劉太秋，聶海剛

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

航改燃氣輪機高低壓壓氣機匹配技術(shù)研究

劉太秋，聶海剛

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

為適應航改燃氣輪機研制需求，對其高低壓壓氣機匹配技術(shù)進行了深入分析和研究。在完成設(shè)計壓比相差大的高低壓壓氣機設(shè)計特點和匹配特點研究基礎(chǔ)上，利用多軟件數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，制定了設(shè)計壓比相差大的高低壓壓氣機匹配的技術(shù)措施，并將技術(shù)措施落實到了全新設(shè)計的5級低壓壓氣機設(shè)計中。5級壓氣機試驗件試驗結(jié)果全面達到或超過了設(shè)計指標要求，同時經(jīng)燃氣發(fā)生器技術(shù)平臺驗證結(jié)果表明：高低壓壓氣機匹配良好，相關(guān)匹配設(shè)計技術(shù)為今后航改燃氣輪機的研制提供了技術(shù)儲備。

航改燃氣輪機；高低壓壓氣機匹配；數(shù)值模擬；設(shè)計技術(shù)；試驗驗證

0 引言

相對全新研制，航改燃氣輪機具有研制風險小、周期短、研制經(jīng)費節(jié)約、技術(shù)較為成熟的優(yōu)點，因而，近年來被廣泛采用，這方面有很多成功的先例。航改燃氣輪機的燃氣發(fā)生器相當于1臺渦噴發(fā)動機，其中壓縮系統(tǒng)中的高壓壓氣機一般保持不變，低壓壓氣機采用風扇部件切頂或全新設(shè)計。艦船燃氣輪機性能要求高，特別在低工況時具有較高的熱效率和良好的操作性，而通過風扇切頂設(shè)計獲得的低壓壓氣機很難滿足這樣的要求，因此，為了實現(xiàn)艦船航改燃氣輪機的高低壓壓氣機的良好匹配，一般低壓壓氣機必須全新設(shè)計。RR公司的斯貝發(fā)動機改工業(yè)用燃氣輪機時，低壓壓氣機采用了前3級風扇轉(zhuǎn)子切頂?shù)姆椒?，但在改艦船燃氣輪機時，全新設(shè)計了5級低壓壓氣機，這其中主要原因就是為適應艦船燃氣輪機要具有較高的熱效率和良好的操作性的需求。高、低壓壓氣機匹配技術(shù)是航改燃氣輪機設(shè)計必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是高低壓壓氣機設(shè)計壓比相差大的航改燃氣輪機，主要原因為：一方面母型渦扇發(fā)動機自主進行高低壓匹配的特點不能繼承到航改燃氣輪機上，極易造成高低壓之間流量的不匹配；另一方面艦船用燃氣輪機為保證慢車到最大狀態(tài)具有較高的熱效率，不允許采取放氣措施保證燃氣輪機的穩(wěn)定工作，這些因素導致高低壓壓氣機匹配技術(shù)成為航改燃氣輪機必須攻克的難題之一。

本文闡述述了航改燃氣輪機高低壓壓氣機的匹配特點，并提出了相應的解決措施。

1 航改燃氣輪機高低壓壓氣機的匹配特點

高低壓壓氣機之間的匹配，也就是“流路、流量、流場“的匹配，這是確保航改艦船燃氣輪機的穩(wěn)定工作前提條件之一。相反若匹配失調(diào)（壓氣機失速甚至喘振），整機就會進入不穩(wěn)定工作狀態(tài)，所以要解決航改燃氣輪機高低壓氣機匹配問題，首先必須研究高低壓壓氣機的匹配特點[1-3]，為制定高低壓壓氣機匹配技術(shù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1.1 航改燃氣輪機途徑

航改燃氣輪機的途徑主要有：（1）單轉(zhuǎn)子航機改型，如Avon燃氣輪機；（2）雙轉(zhuǎn)子航機改型，如OlympusTM3B/C、LM2500、LM6000和LM5000等燃氣輪機；（3）3轉(zhuǎn)子航機改型，如工業(yè)Trent燃氣輪機。對于后2種航改燃氣輪機就必須解決高、低壓壓氣機匹配的難題。

