■ 曹傳軍 王進(jìn)春 / 中國航發(fā)商發(fā)

壓氣機(jī)是航空發(fā)動機(jī)的核心部件之一。對壓氣機(jī)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展研究，有助于進(jìn)一步提升壓氣機(jī)性能，降低整機(jī)環(huán)境下渦輪前溫度和耗油率，提高核心機(jī)循環(huán)功，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程價值。

效率和喘振裕度是壓氣機(jī)性能的重要指標(biāo)，效率代表了壓氣機(jī)內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換的完善程度，喘振裕度代表了壓氣機(jī)能偏離工作點(diǎn)使用的范圍。中國航發(fā)商發(fā)自成立以來開展了大型客機(jī)發(fā)動機(jī)的研發(fā)工作，同步開展了高負(fù)荷高效率多級軸流壓氣機(jī)的研制，在借鑒國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)歷了多輪部件、核心機(jī)、整機(jī)層級的設(shè)計(jì)迭代，逐步逼近并達(dá)到指標(biāo)要求，完成了多級軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)和初步驗(yàn)證。壓氣機(jī)設(shè)計(jì)迭代過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括壓氣機(jī)一維參數(shù)設(shè)計(jì)、三維計(jì)算方法、葉片造型技術(shù)、S2通流數(shù)據(jù)標(biāo)定和葉尖間隙控制等。

重視一維參數(shù)的設(shè)計(jì)迭代

一維參數(shù)設(shè)計(jì)主要是確定初步的流道形式、中徑處速度三角形、各級輪緣功、壓比、損失分布等，是整個壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，尤其流道形式?jīng)Q定了壓氣機(jī)80%以上的性能，設(shè)計(jì)參數(shù)不合理的方案很難在后續(xù)的S2通流設(shè)計(jì)或者三維詳細(xì)設(shè)計(jì)過程校正。

一維參數(shù)設(shè)計(jì)時需充分借鑒先進(jìn)壓氣機(jī)方案的參數(shù)和發(fā)展趨勢，表1給出了民機(jī)發(fā)動機(jī)典型高壓壓氣機(jī)壓比參數(shù)[1]。壓氣機(jī)流道形式要考慮不同的壓氣機(jī)應(yīng)用場景需求，進(jìn)/出口的輪轂比、切線速度（結(jié)合轉(zhuǎn)速）、沿程面積收縮率等對氣動性能有較大的影響。壓氣機(jī)進(jìn)口級通常為跨聲速級，來流相對馬赫數(shù)需要結(jié)合進(jìn)口輪轂比、環(huán)面積、流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)來合理設(shè)計(jì)。壓氣機(jī)沿程的軸向速度分布與葉型損失、葉片負(fù)荷以及做功能力相關(guān)，進(jìn)而影響效率和裕度，需要合理設(shè)計(jì)流道沿程的面積收縮率。壓氣機(jī)出口需要控制葉片高度和馬赫數(shù)（結(jié)合出口輪轂比、總壓比、環(huán)面積等參數(shù)）。流道面積的變化還需要考慮級間引氣的影響，中國航發(fā)商發(fā)多輪壓氣機(jī)氣動設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)表明，采用引氣處流路收縮技術(shù)可以使壓氣機(jī)級間匹配更好，性能更優(yōu)。

表1 民機(jī)發(fā)動機(jī)典型高壓壓氣機(jī)壓比參數(shù)

采用分塊/分級/分排的設(shè)計(jì)思路

三維計(jì)算展示了壓氣機(jī)通道內(nèi)流動的細(xì)節(jié)。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展，壓氣機(jī)設(shè)計(jì)過程中全三維計(jì)算越來越普遍。由于壓氣機(jī)通道內(nèi)的邊界層發(fā)展和分離流動的復(fù)雜性，CFD很難精準(zhǔn)有效地模擬多級高負(fù)荷的壓氣機(jī)，計(jì)算模型對實(shí)際幾何的精確表達(dá)、轉(zhuǎn)靜交界面數(shù)據(jù)傳遞的方法處理不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的偏差會隨著級數(shù)的增多逐步加大。中國航發(fā)商發(fā)采用商用三維軟件對多級壓氣機(jī)開展了全級仿真工作，計(jì)算（一維無反射和守恒型交界面）與試驗(yàn)結(jié)果的對比如圖1所示，表明交界面處理方式對仿真結(jié)果準(zhǔn)確性具有重要的影響，但無論哪種處理方式，兩種交界面處理方法的仿真結(jié)果與試驗(yàn)之間仍存在偏差，需要對仿真工具的標(biāo)定和使用方法開展進(jìn)一步的研究。

