■ 劉太秋 王佳宇 李麗麗/ 中國航發(fā)動力所

先進航空發(fā)動機性能提升的需求促使壓氣機氣動設(shè)計向著高負荷方向發(fā)展，但高負荷氣動設(shè)計也帶來了綜合性能權(quán)衡、氣動/幾何參數(shù)選取的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著對高負荷條件下壓氣機內(nèi)部流動機理的深入認識，新的設(shè)計理念和流動控制方法逐步得到驗證和應(yīng)用。

現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機的發(fā)展趨勢包括高能量、高生存、高效率、高殺傷、高智能和高協(xié)同，由此牽引出對發(fā)動機綜合性能整體提升的技術(shù)需求。例如，為了滿足飛機遠航程高機動性需求，需要發(fā)動機具備亞聲速巡航低耗油率、持續(xù)超聲速巡航能力、超聲速巡航高單位推力、高穩(wěn)定性能力；高生存能力要求發(fā)動機拓展工作包線和高隱身能力；高效率要求發(fā)動機大功率提取能力和熱管理能力；高殺傷也需要發(fā)動機具備大功率提取能力；高智能和高協(xié)同要求發(fā)動機具備綜合性的管理控制能力。這些需求分解到發(fā)動機的壓縮系統(tǒng)上，則需要壓縮系統(tǒng)在氣動方面實現(xiàn)高效率、高流通能力、高穩(wěn)定裕度、高壓比調(diào)節(jié)和高流量調(diào)節(jié)，在結(jié)構(gòu)強度方面具備高結(jié)構(gòu)緊湊性、安全性和可靠性。然而，發(fā)動機內(nèi)流強耦合的技術(shù)特征，使得各需求之間相互牽制、相互影響、相互作用的特征更加突出。如氣動性能方面，高穩(wěn)定裕度和通流能力會影響到高效率的保持，而高壓比調(diào)節(jié)與高流量調(diào)節(jié)相互制約，且氣動性能的提升還受到結(jié)構(gòu)強度方面的限制，如輪轂比、前緣厚度等均需要滿足結(jié)構(gòu)強度的約束。而多級軸流式壓氣機氣動設(shè)計技術(shù)的重大突破是發(fā)動機研制重大進步的基礎(chǔ)[1]。隨著壓氣機負荷水平的提高，級數(shù)減少且質(zhì)量更輕，但效率、穩(wěn)定性、各級之間的匹配問題更為突出，對壓氣機氣動設(shè)計帶來了眾多設(shè)計難點和技術(shù)挑戰(zhàn)，需要發(fā)展相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)以適應(yīng)高性能發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展。

高負荷壓氣機氣動設(shè)計難點

在進行高負荷壓氣機的氣動設(shè)計時，因為設(shè)計技術(shù)指標(biāo)參數(shù)（如效率、喘振裕度等）與負荷直接相關(guān)，通常會導(dǎo)致框架參數(shù)（包含級數(shù)、流路、級負荷、反力度）選取的范圍變窄，折中平衡難度更大。如在通流設(shè)計選擇氣動和幾何參數(shù)沿徑向分布時，對設(shè)計經(jīng)驗的要求更高，主要存在以下幾方面的難點。

一是量綱一（舊稱無量綱）參數(shù)組合選取范圍變窄。隨著壓氣機負荷系數(shù)的增加，在相同的流量系數(shù)下，壓氣機的效率和裕度有所降低。采用增加流量系數(shù)的措施導(dǎo)致軸向馬赫數(shù)的增加，速度擴散程度隨之增大，流場更不容易控制，增加了葉片的設(shè)計難度。

二是級匹配更加困難。高負荷壓氣機各排葉片的負荷水平均較高，平均級壓比的提高使得高低轉(zhuǎn)速下進口級流量系數(shù)的變化較大，以及出口級負荷系數(shù)變化范圍大的矛盾更為突出；在每級內(nèi)部，隨著平均級壓比提高帶來的進口馬赫數(shù)提高，葉型可用攻角范圍減小，級匹配難度進一步增加。每一排葉片都很重要，設(shè)計容差小，要求對各級匹配精準(zhǔn)把控，精細化設(shè)計。因此，需要進行級壓比的合理分配，并同流路的調(diào)整相呼應(yīng)，充分發(fā)揮各排葉片的做功能力，否則很容易產(chǎn)生匹配偏差，導(dǎo)致壓氣機做功能力不足，效率或裕度不達標(biāo)。