1.2 航改燃氣輪機設(shè)計原則

燃氣輪機因工作環(huán)境、任務的不同，與航機存在許多差別。航改燃氣輪機成功的關(guān)鍵是在充分考慮并滿足與航機不同的工作環(huán)境和任務的前提下，實現(xiàn)燃氣輪機的高可靠性、耐久性、維修性和性能的最佳折衷，而實現(xiàn)這樣的目標所遵循的原則是繼承性、簡單性、通用性、經(jīng)濟性，同時相對母型航機設(shè)計參數(shù)適當降低，航改燃氣輪機與其原型航機有關(guān)參數(shù)比較見表1，從表中可見其趨勢：一般航改燃氣輪機的燃氣發(fā)生器渦輪進口溫度比原型航機的降低60～100℃左右，總壓比減小。

表1 航改燃氣輪機與其原型航機有關(guān)參數(shù)比較

1.3 高低壓壓氣機壓比分配特點

國內(nèi)外一些燃氣輪機的壓比分配及平均級壓比情況見表2。從雙轉(zhuǎn)子航改燃氣輪機來看，高低壓壓氣機壓比分配主要有2種傾向：（1）高低壓壓氣機壓比相差較大，但從平均級壓比來看，高低壓壓氣機的平均級壓比相差不大，基本上在1.2以下；（2）高低壓壓氣機壓比接近，如LM1600燃氣輪機，但是其高壓壓氣機得平均級壓比卻低于低壓壓氣機的平均級壓比，其好處將在下面分析，本質(zhì)上還是利于高低壓壓氣機的匹配，進而實現(xiàn)整機的平穩(wěn)運行。

表2 部分燃氣輪機的壓比分配

以某型渦扇發(fā)動機為例，計算分析表明：在發(fā)動機降轉(zhuǎn)的過程中，其涵道比隨著風扇換算轉(zhuǎn)速N1R的降低而不斷增大，某型航機涵道比與低壓轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖1所示。從圖中可見，在中低轉(zhuǎn)速時內(nèi)涵的空氣大多被“擠”到外涵。由于涵道比變化，對發(fā)動機內(nèi)、外涵空氣流量進行再分配，解決了內(nèi)涵道高低壓壓氣機間流量匹配的問題。

圖1 某型航機涵道比與低壓轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

相對于航空母型渦扇發(fā)動機，航改艦船燃氣輪機的燃氣發(fā)生器相當于渦噴發(fā)動機，沒有了自主進行高低壓匹配的特點。對于高壓壓氣機，特別是壓比高、負荷較重的高壓壓氣機，中低轉(zhuǎn)速流量下降很快，由于沒有外涵，極易對低壓壓氣機形成節(jié)流，使得低壓壓氣機的共同工作線趨向于喘振邊界，極易造成高低壓壓氣機之間的不匹配，發(fā)生失穩(wěn)。某型燃氣輪機在降轉(zhuǎn)過程中高、低壓壓氣機流量轉(zhuǎn)速比的對比如圖2所示。從圖中可見，隨著轉(zhuǎn)速的降低，高壓壓氣機流量降低的速度要快于低壓壓氣機流量降低的速度，這勢必對低壓壓氣機形成節(jié)流，造成整機的不穩(wěn)定工作。

圖2 某地面燃氣輪機降轉(zhuǎn)過程中高、低壓壓氣機流量轉(zhuǎn)速比的對比

根據(jù)壓氣機特點和發(fā)動機原理可知，對于高壓壓氣機設(shè)計壓比偏高的雙軸渦噴燃氣發(fā)生器來講，將會失去雙軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。其原因主要是由于高壓壓氣機引起的。1臺設(shè)計壓比為2.6的壓氣機特性如圖3所示，1臺設(shè)計壓比為25的壓氣機特性如圖4所示。對比可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計壓比高的壓氣機空氣流量隨轉(zhuǎn)速變化非常劇烈：相對轉(zhuǎn)速降低15%，相對空氣流量變化約50%；而設(shè)計壓比低的壓氣機轉(zhuǎn)速變化45%，相對空氣流量變化約50%。從二者流量隨轉(zhuǎn)速變化對比進一步說明，壓比高、負荷重的壓氣機流量隨轉(zhuǎn)速變化更加劇烈，這無疑更增加了高低壓壓氣機匹配的設(shè)計難度。

