無間隙，即內(nèi)涵風(fēng)扇的流道外壁面與動葉同速轉(zhuǎn)動，當(dāng)進(jìn)口馬赫數(shù)提高，動葉葉尖通道內(nèi)流動達(dá)到超聲速時，流場中存在的激波/附面層相互作用遠(yuǎn)強(qiáng)于常規(guī)風(fēng)扇，更易誘發(fā)流動分離，對風(fēng)扇性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

對某高負(fù)荷兩級風(fēng)扇帶箍后的性能開展了數(shù)值仿真，結(jié)果表明最高工作壓比下降7.9%，最高效率下降1.9%，穩(wěn)定工作裕度下降12%，遠(yuǎn)低于原構(gòu)型設(shè)計(jì)性能（見圖25）。

圖25 風(fēng)扇帶箍與不帶箍特性的對比Fig.25 Comparison of characteristics between fans with and without clamps

為改善動葉帶箍后的性能，提出2 項(xiàng)改進(jìn)方向（見圖26）：①對帶箍動葉積疊線進(jìn)行正向彎曲優(yōu)化調(diào)整；②對帶箍動葉的葉尖型線進(jìn)行局部曲率優(yōu)化，以適應(yīng)葉片周向積疊線的調(diào)整，改善通道的局部通流能力。改進(jìn)后，同樣流量下增壓比顯著增加，效率基本恢復(fù)到帶箍前的工作狀態(tài)，穩(wěn)定工作裕度提高5.3%（見圖27）。

圖26 帶箍動葉周向彎曲優(yōu)化調(diào)整Fig.26 Optimization and adjustment of circumferential bending of hooped moving blades

圖27 改進(jìn)后的風(fēng)扇性能對比Fig.27 Comparison of improved fan performance

Flade 葉片由于半徑高，進(jìn)口處于全超聲速狀態(tài)，效率偏低，復(fù)合掠彎的效率提高作用還要繼續(xù)開展驗(yàn)證；Flade 葉片內(nèi)、外涵之間的泄漏流與帶箍風(fēng)扇的機(jī)匣泄漏流極其相似（見圖28），是否會對內(nèi)涵動葉尖部流場產(chǎn)生影響需要進(jìn)一步研究。

圖28 帶箍風(fēng)扇葉尖泄漏Fig.28 Leakage at blade tip of hooped fan

柔性葉片指的是葉型能夠隨流動狀態(tài)變化而變化的葉片，是另一種改變流量的增壓技術(shù)有效途徑，因?yàn)槿嵝钥勺?，就帶來了性能改善的多種可能，與可變形智能材料相結(jié)合，就能向可實(shí)現(xiàn)性方向上邁進(jìn)。

柔性讓壓氣機(jī)葉型能夠適應(yīng)氣流角的變化，使得葉型工作在最佳攻角，同時控制強(qiáng)逆壓分離流、激波結(jié)構(gòu)及激波與附面層干擾等流動，減小流場損失，從而實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)工作過程中保持在高效率，呈現(xiàn)中間平緩的特性曲線，穩(wěn)定裕度也得到進(jìn)一步提升。

采用調(diào)整通流設(shè)計(jì)參數(shù)、落后角以及攻角的方式進(jìn)行柔性葉片設(shè)計(jì)是一種有效的方法（見圖29），但離預(yù)期的高性能的設(shè)計(jì)目標(biāo)還有差距。后續(xù)基于葉片控制流動原理，同時考慮智能材料的變形特性，反復(fù)迭代，能夠得到性能最優(yōu)的葉片。

圖29 柔性概念葉片F(xiàn)ig.29 Flexible concept blades

6 結(jié)論

小展弦比掠彎、串列、吸附等高負(fù)荷設(shè)計(jì)技術(shù)，由于概念新、技術(shù)指標(biāo)超前，自從提出就是世界各國的研究熱點(diǎn)。直到今天，雖然很多機(jī)理仍然不完全清楚，但其研究熱度不減，而且向著更加深入的方向發(fā)展，其中根本的原因是更加迫切的應(yīng)用需求。新設(shè)計(jì)方法能夠解決舊問題，新需求又會帶來大量新問題，變循環(huán)、智能、柔性等新概念應(yīng)對新需求的態(tài)勢已經(jīng)顯現(xiàn)，新方法正在加速發(fā)展。