三是流場控制更難。隨著壓氣機級數(shù)的減少，意味著承擔(dān)速度擴散的葉片排數(shù)減少，每個葉片排內(nèi)的速度擴散度增加，導(dǎo)致逆壓力梯度增加，流場易產(chǎn)生分離，流場的穩(wěn)定性降低，損失控制難度增加。高負荷壓氣機不易實現(xiàn)高效率，進口級轉(zhuǎn)子進口相對馬赫數(shù)高，流場激波強，激波損失及激波邊界層干涉損失嚴(yán)重，無法保證效率和失速裕度；另外負荷系數(shù)與效率指標(biāo)密切相關(guān)，負荷水平的提高通常也帶來效率的降低。在壓氣機效率指標(biāo)沒有降低甚至提高的需求下，級數(shù)的減少更需要各級都工作在較高的氣動性能水平。

四是高負荷導(dǎo)致端壁二次流的敏感性更強，且更難于控制。各級轉(zhuǎn)子、靜子負荷高，根部氣流轉(zhuǎn)折角更大，負荷水平更高，氣流折轉(zhuǎn)實現(xiàn)難，可用攻角范圍通常減小，特別是靜子根部情況更嚴(yán)重；轉(zhuǎn)子尖部由于葉尖馬赫數(shù)高、存在泄漏流等影響，也處于非?？量痰墓ぷ鳝h(huán)境。高負荷壓氣機設(shè)計一般采用小展弦比設(shè)計，端壁二次流損失大約占總損失的50%～70%，所以控制端壁二次流是提高高負荷壓氣機氣動性能的關(guān)鍵區(qū)域。

高負荷壓氣機氣動設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

為了解決上述設(shè)計難點，從壓氣機的設(shè)計流程出發(fā)，在一維、二維和三維設(shè)計這3個環(huán)節(jié)中，要關(guān)注的高負荷壓氣機氣動設(shè)計技術(shù)有如下幾個方面。

一維設(shè)計技術(shù)

一維設(shè)計是壓氣機氣動設(shè)計的開端和基礎(chǔ)。通過一維設(shè)計確定壓氣機的氣動布局框架，初步確定轉(zhuǎn)速、級數(shù)、流路、壓比及預(yù)旋等關(guān)鍵參數(shù)分配。一維設(shè)計主要依托早期大量試驗統(tǒng)計分析形成的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)。隨著負荷水平提高，參數(shù)選擇超出已有選取范圍，對經(jīng)驗參數(shù)進行校準(zhǔn)并進行一維優(yōu)化設(shè)計，從而獲得高負荷氣動布局基礎(chǔ)框架。針對不同類型和需求的壓氣機技術(shù)指標(biāo)，尤其需要注意對軸向速度和加功系數(shù)的選擇。例如，對航空發(fā)動機的軸流壓氣機，為了降低出口級的氣動負荷，中間級軸向速度要提高，但不宜提得過高，以避免后幾級因軸向速度減速過快而加重負擔(dān)。在加功系數(shù)選取時，需要兼顧設(shè)計轉(zhuǎn)速和非設(shè)計轉(zhuǎn)速的壓氣機性能。各級的加功系數(shù)一般采用兩頭低中間高、且出口級加功系數(shù)仍大于進口級加功系數(shù)的分布，這樣的加功系數(shù)分布對于高負荷壓氣機可能更合理。

隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展，越來越多的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)開始逐步應(yīng)用到壓氣機氣動設(shè)計中?；谛阅芷ヅ涞膮?shù)分布經(jīng)驗，利用一維程序快速便捷的特點，與優(yōu)化程序相結(jié)合，對負荷系數(shù)、預(yù)旋、軸向速度等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，獲得符合技術(shù)指標(biāo)需求的壓氣機布局基本框架。

二維設(shè)計技術(shù)

二維設(shè)計是壓氣機設(shè)計的核心。在一維框架布局的基礎(chǔ)上，對壓比、效率、攻角、落后角等參數(shù)的徑向分布進行優(yōu)化和匹配設(shè)計，確定流道和各排葉片的基本氣動參數(shù)，通過葉型設(shè)計實現(xiàn)通流葉型設(shè)計參數(shù)的分布，最終確定二維通流設(shè)計。隨著負荷水平不斷提高，擴散因子、氣流轉(zhuǎn)角等參數(shù)都超出了傳統(tǒng)經(jīng)驗范圍，關(guān)鍵還是模型要素關(guān)聯(lián)及適用范圍的確定，特別是De Haller數(shù)、擴散因子等與馬赫數(shù)的關(guān)聯(lián)，所以這個環(huán)節(jié)流場參數(shù)匹配優(yōu)化和精細化葉型設(shè)計成為影響壓氣機發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