圖3 設(shè)計壓比為2.6的壓氣機特性

圖4 設(shè)計壓比為25的壓氣機特性

表2中的LM1600燃氣輪機，高壓壓氣機的壓比和平均級壓比均低于低壓壓氣機的，所以這恰恰降低了高低壓壓氣機的匹配難度。

2 航改燃氣輪機高低壓壓氣機匹配的解決措施

通常情況下，航改燃氣輪機設(shè)計中核心機保持不變，所以，解決航改燃氣輪機高低壓壓氣機匹配問題主要方法是從與其匹配的低壓壓氣機設(shè)計入手，在滿足其設(shè)計要求的前提下，實現(xiàn)本身最佳綜合氣動性能，同時根據(jù)高壓壓氣機特點，針對性地進行與高低壓壓氣機匹配設(shè)計。

實踐證明，級壓比低及負荷輕的壓氣機，具有綜合性能好（特性平緩，喘振裕度較大）的特點，因而，在高壓壓氣機不變，特別是在高低壓壓氣機壓比相差較大的情況下，采用這樣的思路進行與高壓壓氣機匹配的低壓壓氣機設(shè)計，是解決高低壓壓氣機匹配的有效手段之一。表2中多級的單軸燃氣輪機，由于其總壓比高，級數(shù)眾多，平均級壓比選取不高，這也是從降低多級壓氣機級間匹配難度的角度考慮，從而實現(xiàn)整機的良好匹配，獲得滿意的性能。

幾型成功的壓氣機特性曲線[3]如圖5所示，相比MK202HPC高壓壓氣機特性，MK202LPC低壓壓氣機特性在中低轉(zhuǎn)速特性更加平緩，這為高、低壓壓氣機的匹配創(chuàng)造了良好的條件。最令人滿意的是CS73380高壓壓氣機特性，其特性不僅平緩，而且流量隨轉(zhuǎn)速降低變化緩慢，這相當于低壓壓氣機出口節(jié)氣門打開，有效擴大了低壓壓氣機的穩(wěn)定工作裕度，其出色的特性在于其所有靜子葉片全部可以調(diào)節(jié)。

航改燃氣輪機過程中，低壓壓氣機的設(shè)計過程是折衷設(shè)計的過程，為在與高壓壓氣機匹配前提下實現(xiàn)壓氣機最佳綜合氣動性能（高效率區(qū)寬、喘振裕度大），必須采用多種設(shè)計方法。

圖5 幾型成功的壓氣機的特性曲線

2.1 葉片排流通能力的控制技術(shù)

流通能力控制技術(shù)如圖6所示。針對燃氣輪機低壓設(shè)計需求特點，采用轉(zhuǎn)子流通能力逐級加強技術(shù)，好處是緩解了中低轉(zhuǎn)速前喘后堵的矛盾，有利于擴大中低轉(zhuǎn)速低壓壓氣機的喘振裕度。

圖6 葉片排流通能力的控制

2.2 子午速度控制技術(shù)

航機/燃氣輪機通常的子午速度沿軸向分布形式如圖7所示。燃氣輪機設(shè)計通常采用直線1和直線2這2種子午速度軸向分布形式，曲線3和曲線4子午速度軸向分布形式是航機設(shè)計通常所采用的。本方案選擇2這種子午速度軸向分布形式，其好處是可以緩和由于容積流量減小而使得葉高明顯下降和基于核心機不變中介機匣當量擴張角大的矛盾。同時具有較低的出口軸向速度，從而利于中介機匣流路的設(shè)計，為實現(xiàn)高低壓壓氣機的良好匹配創(chuàng)造有利條件。

圖7 航機/燃氣輪機子午速度沿軸向分布形式

2.3 靜子端彎設(shè)計技術(shù)

端彎設(shè)計技術(shù)是將葉片葉根或者葉尖型面稍做“扭”（“扭”一般是葉型前緣稍作彎曲，后緣稍作平直，安裝角變?。┑脑O(shè)計，如圖8所示，這種設(shè)計可以使得葉片根尖區(qū)型面適應端壁區(qū)軸向速度低的流動特點，從而降低端壁區(qū)的損失。其機理是端壁區(qū)由于附面層的影響，端壁區(qū)相對于主流區(qū)的來流軸向速度下降很快，因而，按照常規(guī)設(shè)計的葉片在端壁區(qū)的攻角必然很大，造成端壁區(qū)葉片氣動性能的降低，進行端壁區(qū)“扭”設(shè)計的葉片，就適應了氣流流動的這種變化，從而改善了端壁區(qū)的流動，提高了葉片在端壁區(qū)的氣動性能，擴大喘振裕度。