圖1 多級連算與試驗(yàn)結(jié)果對比

各大航空發(fā)動機(jī)制造商均配備和開發(fā)了適合自身產(chǎn)品特點(diǎn)的三維CFD計(jì)算軟件，并依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對軟件進(jìn)行標(biāo)定，且很少開展多級壓氣機(jī)所有級的計(jì)算分析。取而代之的是采用像火車車廂連接的方式將多級壓氣機(jī)分為多個計(jì)算域（如2～3級轉(zhuǎn)/靜子葉片作為一個計(jì)算域），消除多級連算過程中由上游積累的偏差對下游葉片的影響，圖2為多級壓氣機(jī)切分的不同計(jì)算域示意。

圖2 壓氣機(jī)分塊計(jì)算域示意

挖掘三維葉片優(yōu)化的潛能

壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了S2通流設(shè)計(jì)意圖。葉片設(shè)計(jì)過程包括了基元葉型設(shè)計(jì)、基元葉型的三維積疊、形成三維彎扭掠葉片等，設(shè)計(jì)的好壞將直接影響壓氣機(jī)的效率和穩(wěn)定裕度。

GE公司在20世紀(jì)末應(yīng)用第一代三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)，將高壓壓氣機(jī)的效率提升了約2個百分點(diǎn)。借助于三維CFD工具，當(dāng)前壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)具備了考慮端區(qū)邊界層、容腔效應(yīng)和葉尖泄漏等影響的能力，朝著精細(xì)化葉型設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。為了獲得高效的壓氣機(jī)葉片，通常需要經(jīng)歷多輪迭代，對葉片表面的馬赫數(shù)分布形狀精雕細(xì)琢，以實(shí)現(xiàn)綜合性能最優(yōu)的目的。

普惠公司在20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)出的可控擴(kuò)散葉型（CDA），控制葉片吸力面邊界層分離，在超/跨聲速時不產(chǎn)生激波，得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)典基元葉型設(shè)計(jì)通常采用中弧線疊加葉片厚度分布的造型方法，中弧線角度和葉型厚度分布規(guī)律可以采用任意形式多段圓弧或高階貝塞爾曲線等方式，其本質(zhì)是采用一種光滑曲線來構(gòu)造任意彎度的中弧線，疊加高階厚度分布規(guī)律，最終獲得負(fù)荷高、損失低的基元葉型。對于跨聲速或超聲速葉型，需要控制來流馬赫數(shù)和激波強(qiáng)度，采用進(jìn)口預(yù)壓縮的吸力面型線可以有效降低激波損失。根據(jù)來流馬赫數(shù)采用通道內(nèi)單激波或雙激波的設(shè)計(jì)。對于亞聲速葉型，可采用前加載的形式，降低葉型損失。

葉型前緣的形狀對于跨聲速壓氣機(jī)葉片前緣吸力面馬赫數(shù)分布有較大影響。圓形或橢圓形前緣容易在葉型前緣出現(xiàn)局部馬赫數(shù)尖峰，進(jìn)而導(dǎo)致局部損失增加。中國航發(fā)商發(fā)研究發(fā)展了多種葉片前緣精細(xì)化造型方法，結(jié)果表明采用非對稱橢圓前緣、非對稱連續(xù)曲率前緣（Droop）設(shè)計(jì)等方法能夠有效消除吸力面局部馬赫數(shù)尖峰，拓寬葉型攻角范圍，減少流動損失。

自從小展弦比葉片設(shè)計(jì)理念（寬弦葉片）發(fā)展并通過驗(yàn)證，高性能航空壓氣機(jī)葉片廣泛采用了該設(shè)計(jì)特征[2]。小展弦比葉片減少了葉片數(shù)，取消了窄弦葉片原先的凸肩結(jié)構(gòu)，減少了流動損失，提高了葉片負(fù)荷潛力。采用寬弦設(shè)計(jì)的渦扇發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)，級數(shù)從上一代的12～13級減少到8～9級。

彎掠設(shè)計(jì)技術(shù)常常作為重要的擴(kuò)穩(wěn)和提高效率措施應(yīng)用于現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉型設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)是基于空氣動力學(xué)流動機(jī)理，通過全三維空間的流動定制和控制，達(dá)到提高壓氣機(jī)負(fù)荷、降低流動損失的目的。大量研究表明壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片采用前掠葉片可以實(shí)現(xiàn)更大負(fù)荷，更大喘振裕度和更好的抗流場畸變能力。彎技術(shù)在靜子葉片中被大量應(yīng)用，對于改善端區(qū)流動，抑制二次流具有顯著的效果。中國航發(fā)商發(fā)近些年研究發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)子葉片中使用彎技術(shù)也能較好地抑制葉尖泄漏流，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)子的裕度和效率。