1）小展弦比復(fù)合掠彎是實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷軸流增壓的一種有效方法。與后掠和大前掠的構(gòu)型相比，其兼具了性能與結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)方法靈活，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡單，在目前很多方案中得到了應(yīng)用。復(fù)合掠彎不是葉片子午面前、后緣線簡單的前掠或者后掠，而是帶來性能以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升的葉片三維掠彎?？烧{(diào)靜葉是實(shí)現(xiàn)超跨聲速級間匹配的一個重要手段，優(yōu)化的角度控制規(guī)律是滿足全工況性能的關(guān)鍵。

2）串列葉片也是一種有效提高負(fù)荷的設(shè)計(jì)方法。與復(fù)合掠彎方法相結(jié)合，可使負(fù)荷能力大幅提高。在應(yīng)對高馬赫數(shù)進(jìn)口條件時，第1 排葉片彎曲度較小，通過幾道激波增壓減速，為第2 排葉片提供亞聲速進(jìn)口，便于實(shí)現(xiàn)高氣流折轉(zhuǎn)。另外，中間斷開通道還能夠提供高的能量，降低附面層流動分離。串列葉片相比于吸附式葉片，結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)性好，負(fù)荷能力遠(yuǎn)高于純掠彎葉片，適合在高負(fù)荷設(shè)計(jì)中采用。

3）與常規(guī)動葉吸附方案相比，動葉自循環(huán)吸附原理有獨(dú)特優(yōu)勢：將吸附的氣體自動從葉片尖部噴出，形成了從動葉吸力面到動葉內(nèi)部，再到葉尖的自適應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)，附面層抽吸后的氣體經(jīng)過動葉補(bǔ)充能量后，再次回到主流道，解決了吸附氣體二次利用難題。雖然理論分析和數(shù)值模擬表明其原理可行，但動葉內(nèi)腔的氣流流路需要與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌考慮內(nèi)流路損失和空心葉片結(jié)構(gòu)完整性。

4）從結(jié)構(gòu)可靠性角度出發(fā)，靜葉吸附可實(shí)現(xiàn)性更佳。成功構(gòu)建低反力度氣動布局，動葉實(shí)現(xiàn)氣流大幅增速，總壓比高，效率高，出口氣流速度高；靜葉面臨進(jìn)口馬赫數(shù)超聲速，氣流折轉(zhuǎn)角超過設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的難題。采用彎曲靜葉設(shè)計(jì)，將葉片中部的負(fù)荷遷移到端壁區(qū)域，減小了主流區(qū)域薄靜葉葉身的抽吸需求，提高了工程適用性。如何獲取高負(fù)荷多級條件下控制流動匹配的抽吸規(guī)律需要進(jìn)一步研究。

5）Flade 葉片構(gòu)型可以實(shí)現(xiàn)壓縮系統(tǒng)流量大幅度變化，為增大涵道比、降低發(fā)動機(jī)耗油率提供了有效手段。Flade 葉片由于處于高半徑，切線速度高，進(jìn)口相對馬赫數(shù)處于全超聲速狀態(tài)，提高效率是一個大的挑戰(zhàn)；Flade 葉片構(gòu)型的內(nèi)層葉片與帶箍風(fēng)扇動葉結(jié)構(gòu)類似，存在箍環(huán)泄漏流控制和箍環(huán)內(nèi)壁超聲速流動損失控制問題。柔性葉片是另一種改變壓縮系統(tǒng)流量的技術(shù)手段，因?yàn)槿嵝钥勺?，葉片造型與原有幾何固定的方法有本質(zhì)區(qū)別，需要增加可變形智能材料變形特性、變形規(guī)律約束等新研究內(nèi)容。