航空發(fā)動機風(fēng)扇壓氣機設(shè)計技術(shù)概述

現(xiàn)代戰(zhàn)爭以及民航運輸?shù)男枰?，對飛行器動力裝置的推重比等性能提出了更高的要求。對航空發(fā)動機壓縮系統(tǒng)而言，用更少的級數(shù)、更高的負荷及效率、更輕的重量及結(jié)構(gòu)緊湊的風(fēng)扇壓氣機實現(xiàn)設(shè)計是各發(fā)動機公司持續(xù)追求的目標(biāo)。

燃氣渦輪航空發(fā)動機一代又一代發(fā)展的道路是，提高風(fēng)扇（大涵道比發(fā)動機的風(fēng)扇除外）和高壓壓氣機的總壓比及渦輪前溫度，更高的熱力循環(huán)參數(shù)表征了航空發(fā)動機更高的性能。壓氣機是提高流經(jīng)航空發(fā)動機空氣流壓力的裝置，在燃氣渦輪航空發(fā)動機的研制中，壓氣機，尤其是高壓壓氣機，是決定發(fā)動機研制成敗的關(guān)鍵因素之一，是航空發(fā)動機研制的技術(shù)瓶頸。

壓氣機技術(shù)涉及氣動熱力、結(jié)構(gòu)強度、材料、制造工藝和試驗測試等眾多學(xué)科，是技術(shù)密集多學(xué)科綜合的專業(yè)。高壓壓氣機主要設(shè)計特點是，壓氣機級數(shù)多，氣流流動在高的逆壓力梯度下進行，要使其高效、穩(wěn)定工作極其困難，它存在壓氣機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的多級匹配和喘振問題，這決定了壓氣機的工作范圍和可用性；其次，壓氣機葉片薄，在全飛行包線內(nèi)存在各種各樣的振動，其帶來的高低周疲勞問題往往困擾發(fā)動機全壽命周期及全過程的使用；對軍用航空發(fā)動機而言，其飛行包線遠較民用發(fā)動機寬廣，工作環(huán)境更為惡劣，設(shè)計難度就更高。高壓壓氣機的研制技術(shù)水平高低極大地影響著燃氣渦輪發(fā)動機產(chǎn)品性能的優(yōu)劣，是公認的航空發(fā)動機性能設(shè)計最難之處。由于高壓壓氣機設(shè)計的重要性，西方航空發(fā)達國家無不注重壓氣機技術(shù)的發(fā)展，加速競爭的態(tài)勢促進了技術(shù)創(chuàng)新的步伐，并推動了航空發(fā)動機技術(shù)的進步。

航空發(fā)動機壓氣機設(shè)計新技術(shù)及發(fā)展趨勢

在航空發(fā)動機發(fā)展過程中，對高推重比（尤其是軍機）和高性能追求，使得研究人員在滿足發(fā)動機可靠性的前提下，對發(fā)動機各部件的性能、結(jié)構(gòu)緊湊性和重量提出了更高的要求，對壓氣機來說，輕質(zhì)、高性能成為設(shè)計人員持續(xù)不斷追求的目標(biāo)，也使得壓氣機設(shè)計的新方法、新結(jié)構(gòu)、新材料不斷涌現(xiàn)。

先進的計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)

從上世紀90年代至今，對現(xiàn)代航空發(fā)動機壓氣機設(shè)計影響最大的一項技術(shù)首推先進的計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)。90年代以前，航空發(fā)動機壓氣機設(shè)計的基礎(chǔ)為準(zhǔn)三維設(shè)計，90年代后世界各發(fā)動機公司和研究機構(gòu)則逐漸將CFD技術(shù)融于設(shè)計體系。發(fā)展過程中，技術(shù)推動使全三維CFD技術(shù)逐漸地由定常流向非定常流模式轉(zhuǎn)變，由正問題分析向反問題設(shè)計轉(zhuǎn)變，從以提高壓氣機性能為主，發(fā)展到預(yù)報葉片顫振穩(wěn)定性和葉片強迫響應(yīng)高周疲勞問題的解決，全面融入壓氣機設(shè)計并日益影響著壓氣機研發(fā)的全過程。得益于全三維CFD技術(shù)的發(fā)展，壓氣機設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展的彎掠葉片、大小葉片等多種先進設(shè)計技術(shù)和氣動布局，才有了一個有力的校核分析工具，也使得對其流動機理有了深入的理解。

