■ 溫泉 馬寧 南希 / 中國航發(fā)研究院

航空發(fā)動機(jī)是一個多學(xué)科耦合的高科技行業(yè)，是一個國家國防、經(jīng)濟(jì)和科技能力的綜合體現(xiàn)。風(fēng)扇/壓氣機(jī)作為航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件之一，其技術(shù)水平對航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展有著重要影響，一直是航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。

風(fēng)扇和壓氣機(jī)通過對進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣做功提高其壓力，為燃燒室提供高壓空氣，來提高發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)效率。根據(jù)氣流在壓氣機(jī)中的流動方向可將其分為軸流式和離心式，由二者組合起來的為組合式壓氣機(jī)；根據(jù)氣流的流速可將其分為亞聲速、跨聲速和超聲速壓氣機(jī)。評價(jià)風(fēng)扇/壓氣機(jī)性能的主要指標(biāo)通常包括空氣流量、增壓比、效率、喘振裕度、外廓尺寸、質(zhì)量和無故障間隔時(shí)間等。

發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)是軍民用大型飛機(jī)的動力裝置。目前，GE、普惠和羅羅三大公司在大型飛機(jī)發(fā)動機(jī)的國際市場上依然處于壟斷地位，俄羅斯的大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)主要配裝在本國的大型飛機(jī)上。

進(jìn)入21世紀(jì)，歐美三大公司的發(fā)動機(jī)涵道比從20世紀(jì)90年代初的4～6∶1提升到10～11∶1，例如，羅羅公司的遄達(dá)1000發(fā)動機(jī)和GE公司的GEnx發(fā)動機(jī)，而普惠公司的PW1000G發(fā)動機(jī)的涵道比則達(dá)到了12∶1，羅羅公司正在研發(fā)的“超扇”（UltraFan）發(fā)動機(jī)的涵道比將達(dá)到15∶1以上。為了滿足最佳總體循環(huán)參數(shù)和低噪聲要求，風(fēng)扇部件壓比需要降低到1.4∶1左右，轉(zhuǎn)子葉尖切線速度維持在370m/s左右（羅羅公司的遄達(dá)8000發(fā)動機(jī)更低，約為320m/s），伴隨而來的是飛機(jī)/發(fā)動機(jī)噪聲水平的降低。

GEnx高涵道比發(fā)動機(jī)

為提高效率、降低噪聲、提高抗外物損傷能力，大涵道比風(fēng)扇常采用寬弦葉片，若采用常規(guī)實(shí)心鈦合金結(jié)構(gòu)，不僅會增加葉片質(zhì)量，還會增加輪盤、支承結(jié)構(gòu)、包容機(jī)匣的質(zhì)量，從而大幅增加發(fā)動機(jī)質(zhì)量。因此，先進(jìn)的大涵道比發(fā)動機(jī)都在寬弦風(fēng)扇葉片上采取各種減輕質(zhì)量措施，遄達(dá)系列和PW4000系列的風(fēng)扇采用鈦合金空心葉片技術(shù)，而GE90、GE9X系列的風(fēng)扇則廣泛采用復(fù)合材料葉片。隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，GE公司隨后將其應(yīng)用拓寬到風(fēng)扇包容機(jī)匣，開發(fā)了碳纖維編織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料包容機(jī)匣，而GEnx發(fā)動機(jī)則成為世界上第一臺采用全復(fù)合材料風(fēng)扇包容機(jī)匣技術(shù)的大型發(fā)動機(jī)。

D-27無涵道對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機(jī)