流場參數(shù)匹配優(yōu)化 優(yōu)化沿流線氣動熱力參數(shù)的分布，如反力度、擴散因子、速度分布、負荷分配等，將主要參數(shù)控制在經(jīng)驗范圍內(nèi)，超出經(jīng)驗范圍的參數(shù)進行詳細設(shè)計和評估。二維正問題分析一般可以快速評估各參數(shù)在不同工況下的徑向分布，根據(jù)設(shè)計需求對設(shè)計參數(shù)進行反復(fù)精細化調(diào)節(jié)，以得到平衡各設(shè)計需求的折中方案。目前二維正問題分析中的損失模型等對高負荷壓氣機的適應(yīng)性仍需進一步發(fā)展，對參數(shù)的合理性評估等通常還需要增加三維計算流體力學(xué)（CFD）仿真。

低損失基元葉型技術(shù) 轉(zhuǎn)子葉型設(shè)計須適應(yīng)超／跨聲速來流條件，一般會在前面級引入預(yù)壓縮葉型設(shè)計，解決設(shè)計點激波損失大的問題，但是這種預(yù)壓縮需要合理設(shè)計，否則會對低轉(zhuǎn)速性能產(chǎn)生負面影響；靜子葉型需進行大彎角設(shè)計。采用橢圓和連續(xù)曲率進行葉型前緣的型線控制，降低葉型前緣吸力面峰值馬赫數(shù)，減弱或消除分離泡，提高基元葉型性能，提高效率和喘振裕度，如圖1所示。

圖1 前緣形狀設(shè)計對壓氣機性能的影響

三維設(shè)計技術(shù)

目前三維設(shè)計主要功能是實現(xiàn)壓氣機性能校核與優(yōu)化。隨著負荷水平不斷提高，轉(zhuǎn)子隨著壓比增加葉尖泄漏流加劇、葉片根部的橫向二次流更強、靜子彎角超出經(jīng)驗值。為了解決這些高負荷帶來的問題，采取了一系列的技術(shù)措施，關(guān)鍵是對流動細節(jié)的機理理解并發(fā)展流動控制方法。

復(fù)合彎掠葉片設(shè)計 改變?nèi)~尖區(qū)葉片力對氣流的作用力方向和大小，使葉片流道中流場發(fā)生變化，有利于減輕葉尖區(qū)的氣動負荷，減少葉尖的泄漏流動和泄漏損失。通過復(fù)合彎掠改變?nèi)~片壓力的徑向分布，特別是抑制端區(qū)局部分離，改善各級之間的匹配關(guān)系。

端壁區(qū)流動綜合控制 考慮引氣的影響，對引氣處的葉排的攻角、落后角做相應(yīng)補償，保證級間真實匹配，對于高負荷設(shè)計時尤其重要；采用流路修型，有效降低葉型吸力面的峰值馬赫數(shù)，降低根部的逆壓梯度，進而減小根部分離的可能性；前移靜子可調(diào)葉片轉(zhuǎn)軸位置，且加大圓盤直徑，消除靜子葉片前緣的周向氣體泄漏。

泄漏流控制設(shè)計 負荷增加后，篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)所引起的泄漏流與主流的摻混對性能產(chǎn)生極大影響，通過結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化設(shè)計，如圖2所示，優(yōu)化轉(zhuǎn)子根部封嚴(yán)齒的分布及尺寸、靜子葉環(huán)技術(shù)、整體葉盤轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展，都對泄漏流起到了顯著的抑制作用。端區(qū)泄漏流的控制不僅能夠有效抑制和推遲端區(qū)分離的發(fā)生，同時也能促進對壓氣機裕度的提升。

圖2 泄漏控制技術(shù)

串列葉片 串列葉片就是把大的彎度分給兩個小葉片完成，將氣動載荷合理地分配到兩排葉片之上，后排葉片的邊界層要重新建立不會像單排葉片那樣連續(xù)地發(fā)展，阻斷前葉片尾跡的擴散，并延緩后葉片葉背邊界層的建立和發(fā)展。采用串列靜子技術(shù)，如圖3所示，增加葉排氣流折轉(zhuǎn)能力，突破高負荷靜子大氣動彎角難題，解決葉型彎角增大損失增加問題。部件試驗表明，壓氣機效率能夠提高2～3個百分點，裕度提高1.5～7個百分點。采用串列轉(zhuǎn)子技術(shù)，增加葉片做功能力和穩(wěn)定性，提高單級壓比。串列葉片只會在更高負荷的壓氣機流場內(nèi)才會比常規(guī)葉片具有優(yōu)勢。串列葉片技術(shù)進一步提高了葉型氣流折轉(zhuǎn)能力，有效拓寬葉片可用攻角范圍，提升了高負荷壓氣機的做功能力及與其他級的匹配能力。