目前，在采用常規(guī)技術(shù)的壓氣機設(shè)計中，準(zhǔn)三維設(shè)計體系仍然是設(shè)計的核心，全三維CFD技術(shù)作為設(shè)計的一個重要基礎(chǔ)或者校核工具；對于未來高負荷的風(fēng)扇壓氣機設(shè)計，原有的準(zhǔn)三維設(shè)計形成的經(jīng)驗和準(zhǔn)則或許存在適用性問題，同時，隨著對全三維CFD技術(shù)認識的加深和設(shè)計軟件的進一步校核完善，其對壓氣機設(shè)計工作指導(dǎo)作用日益凸顯，可縮短研制周期，降低研制成本和風(fēng)險。

先進的壓氣機氣動設(shè)計技術(shù)

寬弦葉片設(shè)計技術(shù)是近年來發(fā)展最為常見使用的風(fēng)扇、壓氣機葉片設(shè)計技術(shù)，當(dāng)然，大部分設(shè)計同時也融入了掠彎等壓氣機葉片設(shè)計的先進要素。不可否認的是，風(fēng)扇、壓氣機葉片從之前的窄弦葉片發(fā)展到寬弦葉片，代表了高負荷壓氣機技術(shù)發(fā)展的方向。寬弦葉片的優(yōu)勢：有效增加壓氣機的級負荷，減少壓氣機的級數(shù)和零件數(shù)，使得壓氣機結(jié)構(gòu)更為緊湊；提高氣動穩(wěn)定性zZfzxEI/9oZBjOwvgXIMu5+xTnQivM2qP4vTRWhEr3s=，增強抗外物打傷的能力及改善振動和抗疲勞特性，提高了壓氣機結(jié)構(gòu)可靠性和壽命。鑒于寬弦葉片的優(yōu)勢，西方在第三代改進型及第四代軍用發(fā)動機上均采用了寬弦葉片。

前掠葉片和后掠葉片是現(xiàn)代航空發(fā)動機上廣泛采用的又一個主要的風(fēng)扇、壓氣機葉片設(shè)計技術(shù)。前、后掠葉片技術(shù)實質(zhì)是通過新型三維氣動布局實現(xiàn)流動控制，提高壓氣機負荷、效率和氣動穩(wěn)定性并降低流動損失。其方法特點是將葉片的前緣法平面設(shè)計成與來流方向有一個較大的夾角，降低來流馬赫數(shù)及削弱葉片槽道內(nèi)激波強度并降低損失。前掠和后掠葉片，都能降低葉片的激波損失，提高效率。同后掠相比，前掠除提高效率外還有氣動穩(wěn)定性好的特點。因此，研究人員常用復(fù)合前后掠的方法進行設(shè)計，在葉片中上部至80%的半徑高度區(qū)域采用后掠設(shè)計，提高效率，在葉片的葉尖區(qū)域采用前掠設(shè)計，提高壓氣機的效率和喘振裕度。

彎曲葉片也稱弓形葉片，它較多的用于壓氣機靜子葉片設(shè)計，也可用于轉(zhuǎn)子，其作用為控制葉片的二次流，避免氣流分離，改善性能。

大小葉片就是在全弦長葉片中后部槽道中間區(qū)域增加一排小葉片來控制氣流在后段的分離，實現(xiàn)葉片彎角增加和負荷的提高，該技術(shù)能較大地提高軸流壓氣機葉片作功能力，是使軸流壓氣機級增壓比達到3或3以上的具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，為國內(nèi)外壓氣機研發(fā)的一個熱點技術(shù)。大小葉片技術(shù)進入工程應(yīng)用的關(guān)鍵是，實現(xiàn)設(shè)計點和非設(shè)計點性能的綜合優(yōu)化，解決相關(guān)的結(jié)構(gòu)強度和多級壓氣機的級間匹配問題。