做好S2通流設(shè)計(jì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定

S2通流設(shè)計(jì)在一維平均參數(shù)的基礎(chǔ)上確定了子午面徑向參數(shù)，是壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。S2通流設(shè)計(jì)需要與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定和優(yōu)化迭代，數(shù)據(jù)的標(biāo)定是檢驗(yàn)S2通流設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果差異的重要過程，有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和不合理的徑向參數(shù)分布，為下一輪優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。經(jīng)過標(biāo)定的S2通流設(shè)計(jì)工具更加準(zhǔn)確，豐富的子午面徑向參數(shù)也更接近實(shí)際。尤其對于多級高負(fù)荷高效率壓氣機(jī)研發(fā)，在目前三維CFD工具缺乏足夠精確度的情況下，顯得尤為重要，是壓氣機(jī)研制過程中“設(shè)計(jì)—驗(yàn)證—再設(shè)計(jì)—再驗(yàn)證”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在壓氣機(jī)部件試驗(yàn)中，通過在靜子葉片徑向不同高度布置總溫、總壓受感部，獲得壓氣機(jī)級間壓比和效率等數(shù)據(jù)，通過在機(jī)匣壁面上布置靜壓孔，獲得沿程靜壓分布，如圖3所示。由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)靜子之間軸向距離較近，布置五孔探針較為困難，因此轉(zhuǎn)靜子出口氣流角的確定是S2通流數(shù)據(jù)標(biāo)定過程中最為重要的一個環(huán)節(jié)。通過多輪迭代調(diào)整轉(zhuǎn)靜子出口氣流角分布，使得S2通流程序計(jì)算獲得的級間總壓、總溫、沿程靜壓等與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖3 測量位置示意

控制好葉尖徑向間隙

葉尖徑向間隙（轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣的徑向間隙）控制在現(xiàn)代高負(fù)荷航空壓氣機(jī)設(shè)計(jì)過程中容易被忽略，卻對壓氣機(jī)氣動性能影響極大，具有舉足輕重的作用。一方面，由于葉尖間隙的存在，葉尖氣流在壓力面和吸力面壓差作用下形成間隙流，引起流道堵塞，既改變了壓氣機(jī)流量，也削弱了轉(zhuǎn)子做功能力，不利于壓比提升；另一方面，間隙流帶來的熵增以及流動損失導(dǎo)致了效率降低，如圖4所示。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，葉尖間隙每增加1%弦長，相應(yīng)壓氣機(jī)效率損失1.5%；間隙尺寸小于1%葉尖弦長時，壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍對葉尖間隙的變化不敏感；隨著間隙尺寸進(jìn)一步增加，間隙尺寸的增加與失速裕度的減小呈線性關(guān)系。

圖4 間隙對峰值效率的影響

中國航發(fā)商發(fā)核心機(jī)試驗(yàn)過程中，第一次試驗(yàn)的壓氣機(jī)構(gòu)型，葉尖徑向間隙較大，效率值與指標(biāo)偏差較大。第二次試驗(yàn)前，通過機(jī)匣涂層補(bǔ)噴增加厚度，縮小了葉尖徑向間隙，結(jié)果表明高轉(zhuǎn)速狀態(tài)峰值效率獲得了顯著提升。為防止過渡態(tài)或最高負(fù)荷狀態(tài)時，葉片葉尖刮入機(jī)匣涂層太深，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)時對葉尖間隙進(jìn)行優(yōu)化，讓葉尖與機(jī)匣涂層僅有較輕的刮磨。

結(jié)束語

提升效率和喘振裕度是現(xiàn)代航空壓氣機(jī)技術(shù)發(fā)展一直追求的目標(biāo)，當(dāng)前壓氣機(jī)效率發(fā)展水平已經(jīng)達(dá)到極致，性能提升到了需要拿放大鏡細(xì)究技術(shù)特征的階段。壓氣機(jī)全流程設(shè)計(jì)與驗(yàn)證涉及方法和專業(yè)較多，需要從眾多影響因素中，抓住主要矛盾，用最小設(shè)計(jì)迭代達(dá)到最大性能提升的效果。