隨著發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)參數(shù)的不斷優(yōu)化，涵道比相應(yīng)提高。以現(xiàn)有技術(shù)水平，若涵道比繼續(xù)增大，風(fēng)扇技術(shù)將很難在高亞聲速巡航條件下保持低油耗，因此一種新型動力裝置——槳扇發(fā)動機(jī)受到關(guān)注。它是介于渦扇和渦槳發(fā)動機(jī)之間的高亞聲速航空推進(jìn)系統(tǒng)，其槳扇與大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇部件有很多類似的技術(shù)特點(diǎn)。20世紀(jì)80年代末至90年代初，蘇聯(lián)和歐美等國開展了多個槳扇發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)和型號研制，例如，烏克蘭的D-27發(fā)動機(jī)最大巡航總壓比可達(dá)29.7∶1，俄羅斯的NK-93發(fā)動機(jī)涵道比為16.6∶1，總壓比為37∶1。美國也研制了GE36和578-DX等槳扇發(fā)動機(jī)。

小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇

小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)主要用于戰(zhàn)斗機(jī)，以美國F119、F135，法國M88，歐洲EJ200和俄羅斯30號機(jī)等第四代小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)為代表，其涵道比為0.2～0.4∶1，總壓比可達(dá)25～35∶1。

目前，小涵道比發(fā)動機(jī)大多基于20世紀(jì)60—80年代的產(chǎn)品系列發(fā)展衍生而來，發(fā)動機(jī)的涵道比整體呈降低趨勢，壓縮系統(tǒng)的總壓比提高趨勢較為緩慢，高壓壓氣機(jī)的壓比基本保持在5～7∶1，因此需要通過提高風(fēng)扇壓比來增加壓縮部件的總壓比。目前，以F119為代表的小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)基本都采用3級風(fēng)扇，壓比在5∶1左右。小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇除了采用寬弦空心葉片和復(fù)合材料技術(shù)，通常還采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。整體葉盤不僅減輕質(zhì)量效果顯著，同時(shí)對性能和結(jié)構(gòu)可靠性也有所提升，美國F119、F135和EJ200發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子都采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)。

寬弦空心葉片技術(shù)

F119小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)

整體葉盤

隨著未來戰(zhàn)斗機(jī)寬工作范圍和多工作狀態(tài)的作戰(zhàn)需求，變循環(huán)發(fā)動機(jī)成為了最具潛力的發(fā)展方向，其壓縮部件特征之一是核心機(jī)驅(qū)動風(fēng)扇級（CDFS）。CDFS是GE公司20世紀(jì)60年代為F-22研制YF120變循環(huán)發(fā)動機(jī)提出的新型壓縮部件。不同于傳統(tǒng)風(fēng)扇，CDFS是和高壓壓氣機(jī)一起由高壓渦輪驅(qū)動，具有較寬的流量范圍，可以適應(yīng)整機(jī)不同涵道比的匹配需求。隨后，美國又在“自適應(yīng)通用發(fā)動機(jī)技術(shù)”（ADVENT）計(jì)劃中開發(fā)和驗(yàn)證了壓比可控的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動機(jī)，其壓縮部件特點(diǎn)是在常規(guī)外涵道外增加了第三涵道，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量，提高發(fā)動機(jī)熱管理的能力。

高壓比多級軸流壓氣機(jī)

隨著發(fā)動機(jī)更高推重比的發(fā)展需求，多級軸流壓氣機(jī)將向更高壓比的方向發(fā)展。目前，大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的壓縮部件總壓比從25～30∶1提升到了50∶1，由于其風(fēng)扇部件的壓比略有降低趨勢，因此其增壓級/中壓壓氣機(jī)和高壓壓氣機(jī)需要提高壓比來滿足高總壓比的要求，目前GE9X發(fā)動機(jī)的11級高壓壓氣機(jī)壓比達(dá)到了27∶1。

對于多級軸流壓氣機(jī)，級間匹配問題增加了流動復(fù)雜性，提高了壓氣機(jī)設(shè)計(jì)難度，往往需要經(jīng)過多輪迭代才能滿足設(shè)計(jì)要求。美國GE公司和普惠公司同時(shí)進(jìn)行了E3發(fā)動機(jī)研制，最終GE公司用3年時(shí)間經(jīng)過多輪迭代設(shè)計(jì)與大量試驗(yàn)驗(yàn)證才滿足設(shè)計(jì)需求。GE公司形成的E3發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)技術(shù)，為后續(xù)GE公司高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。GE90發(fā)動機(jī)的高壓壓氣機(jī)就是將E3的高壓壓氣機(jī)按流量放大，實(shí)現(xiàn)了10級壓比23∶1，平均級壓比達(dá)到1.368∶1，是當(dāng)時(shí)平均級壓比最高的民用發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)。