圖8 端彎設(shè)計

2.4 可控擴散葉型設(shè)計

可控擴散葉型設(shè)計機理主要是控制葉型表面Ma分布（如圖9所示），從圖中可見推薦的葉片表面馬赫數(shù)分布形式，一般要控制吸力面Ma峰值不大于1.3，同時要在盡可能短的弦長范圍內(nèi)使得Ma峰值達到最大。相比傳統(tǒng)葉型前緣小圓設(shè)計，由于橢圓設(shè)計使得葉型前緣處曲率變小，氣流加速得到有效控制，葉型前緣處的Ma峰值得到有效降低，從而降低損失提高效率。

圖9 可控擴散葉型表面Ma分布

2.5 葉型前緣橢圓設(shè)計技術(shù)

該項技術(shù)在國外已經(jīng)廣泛應用，但國內(nèi)這方面應用還存在很大差距。數(shù)值分析表明：葉型前緣橢圓設(shè)計相比常規(guī)葉型設(shè)計，可有效提供效率，喘振裕度明顯增加，葉型前緣橢圓設(shè)計及其機理如圖10所示。

圖10 橢圓前緣形狀對氣動性能的影響

2.6 靜子弓形設(shè)計技術(shù)

靜子“弓形”設(shè)計技術(shù)，一般主要針對出口級靜子?！肮巍膘o子設(shè)計方法是采用一定的方式將各個流線面的葉型進行積疊，從而實現(xiàn)各種形式葉片的造型。目前常用的“弓形”設(shè)計（如圖11所示）方法是給定葉型的質(zhì)心周向偏移量進行葉片的造型。從圖中可見，積疊線端部切線與徑向的夾角γ為彎角，壓力面與端壁成銳角為正彎，壓力面與端壁成鈍角為反彎。其機理是改變?nèi)~片表面的徑向壓力分布梯度，降低葉片兩端靠近壁面端區(qū)型面的負荷，推遲氣流分離和失速，從而提高喘振裕度。

圖11 弓形靜子

2.7 寬弦小展弦比設(shè)計技術(shù)

對于航改燃氣輪機，特別是高低壓壓氣機壓比相差比較大的航改燃氣輪機，低壓壓氣機要求有高的喘振裕度，此時，可以壓氣機轉(zhuǎn)子可以采用寬弦小展弦比設(shè)計技術(shù)達到這一目的，這是目前風扇/壓氣機設(shè)計的發(fā)展趨勢。采用寬弦小展弦比設(shè)計，提高了轉(zhuǎn)子的承載能力，這同時也有助于提高壓氣機抗畸變能力，展弦比分布形式如圖12所示（轉(zhuǎn)靜子展弦比呈現(xiàn)鋸齒形分布）。

圖12 展弦比分布

寬弦小展弦比設(shè)計技術(shù)是先進風扇/壓氣機設(shè)計的發(fā)展趨勢，采用小展弦比設(shè)計可以明顯提高壓氣機的效率和增加穩(wěn)定性，同時，可以提高葉片壽命，增強了抵抗外來物破壞和侵蝕的能力。統(tǒng)計來看，推薦取值在1.2～1.6，同時外國專家表示，在展弦比小于1.3，就不需要考慮葉片的顫振問題。

2.8 過渡段（中介機匣）設(shè)計技術(shù)

過渡段是連接高低壓壓氣機的“紐帶”，其設(shè)計的好壞直接關(guān)系到高低壓壓氣機的匹配，進而影響到整機性能。

過渡段設(shè)計的核心是控制流路壁面附面層的發(fā)展，這樣，可以保證較高總壓恢復系數(shù)的同時，提高出口場的品質(zhì)，為高低壓壓氣機的良好匹配創(chuàng)造了條件。2.9 多葉片排靜葉聯(lián)調(diào)技術(shù)