吸附式風(fēng)扇壓氣機設(shè)計技術(shù)是近10多年來發(fā)展并有望用于下一代航空發(fā)動機的高負荷壓氣機設(shè)計技術(shù)。其主要優(yōu)勢是能夠較大的提高級負荷，改善工作穩(wěn)定性或適用性。研究表明，在葉片表面吸氣，可以延緩氣流分離，提高擴散度，從而提高級壓比。目前吸附式風(fēng)扇實現(xiàn)的單級壓比達到3.5，遠高于其他的高負荷風(fēng)扇設(shè)計技術(shù)達到的水平，但其主要弱點是其抽吸系統(tǒng)復(fù)雜和存在結(jié)構(gòu)強度等技術(shù)難題。下一步，將自適應(yīng)概念和吸附式風(fēng)扇/壓氣機技術(shù)結(jié)合有望實現(xiàn)工程上的應(yīng)用。自適應(yīng)吸附式風(fēng)扇/壓氣機目前只有零星的概念，它在保留了吸附式葉片高級負荷做功能力的同時，避免采用復(fù)雜抽吸系統(tǒng)，同時，自適應(yīng)抽吸的高能量氣體從葉尖噴氣排出，用于密封及改善流動，達到提高風(fēng)扇的效率和氣動穩(wěn)定性的目的。

上述介紹的寬弦葉片、掠型葉片、彎曲葉片、大小葉片或者吸附式壓氣機葉片設(shè)計技術(shù)等從方法原理上來說它還是一個葉片氣動布局的設(shè)計技術(shù)，有了葉片氣動設(shè)計布局，還得選擇不同的葉型設(shè)計技術(shù)來完成葉片設(shè)計。伴隨著對壓氣機高性能的追求，傳統(tǒng)的低速葉型和“標(biāo)準(zhǔn)”葉型已經(jīng)無法滿足高馬赫數(shù)、高負荷環(huán)境下的葉片設(shè)計，如NACA系列、雙圓弧、多圓弧等。定制葉型（類似方法也有稱剪裁葉型或者計算機葉型等不一而足），其方法本質(zhì)系采用數(shù)學(xué)樣條曲線來構(gòu)造任意彎度的葉型中線，通過葉柵槽道內(nèi)流場參數(shù)的匹配，實現(xiàn)對葉型中線進行任意的彎曲控制既定制，配合基元葉型空間積疊，使之產(chǎn)生特定設(shè)計要求的、三維流動得到良好控制的、承載能力強、效率高、氣動穩(wěn)定性好的葉片。

在壓氣機設(shè)計全流程中，葉片是表征性能設(shè)計最后應(yīng)用的三維單元實體，是氣動設(shè)計的最終體現(xiàn)，它的加功能力、效率、氣動穩(wěn)定性和抗疲勞特性，直接決定了壓氣機使用性能，進而影響到整機的性能，決定了發(fā)動機是否可用。

圖1代表了近年來壓氣機葉型設(shè)計方法進步使得壓氣機在高馬赫數(shù)環(huán)境下級負荷提高和效率的變化趨勢。圖2代表航空發(fā)動機方法進步和壓縮系統(tǒng)總壓比發(fā)展趨勢。

先進的壓氣機結(jié)構(gòu)、材料和制造技術(shù)

在壓氣機先進設(shè)計方法帶來壓氣機性能持續(xù)提高的同時，先進結(jié)構(gòu)、材料和制造技術(shù)的應(yīng)用大大促進了高性能壓氣機和先進發(fā)動機的研制。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和金屬間化合物已經(jīng)成為航空渦扇發(fā)動機風(fēng)扇/壓氣機部件的理想候選材料。采用先進材料和工藝制造技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)主要包括以下幾種。

壓氣機寬弦葉片，由于采用空心結(jié)構(gòu)（稱為空心葉片），加之整體葉盤結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)高強復(fù)合材料等技術(shù)的應(yīng)用，質(zhì)量減輕，解決了實心葉片本身以及盤等質(zhì)量過大的問題，對振動特性也有改善。

整體葉盤結(jié)構(gòu)，是盤片一體的整體結(jié)構(gòu)，省去常規(guī)葉盤連接的榫頭和榫槽，零件數(shù)減少，減重效果顯著，對性能、可靠性和壽命均有提升。同常規(guī)盤片分離結(jié)構(gòu)比較，整體葉盤減重約30%。