多級軸流壓氣機(jī)另一設(shè)計(jì)難點(diǎn)是解決中低轉(zhuǎn)速喘振裕度不足的問題，通常采用可調(diào)靜子葉片、級間放氣以及多轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)來提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。此外，機(jī)匣處理技術(shù)通過控制壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉頂端區(qū)流動，能夠較好地拓寬壓氣機(jī)的喘振裕度。目前，最新一代的機(jī)匣處理不僅能夠有效拓寬壓氣機(jī)的工作范圍，同時(shí)對壓氣機(jī)的效率不產(chǎn)生負(fù)面影響。歐洲大型軍用渦槳發(fā)動機(jī)TP400-D6采用的多級軸流壓氣機(jī)，由于其質(zhì)量限制需要取消可調(diào)靜子結(jié)構(gòu)，德國MTU公司采用新型機(jī)匣處理技術(shù)成功地拓寬其中低轉(zhuǎn)速喘振裕度。

渦軸/渦槳發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)

渦軸發(fā)動機(jī)用于軍民用直升機(jī)，渦槳發(fā)動機(jī)廣泛應(yīng)用于軍事運(yùn)輸機(jī)、預(yù)警機(jī)和無人機(jī)等。發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)形式按照賽峰直升機(jī)發(fā)動機(jī)（原透博梅卡）公司的劃分方法可分為3擋：功率為500kW、壓比為10∶1量級采用單級離心形式；功率為1000kW、壓比為15∶1量級，采用雙級離心或斜流離心組合壓氣機(jī)；功率為2000kW、壓比為17～20∶1量級采用軸流離心或斜流離心組合壓氣機(jī)。對于更高功率要求，則采用大型發(fā)動機(jī)的多級軸流壓氣機(jī)形式，例如歐洲新研制的大型軍用運(yùn)輸機(jī)A400M的渦槳發(fā)動機(jī)TP400-D6則采用了多級軸流壓氣機(jī)，功率為9600kW，壓比達(dá)到25∶ 1。

渦軸/渦槳發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)主要特點(diǎn)是小流量軸流離心組合壓氣機(jī)的應(yīng)用，其軸流級與渦扇發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)本質(zhì)相同，但由于尺寸較小，端區(qū)附面層和二次流等流動對主流影響更為顯著。另外，還需要考慮軸流級與離心級氣動、結(jié)構(gòu)上的匹配問題。20世紀(jì)80年代末，高壓比超跨聲速離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，使得雙級離心壓氣機(jī)與軸流離心組合壓氣機(jī)的性能水平相當(dāng)，而雙級離心壓氣機(jī)由于零部件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為第四代發(fā)動機(jī)采用的主要形式。賽峰直升機(jī)發(fā)動機(jī)公司在20世紀(jì)90年代初設(shè)計(jì)的雙級離心壓氣機(jī)壓比達(dá)到了15∶1，并基于此壓氣機(jī)發(fā)展出多型雙級離心壓氣機(jī)。普惠加拿大公司也研制出壓比為10∶1的離心壓氣機(jī)。隨著高性能單級軸流壓氣機(jī)及斜流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，2～3級的高性能新型組合壓氣機(jī)將在第五代渦軸發(fā)動機(jī)中得到大力發(fā)展。

其他類型的壓縮系統(tǒng)

升力風(fēng)扇可用于短距/垂直起降飛機(jī)用發(fā)動機(jī)，升力風(fēng)扇沒有單獨(dú)的動力系統(tǒng)，由主發(fā)動機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。美國F-35B短距/垂直起降戰(zhàn)斗機(jī)的成功關(guān)鍵就是采用了升力風(fēng)扇和渦扇發(fā)動機(jī)組合動力系統(tǒng)。

渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機(jī)（TBCC）由渦輪發(fā)動機(jī)和其他類型發(fā)動機(jī)組合而成，是最具潛力的空天動力裝置，其壓氣機(jī)具備高通流、寬工況適應(yīng)范圍的特點(diǎn)。另外，由于飛行速度高，來流溫度也高，壓氣機(jī)通常需要進(jìn)行預(yù)冷或采用高溫合金材料。美國、日本和歐洲開展了多個計(jì)劃發(fā)展TBCC技術(shù)。

T55渦軸發(fā)動機(jī)

涵道風(fēng)扇是可用于多種垂直起降的飛行器，例如直升機(jī)的涵道尾槳。涵道風(fēng)扇能比同樣直徑的孤立風(fēng)扇產(chǎn)生更大升力，同時(shí)由于涵道的環(huán)括作用使得結(jié)構(gòu)緊湊、氣動噪聲低、安全性好。隨著作戰(zhàn)模式轉(zhuǎn)變，涵道風(fēng)扇在小型無人飛行器方面得到應(yīng)用。美國采用涵道風(fēng)扇的多型無人飛行器成功試飛，如Cypher、Istar和Helispy等。

面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

目前，先進(jìn)的風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系已發(fā)展到全三維水平，高壓壓氣機(jī)平均級壓比已達(dá)到1.6∶1左右，使用和在研的發(fā)動機(jī)風(fēng)扇的平均級壓比已達(dá)到1.5～1.7∶1，研究中的更是達(dá)到2.2～3.2∶1。級壓比的提高不僅改善了發(fā)動機(jī)性能，還意味著壓氣機(jī)的級數(shù)減少。

我國的航空發(fā)動機(jī)自主研發(fā)起步較晚，基礎(chǔ)相對薄弱，設(shè)計(jì)體系尚不健全。在風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、材料和工藝等方面距世界先進(jìn)水平存在差距，應(yīng)在短板方面加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，加快突破和全面掌握關(guān)鍵技術(shù)，逐步提升風(fēng)扇/壓氣機(jī)自主研發(fā)能力。根據(jù)目前國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，風(fēng)扇/壓氣機(jī)技術(shù)在以下幾個共用關(guān)鍵技術(shù)方向面臨挑戰(zhàn)。

大涵道比風(fēng)扇/槳扇技術(shù)

我國已經(jīng)在首臺大涵道比民用發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)CJ-1000AX上完成了鈦合金寬弦空心風(fēng)扇葉片和鋁合金大型薄壁風(fēng)扇包容機(jī)匣技術(shù)驗(yàn)證，近期還成功研制出復(fù)合材料風(fēng)扇包容機(jī)匣，標(biāo)志著我國在這些技術(shù)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了重大突破。今后還應(yīng)該在葉片三維造型及優(yōu)化、高效率低噪聲風(fēng)扇設(shè)計(jì)、葉片流固耦合顫振穩(wěn)定性評估與仿真、鈦合金寬弦空心葉片設(shè)計(jì)/制造以及復(fù)合材料轉(zhuǎn)子葉片和包容機(jī)匣設(shè)計(jì)/制造等方面加強(qiáng)技術(shù)研究和驗(yàn)證，全面提升大涵道比風(fēng)扇/槳扇的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。

CJ-1000AX發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)

高負(fù)荷、高效率風(fēng)扇/軸流壓氣機(jī)技術(shù)

美國在“綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)”（IHPTET）和“通用經(jīng)濟(jì)可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)”（VAATE）計(jì)劃中提出了下一代戰(zhàn)斗機(jī)用渦扇發(fā)動機(jī)的推重比將朝著15～20∶1發(fā)展。根據(jù)未來軍用渦扇發(fā)動機(jī)更高推重比的發(fā)展趨勢，風(fēng)扇/壓氣機(jī)將向更輕質(zhì)、更緊湊、更高級負(fù)荷、更高氣動效率的方向發(fā)展。因此，需要在三維葉片造型及全三維黏性反問題優(yōu)化設(shè)計(jì)、寬弦空心風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、風(fēng)扇葉片振動仿真、復(fù)合材料整體葉環(huán)、高溫鈦合金整體葉盤等技術(shù)方向進(jìn)行加強(qiáng)和提升。

