于　佳,徐志暉(沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部(院),沈陽　110136)

?

淺析航空壓氣機(jī)及其發(fā)展趨勢

于佳,徐志暉
(沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部(院),沈陽110136)

摘 要:作為航空發(fā)動機(jī)的核心部件之一，壓氣機(jī)的作用是給燃燒室提供經(jīng)過壓縮的高溫、高壓氣體。為了能夠全面了解航空壓氣機(jī)，本文系統(tǒng)地介紹了壓氣機(jī)的分類、性能指標(biāo)以及發(fā)展趨勢，進(jìn)一步推動我國航空事業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；壓氣機(jī)；高溫、高壓；性能指標(biāo)

1　壓氣機(jī)分類

1.1離心式壓氣機(jī)

離心式壓氣機(jī)由進(jìn)氣系統(tǒng)、葉輪、擴(kuò)壓器和集氣管等四部分組成，它通過中間軸與渦輪相連。為了增加進(jìn)氣量，葉輪采用雙面進(jìn)氣，這樣有利于平衡作用在軸承上的軸向力。為迎合氣流相對運動的速度方向，葉輪的進(jìn)口部分做成旋轉(zhuǎn)方向前彎。工作輪葉片之間呈徑向輻射狀的通道，氣流通過工作輪增加速度和壓力。當(dāng)氣流從工作葉輪流出后，進(jìn)入擴(kuò)壓器。擴(kuò)壓器與葉輪之間存在較大縫隙，氣流在縫隙中也起到擴(kuò)壓作用，故該擴(kuò)壓器也稱縫隙擴(kuò)壓器。從擴(kuò)壓器出來的氣體進(jìn)入集氣管進(jìn)一步減速擴(kuò)壓，然后進(jìn)入燃燒室。

1.2軸流式壓氣機(jī)

通過壓氣機(jī)的空氣基本上沿軸向流動，因此叫做軸流壓氣機(jī)。軸流壓氣機(jī)主要由靜子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。靜子是靜子組合件的總稱，包括機(jī)匣和整流器。在單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機(jī)中，壓氣機(jī)機(jī)匣由進(jìn)氣裝置、整流器機(jī)匣和擴(kuò)壓器機(jī)匣組成。在雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)中，在風(fēng)扇和壓氣機(jī)之間還有一個分流機(jī)匣，將內(nèi)涵道和外涵道的氣流分開，在高壓和低壓之間還有一個中間機(jī)匣，將氣流由低壓壓氣機(jī)順利引到高壓壓氣機(jī)中。轉(zhuǎn)子是一個高速旋轉(zhuǎn)對氣流做功的組合件。在雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機(jī)中，壓氣機(jī)又分為低壓轉(zhuǎn)子和高壓轉(zhuǎn)子，在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī)中，低壓轉(zhuǎn)子就是風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，或者是風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的組合。一排轉(zhuǎn)子葉片和一排靜子葉片組成軸流壓氣機(jī)的一個級。在某些壓氣機(jī)第一級前面裝有預(yù)旋的導(dǎo)流葉片，其目的是使氣流在進(jìn)入第一級時獲得所需的流場分布。空氣通過軸流壓氣機(jī)時不斷受到壓縮，空氣比容減小、密度增加。因而軸流式壓氣機(jī)的通道截面積逐漸減小，呈收斂性，壓氣機(jī)出口截面比進(jìn)口截面積要小的多。

軸流式壓氣機(jī)的流動特點使其在結(jié)構(gòu)上容易組織多級壓縮，以每一級都較低的增壓壓力比獲得較高的壓氣機(jī)總增壓壓力比。一般每級的增壓壓力比在1.15～1.35之間，使得空氣流經(jīng)葉片通道時無需急劇的改變方向，這樣就減少了流動損失，因而壓氣機(jī)效率高，特別是大流量時，軸流式壓氣機(jī)較離心式壓氣機(jī)更容易獲得較高的效率，一般軸流式壓氣機(jī)的效率可達(dá)87%以上，而離心式壓氣機(jī)的效率最高可達(dá)85%，與離心式壓氣機(jī)相比，多級軸流壓氣機(jī)還具有大流量，高效率，小迎風(fēng)面積等優(yōu)點。因此，近代大功率燃?xì)廨啓C(jī)大多數(shù)都采用多級軸流壓氣機(jī)來壓縮氣體。