圖3 串列靜子設(shè)計

葉型邊界層控制設(shè)計 通過在葉表設(shè)置抽吸孔/縫，將邊界層內(nèi)的低速流體抽離或者吹除，從而抑制吸力面邊界層的分離，減小葉型損失，緩解葉片通道堵塞，提高壓氣機葉片負荷，進而提高壓氣機的效率和穩(wěn)定性，如圖4所示。試驗表明，靜子邊界層抽吸可提高效率1.4～2個百分點。

圖4 靜子葉片抽吸技術(shù)

擴穩(wěn)設(shè)計 處理機匣是提升中低轉(zhuǎn)速下壓氣機裕度的有效手段，如圖5所示。通過轉(zhuǎn)子葉頂開設(shè)處理機匣，使得轉(zhuǎn)子葉頂氣流能夠在軸向壓差驅(qū)動下，進入處理槽內(nèi)再從轉(zhuǎn)子前緣附近噴出，從而改善葉尖通道的氣體流動，減弱葉尖間隙二次流動和泄漏渦的強度，改善壓氣機擴穩(wěn)效果。機匣處理結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，付出的代價是尺寸和質(zhì)量增加，所以處理機匣的處理槽與主流流動一體化設(shè)計，減小摻混損失是一個攻關(guān)方向。

圖5 處理機匣技術(shù)

高負荷壓氣機設(shè)計的發(fā)展趨勢

學(xué)科的交叉融合是未來的技術(shù)發(fā)展方向，高負荷壓氣機的氣動設(shè)計也不例外。壓氣機的氣動設(shè)計將會更加注重氣動、結(jié)構(gòu)、強度、振動等多學(xué)科的交叉融合，從先前的側(cè)重串行設(shè)計發(fā)展為交叉融合的并行一體化設(shè)計，同時需要持續(xù)提升試驗測試方面的驗證能力，對設(shè)計過程的所用模型進行校核，持續(xù)提升模型的精度，以應(yīng)對不斷增長的性能需求和設(shè)計挑戰(zhàn)，推動高負荷壓氣機設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

學(xué)科的交叉融合能力

高負荷壓氣機的設(shè)計需要涵蓋多個學(xué)科領(lǐng)域，包括氣動力學(xué)、熱力學(xué)、材料科學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。工具方法的快速發(fā)展為壓氣機交叉融合設(shè)計分析技術(shù)創(chuàng)造了條件，未來的高負荷壓氣機設(shè)計將更加注重學(xué)科之間的交叉融合，通過跨學(xué)科的合作與創(chuàng)新，獲得更好的綜合設(shè)計效果。例如，結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識可以用于優(yōu)化葉片的強度和剛度，從而減小顫振風(fēng)險；材料科學(xué)的進展可以為葉片材料的選擇提供更多可能性，對發(fā)展高葉尖切線速度奠定基礎(chǔ)。對于壓氣機內(nèi)部流動，采用流固耦合、流聲耦合、氣固熱耦合等方面的耦合分析研究，滿足顫振抑制、吞水性能提升等設(shè)計需求，實現(xiàn)壓氣機設(shè)計綜合體系能力的提升。

試驗測試驗證能力

提高試驗測試能力，不僅從對設(shè)計結(jié)果的驗證需求出發(fā)，更需要通過精細化測試加深對壓氣機內(nèi)流動機理的認識。通過大量的試驗測試研究，實現(xiàn)驗證的充分性、保真性，建立試驗數(shù)據(jù)庫，以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行歸納和總結(jié)，建立起相應(yīng)的技術(shù)系統(tǒng)。

驗證能力是體系能力提高的基礎(chǔ)。通過試驗數(shù)據(jù)校核設(shè)計系統(tǒng)中的各類假設(shè)模型，校核二維、三維仿真結(jié)果，設(shè)計系統(tǒng)、仿真軟件由此才能逐步提高其適用性和準(zhǔn)確性。

結(jié)束語

隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機對效率、可靠性和性能的要求越來越高，高負荷壓氣機氣動設(shè)計已成為未來先進壓氣機設(shè)計的重要趨勢。壓氣機的氣動性能對發(fā)動機整機性能起著至關(guān)重要的作用，更為先進的設(shè)計仿真及優(yōu)化手段的引入、更為精細的試驗測試能力的提升，將會助推新的設(shè)計理念、流動控制方法不斷向精細化發(fā)展，不斷推進高負荷壓氣機氣動設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。