整體葉環(huán)，即利用金屬基復(fù)合材料密度低、強度高、高溫性能好、剛度大等優(yōu)點，并在整體葉盤的基礎(chǔ)上去掉輪盤后進一步發(fā)展起來的金屬基復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)。整體葉環(huán)減重效果為常規(guī)設(shè)計的70%，其減重的同時，對性能和結(jié)構(gòu)可靠性也有提升。目前，整體葉環(huán)技術(shù)成熟度低，加之工藝復(fù)雜和成本因素，距工業(yè)化應(yīng)用還有距離。

復(fù)合材料葉片，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)在航空發(fā)動機上得到較好應(yīng)用，它采用專項工藝將中長纖維、環(huán)氧樹脂及鈦合金薄片融合一體形成，葉片輕質(zhì)高強，具有成本低、抗振（抗顫振）性能好、抗損傷能力強等特點。

近年航空發(fā)動機風(fēng)扇壓氣機研制發(fā)展起來的其他先進工藝及加工技術(shù)有：葉片激光沖擊強化處理技術(shù)，樹脂轉(zhuǎn)移成型工藝，永久鑄模工藝，超塑性成形工藝等。

風(fēng)扇壓氣機設(shè)計技術(shù)發(fā)展應(yīng)用情況和認識

通過多年的航空發(fā)動機預(yù)研與型號發(fā)展，中國燃氣渦輪研究院在風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計技術(shù)方面開展了大量的研究和試驗驗證工作。在氣動設(shè)計方面，掠彎寬弦葉片設(shè)計技術(shù)、全三維CFD技術(shù)等已經(jīng)成功用于型號發(fā)動機研制工作，處理機匣、吸附式葉片、大小葉片，串列轉(zhuǎn)子、核心機驅(qū)動風(fēng)扇等技術(shù)也經(jīng)過初步探索研究或驗證；在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，驗證了整體葉盤等結(jié)構(gòu)形式并用于產(chǎn)品研制，設(shè)計整體葉環(huán)并進行了初步強度考核試驗。

早在上世紀80年代末，中國燃氣渦輪研究院自主研究成功國內(nèi)第一臺渦扇發(fā)動機用七級高壓壓氣機，設(shè)計性能達標(biāo)，喘振裕度超過壓氣機的設(shè)計技術(shù)要求，和國際上同時期的七級高壓壓氣機性能水平相當(dāng)，該設(shè)計獲得了國家科技進步獎。從那時起，通過國家的各項預(yù)研計劃安排和型號需求，我們研制航空發(fā)動機用的風(fēng)扇、增壓級及高壓壓氣機覆蓋航空發(fā)動機的推力量級從小到數(shù)百千克至大到1萬千克以上。研制軍民兩用的不同流量、壓比指標(biāo)的風(fēng)扇、增壓級及高壓壓氣機多達數(shù)十臺。

1995年，在全三維CFD技術(shù)發(fā)展之初，中國燃氣渦輪研究院研制成功一臺中等推力級渦扇發(fā)動機用三級風(fēng)扇，在流量和喘振裕度達標(biāo)的同時，最高效率達到0.88左右，這是國內(nèi)首臺采用全三維CFD技術(shù)輔助設(shè)計的風(fēng)扇部件。2000年前后，中國燃氣渦輪研究院研制了一臺平均級壓比超過2的高負荷前掠風(fēng)扇。其結(jié)構(gòu)特點是采用了碳纖維復(fù)合材料環(huán)繞制的帶箍整體葉盤結(jié)構(gòu)，葉片應(yīng)力低，抗顫振性能好，葉盤重量只有常規(guī)設(shè)計的50%左右，圖4為該二級風(fēng)扇整體葉盤照片。2001年，中國燃氣渦輪研究院研制成功某渦扇發(fā)動機核心機用高壓壓氣機，和國際同期類似量級壓氣機性能水平相當(dāng)。