2　壓氣機(jī)的功能和主要性能指標(biāo)

壓氣機(jī)的功能是用來提高進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)的空氣動力，供給發(fā)動機(jī)工作時所需的壓縮空氣，也可為座艙增壓、渦輪散熱和其他發(fā)動機(jī)的起動提供壓縮空氣。

評定壓氣機(jī)性能的主要指標(biāo)有增壓比、效率、外面尺寸和重量、工作可靠性、制造和維修所需的費用。對于航空發(fā)動機(jī)來說，最重要的指標(biāo)之一是外面的尺寸，它用單位質(zhì)量流量來衡量，即通過發(fā)動機(jī)單位面積的空氣質(zhì)量流量來決定。

對于壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有以下幾個要求：滿足發(fā)動機(jī)性能設(shè)計提出的各項要求；具有足夠的強(qiáng)度、適宜的剛度和更小的振動；結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕；工作可靠，壽命長；維修性、檢測性好，性能制造成本低等五個基本要求。

3　壓氣機(jī)的發(fā)展動態(tài)及趨勢

隨著飛機(jī)對發(fā)動機(jī)的推重比、能量利用率及其他方面的要求不斷提高，發(fā)動機(jī)對壓氣機(jī)也提出了更高的要求。而材料、工藝、試驗技術(shù)、氣動設(shè)計理論和計算流體力學(xué)的巨大進(jìn)步又為不斷提高的要求提供了必要的條件和技術(shù)支持。以下為壓氣機(jī)近一段時間的基本趨勢和未來的發(fā)展方向。

（1）更高的葉尖切向速度：提高葉尖的切向速度是提高單級加功的有效途徑。現(xiàn)代軍用發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)的切向速度為400-500m/s。某國為研制用于未來戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)，對壓氣機(jī)和風(fēng)扇進(jìn)行了大量的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)役機(jī)種水平的先期性設(shè)計試驗研究，其切向速度可達(dá)577-630m/s,單級壓氣機(jī)的增壓比為3.2，雙級壓氣機(jī)達(dá)4.57，三級壓氣機(jī)可達(dá)8.07。

（2）更高的轉(zhuǎn)子亞比：一般不斷提高單轉(zhuǎn)子核心壓氣機(jī)的壓比。

（3）更高級的氣動負(fù)荷和單級壓比：提高級的氣動負(fù)荷一直是設(shè)計人員所追求的目標(biāo)，為此采用更完善的氣動設(shè)計和造型；采用低展弦比、高稠密度的葉片設(shè)計及更大的葉片安裝角等等。

（4）更高的效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王云.航空發(fā)動機(jī)原理[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009:85-88.

[2]周賀，張志軒.航空發(fā)動機(jī)原理及進(jìn)展研究[J].南方農(nóng)機(jī),2015(10):43-45.

[3]李鳳霞，徐寧.智能化技術(shù)在電氣工程自動化控制中的應(yīng)用探討[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015(10):159.

[4]劉靖桐.面向Web2.0的web應(yīng)用前端開發(fā)框架的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué),2014,1(17).

[5]呂昕.基于Web的富客戶端跨平臺移動應(yīng)用開發(fā)技術(shù)研究[D].云南大學(xué),2015,4(01).

作者簡介：于佳（1990-），男，遼寧興城人，碩士在讀，研究方向：跨聲速壓氣機(jī)葉尖間隙流動數(shù)值研究。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.085