多葉片排靜葉聯(lián)調(diào)技術(shù)，這是在燃氣輪機壓氣機設(shè)計中最常采用的提高壓氣機氣動性能的技術(shù)。對于多級壓氣機設(shè)計，特別是高負荷的多級壓氣機設(shè)計，良好的設(shè)計是獲得良好性能的根本保證，但是偏離設(shè)計狀態(tài)時，性能會惡化，偏離越遠，性能惡化越嚴重，這時采用多葉片排靜葉聯(lián)調(diào)，是改善級間匹配，提高氣動性能的重要手段，對艦船用燃氣輪機來說，在不允許放氣的條件下，這可以說是必不可少的技術(shù)手段。對燃氣輪機而言，可調(diào)節(jié)葉片排級數(shù)的數(shù)量應占總級數(shù)的60%以上，有些燃氣輪機，如圖5中的CS73380壓氣機，采用8級導葉全部可以調(diào)節(jié)，加上進口可變彎度導向葉片，從而使得該壓氣機各個轉(zhuǎn)速下氣動性能非常優(yōu)異。

2.10 處理機匣設(shè)計技術(shù)

處理機匣設(shè)計技術(shù)在國內(nèi)外應用廣泛，其機理核心是轉(zhuǎn)子尖部間隙處氣流流動的控制。氣流經(jīng)過轉(zhuǎn)子葉片通道后，總靜壓均逐漸增加，當達到其壓升極限的時候，氣流開始分離，壓氣機進入不穩(wěn)定工作狀態(tài)。采用處理機匣后，轉(zhuǎn)子葉片尖部一部分氣流通過處理機匣向前回流至轉(zhuǎn)子葉片前緣，在轉(zhuǎn)子尖部，形成1個完整的回流流路。這種回流并不是發(fā)生在壓氣機的所有工況下，并且是否形成回流的關(guān)鍵在于上、下游之間的壁面靜壓差。當轉(zhuǎn)子葉片葉尖在大攻角工況下工作，通過這種回流作用，有利于消除失速分離，擴大壓氣機穩(wěn)定工作裕度的功能[5-7]。

采用上述方法綜合設(shè)計了1臺較高負荷的多級軸流低壓壓氣機，自主研制燃氣輪機的高低壓壓氣機特性如圖13所示，其與高壓壓氣機無量綱流量-壓比特性的對比，可以看出與圖5中MK202燃氣輪機高低壓壓氣機特性分布相近。部件驗證表明該壓氣機的氣動性能全面達到并超過了設(shè)計指標要求，其中設(shè)計壓比點的絕熱效率超過了0.90；串裝燃氣發(fā)生器驗證平臺表明，高低壓壓氣機匹配良好，整機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，證明了上述設(shè)計方法的有效性。

圖13 自主研制燃氣輪機的高低壓壓氣機特性

3 結(jié)束語

通過對艦船航改燃氣輪機高低壓壓氣機匹配特點的分析，在艦船航改燃氣輪機高低壓壓氣機設(shè)計壓比相差大條件下，分析總結(jié)了高低壓壓氣機匹配的難點和原因，給出了解決艦船航改燃氣輪機高低壓壓氣機匹配的設(shè)計方法和設(shè)計技術(shù)，并對這些設(shè)計方法和技術(shù)進行了深入的機理分析[8-11]。利用這些設(shè)計技術(shù)綜合設(shè)計的5級低壓壓氣機試驗驗證和燃氣發(fā)生器驗證平臺試驗驗證表明，這些設(shè)計方法和設(shè)計技術(shù)對解決艦船航改燃氣輪機的高低壓壓氣機匹配這一關(guān)鍵技術(shù)是有效的，并且可以用于其它燃氣輪機和航空發(fā)動機設(shè)計。

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Matching Technology of HPC and LPC for Aero-Derivative Gas Turbine Engine

LIU Tai-qiu,NIE Hai-gang
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

In order to adapt development demand,the matching technology between HPC and LPC was analyzed and studied deeply for one of the key technologies of aero-derivative gas turbine.The technology methods were made using the combination between multisoftware simulation and theory analysis method based on the design and matching characteristics of the bigger pressure ratio of HPC and LPC,The methods were applied to the new design of the fifth LPC.The rig test results meet and exceed the design requirement.The gas generator technology verification results show that the matching techonlogy is better for HPC and LPC and can provide technical foundation for aero-derivative gas turbine.

aero-derivative gas turbine;matching of HPC and LPC;numerical simulation;design technology;test verification

劉太秋（1972），男，高級工程師，從事葉輪機械氣動設(shè)計工作。

2013-03-08