2003年前后，我們同國外某公司開展了高壓壓氣機合作設(shè)計工作，為驗證我們的設(shè)計技術(shù)，將我院研制的某七級壓氣機的性能指標(biāo)改為六級壓氣機來設(shè)計，最終，壓氣機試驗性能達到了設(shè)計要求；七級改六級高壓壓氣機設(shè)計成功后，我們又在該設(shè)計的基礎(chǔ)上采用縮放和加級技術(shù)完成了又一輪七級高壓壓氣機的設(shè)計工作，當(dāng)然，設(shè)計總壓比提高，流量根據(jù)發(fā)動機推力需要改變；完成的試驗表明，性能達到設(shè)計要求。

2005年，通過國家某預(yù)研計劃的支持，我們以某中等推力渦扇發(fā)動機四級風(fēng)扇為目標(biāo)進行了一輪改進設(shè)計驗證工作，保持風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和進出口幾何尺寸不變，將原型機四級風(fēng)扇改為三級；同時，考慮了提高發(fā)動機推力的要求，風(fēng)扇進口流量和效率提高。設(shè)計工作中，風(fēng)扇采用了寬弦復(fù)合掠彎的氣動布局和任意中線葉型設(shè)計技術(shù)，成功完成了風(fēng)扇部件設(shè)計試驗和風(fēng)扇串裝整機試驗。同原型機風(fēng)扇相比，在氣動負荷提高較大的情況下，試驗喘振裕度相當(dāng)，設(shè)計流量和效率提高，風(fēng)扇各轉(zhuǎn)速下的效率平均提高了3%左右，發(fā)動機推力提高超過了預(yù)定目標(biāo)。圖5為該改進設(shè)計的三級風(fēng)扇復(fù)合掠型轉(zhuǎn)子葉片照片，本文題圖為大推力發(fā)動機GE90-115B風(fēng)扇掠型轉(zhuǎn)子葉片外形。

2010年前后，通過某探索項目的支持，我們創(chuàng)新采用一種新流型設(shè)計技術(shù)，針對小推力級發(fā)動機壓氣機，將原六級壓氣機實現(xiàn)的總壓比用四級完成，設(shè)計非常成功，壓氣機效率和喘振裕度非常高。最近20多年時間，得益于國家對航空發(fā)動機行業(yè)的重視和發(fā)展需求，我們跟蹤國際上先進技術(shù)的發(fā)展，自主創(chuàng)新，并得益于數(shù)10臺不同推力量級航空發(fā)動機的風(fēng)扇、壓氣機設(shè)計試驗研究，中國燃氣渦輪研究院壓氣機專業(yè)建立起了風(fēng)扇壓氣機設(shè)計體系，包含有設(shè)計軟件、流程、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)庫。研發(fā)的部分風(fēng)扇、高壓壓氣機成功用于多個發(fā)動機型號的發(fā)展。

設(shè)計全新的壓氣機非常難。設(shè)計一臺氣動性能達標(biāo)的壓氣機相對容易，但要設(shè)計性能達標(biāo)，工程上完全滿足全飛行包線氣動熱力可靠性要求的壓氣機則非常難。較為常見的做法為在已經(jīng)研發(fā)成功的壓氣機基礎(chǔ)上不斷改進，根據(jù)新研的發(fā)動機推力性能等要求對壓氣機進行縮放和加減級，強調(diào)效率、加減速性、氣動穩(wěn)定性和間隙控制的重要性，強調(diào)葉片振動對高周疲勞壽命影響等。

雖然我們在航空發(fā)動機風(fēng)扇/壓氣機領(lǐng)域取得了較大的進展，但受制于航空發(fā)動機固有的研發(fā)難度、長周期和先期投入大的問題，因此，同西方多年建立的航空發(fā)動機研發(fā)平臺相比，同其完善的設(shè)計體系、流程和規(guī)范以及嚴謹?shù)募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)和過程控制相比，我們還存在較大的差距。加之航空工業(yè)的核心技術(shù)買不來，堅持自主創(chuàng)新、自主研制將是我們唯一的選擇。當(dāng)國家將航空產(chǎn)業(yè)上升到戰(zhàn)略層面來考量并加大投入、重新布局的時候，當(dāng)國家將科技創(chuàng)新作為新時期發(fā)展國策的時候，當(dāng)我們集行業(yè)研發(fā)合力于一體的時候，我們的風(fēng)扇/壓氣機，我們的航空發(fā)動機及航空工業(yè)都將迎來全新的發(fā)展時期。