高負(fù)荷、高效率離心壓氣機(jī)技術(shù)

離心壓氣機(jī)是渦軸和渦槳發(fā)動機(jī)常用的壓氣機(jī)形式，相對于軸流壓氣機(jī)有著自身的特點(diǎn)，由于流道曲率大，離心力和科氏力對其內(nèi)部流動的影響更加明顯。隨著離心葉輪壓比升高，徑向擴(kuò)壓器的進(jìn)口流速通常超過聲速，增加了其設(shè)計(jì)難度。因此，離心壓氣機(jī)將主要在超跨聲速離心葉輪設(shè)計(jì)、超聲速徑向擴(kuò)壓器葉片造型、級間匹配、高壓比離心壓氣機(jī)氣動穩(wěn)定性分析、雙級離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等技術(shù)方向開展工作。

高壓比多級軸流/組合壓氣機(jī)技術(shù)

根據(jù)大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)更高總壓比的發(fā)展趨勢，由于其風(fēng)扇壓比變化不大，高壓壓氣機(jī)的壓比水平將繼續(xù)提高。同時(shí)，隨著軍民用渦軸/渦槳發(fā)動機(jī)功重比不斷提升，對其壓縮系統(tǒng)也提出了更高壓比的要求。針對高壓比多級軸流壓氣機(jī)和組合壓氣機(jī)，高效/高負(fù)荷葉片設(shè)計(jì)及優(yōu)化、壓氣機(jī)級間匹配、高效擴(kuò)穩(wěn)處理機(jī)匣設(shè)計(jì)、整體葉盤修復(fù)、輕質(zhì)靜子葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、新材料整體葉盤以及防鈦火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等成為應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和發(fā)展的技術(shù)。

寬范圍風(fēng)扇/壓氣機(jī)技術(shù)

變循環(huán)發(fā)動機(jī)因其強(qiáng)大的調(diào)節(jié)能力成為最具潛力的發(fā)動機(jī)之一，通過模式切換能同時(shí)滿足起飛或亞聲速巡航時(shí)低油耗、低噪聲以及加速、爬升或超聲速巡航狀態(tài)具有足夠推力的需求，能夠?qū)崿F(xiàn)寬工作狀態(tài)和多用途需求。但是，為了適應(yīng)發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)能力，對壓縮系統(tǒng)也提出了更高要求，特別針對變循環(huán)發(fā)動機(jī)發(fā)展目標(biāo)，應(yīng)開展高抗畸變寬弦風(fēng)扇設(shè)計(jì)、高效/復(fù)合彎掠/超聲速CDFS轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)、自適應(yīng)多涵道風(fēng)扇設(shè)計(jì)和增材制造等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。

其他需求壓氣機(jī)技術(shù)

除了加強(qiáng)對上述風(fēng)扇/壓氣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，也應(yīng)該積極開展面向未來動力特殊設(shè)計(jì)需求的壓縮系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證研究，例如升力風(fēng)扇設(shè)計(jì)技術(shù)、高通流全超聲速風(fēng)扇設(shè)計(jì)技術(shù)、高空低雷諾數(shù)風(fēng)扇設(shè)計(jì)技術(shù)和超臨界工質(zhì)壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)等。

結(jié)束語

從未來航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇/壓氣機(jī)的發(fā)展趨勢來看，我國與世界先進(jìn)水平還存在一定距離。我們需要認(rèn)清這些差距，綜合國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)研制的主要問題，制訂科學(xué)全面的專業(yè)發(fā)展規(guī)劃，加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，建立完善的設(shè)計(jì)體系，盡快達(dá)到世界一流風(fēng)扇/壓氣機(jī)技術(shù)水平。