航空發動機壓氣機設計技術發展探討

航空發動機風扇壓氣機設計技術概述

現代戰爭以及民航運輸的需要，對飛行器動力裝置的推重比等性能提出了更高的要求。對航空發動機壓縮系統而言，用更少的級數、更高的負荷及效率、更輕的重量及結構緊湊的風扇壓氣機實現設計是各發動機公司持續追求的目標。

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

壓氣機技術涉及氣動熱力、結構強度、材料、制造工藝和試驗測試等眾多學科，是技術密集多學科綜合的專業。高壓壓氣機主要設計特點是，壓氣機級數多，氣流流動在高的逆壓力梯度下進行，要使其高效、穩定工作極其困難，它存在壓氣機全轉速范圍內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動機全壽命周期及全過程的使用；對軍用航空發動機而言，其飛行包線遠較民用發動機寬廣，工作環境更為惡劣，設計難度就更高。高壓壓氣機的研制技術水平高低極大地影響著燃氣渦輪發動機產品性能的優劣，是公認的航空發動機性能設計最難之處。由于高壓壓氣機設計的重要性，西方航空發達國家無不注重壓氣機技術的發展，加速競爭的態勢促進了技術創新的步伐，并推動了航空發動機技術的進步。

航空發動機壓氣機設計新技術及發展趨勢

在航空發動機發展過程中，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動機可靠性的前提下，對發動機各部件的性能、結構緊湊性和重量提出了更高的要求，對壓氣機來說，輕質、高性能成為設計人員持續不斷追求的目標，也使得壓氣機設計的新方法、新結構、新材料不斷涌現。

先進的計算流體力學（CFD）技術

從上世紀90年代至今，對現代航空發動機壓氣機設計影響最大的一項技術首推先進的計算流體力學（CFD）技術。90年代以前，航空發動機壓氣機設計的基礎為準三維設計，90年代后世界各發動機公司和研究機構則逐漸將CFD技術融于設計體系。發展過程中，技術推動使全三維CFD技術逐漸地由定常流向非定常流模式轉變，由正問題分析向反問題設計轉變，從以提高壓氣機性能為主，發展到預報葉片顫振穩定性和葉片強迫響應高周疲勞問題的解決，全面融入壓氣機設計并日益影響著壓氣機研發的全過程。得益于全三維CFD技術的發展，壓氣機設計領域發展的彎掠葉片、大小葉片等多種先進設計技術和氣動布局，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，在采用常規技術的壓氣機設計中，準三維設計體系仍然是設計的核心，全三維CFD技術作為設計的一個重要基礎或者校核工具；對于未來高負荷的風扇壓氣機設計，原有的準三維設計形成的經驗和準則或許存在適用性問題，同時，隨著對全三維CFD技術認識的加深和設計軟件的進一步校核完善，其對壓氣機設計工作指導作用日益凸顯，可縮短研制周期，降低研制成本和風險。

先進的壓氣機氣動設計技術

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

前掠葉片和后掠葉片是現代航空發動機上廣泛采用的又一個主要的風扇、壓氣機葉片設計技術。前、后掠葉片技術實質是通過新型三維氣動布局實現流動控制，提高壓氣機負荷、效率和氣動穩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計成與來流方向有一個較大的夾角，降低來流馬赫數及削弱葉片槽道內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定性好的特點。因此，研究人員常用復合前后掠的方法進行設計，在葉片中上部至80%的半徑高度區域采用后掠設計，提高效率，在葉片的葉尖區域采用前掠設計，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計，也可用于轉子，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域增加一排小葉片來控制氣流在后段的分離，實現葉片彎角增加和負荷的提高，該技術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以上的具有發展潛力的技術，為國內外壓氣機研發的一個熱點技術。大小葉片技術進入工程應用的關鍵是，實現設計點和非設計點性能的綜合優化，解決相關的結構強度和多級壓氣機的級間匹配問題。

吸附式風扇壓氣機設計技術是近10多年來發展并有望用于下一代航空發動機的高負荷壓氣機設計技術。其主要優勢是能夠較大的提高級負荷，改善工作穩定性或適用性。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。目前吸附式風扇實現的單級壓比達到3.5，遠高于其他的高負荷風扇設計技術達到的水平，但其主要弱點是其抽吸系統復雜和存在結構強度等技術難題。下一步，將自適應概念和吸附式風扇/壓氣機技術結合有望實現工程上的應用。自適應吸附式風扇/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，避免采用復雜抽吸系統，同時，自適應抽吸的高能量氣體從葉尖噴氣排出，用于密封及改善流動，達到提高風扇的效率和氣動穩定性的目的。

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計技術等從方法原理上來說它還是一個葉片氣動布局的設計技術，有了葉片氣動設計布局，還得選擇不同的葉型設計技術來完成葉片設計。伴隨著對壓氣機高性能的追求，傳統的低速葉型和“標準”葉型已經無法滿足高馬赫數、高負荷環境下的葉片設計，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），其方法本質系采用數學樣條曲線來構造任意彎度的葉型中線，通過葉柵槽道內流場參數的匹配，實現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，使之產生特定設計要求的、三維流動得到良好控制的、承載能力強、效率高、氣動穩定性好的葉片。

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

圖1代表了近年來壓氣機葉型設計方法進步使得壓氣機在高馬赫數環境下級負荷提高和效率的變化趨勢。圖2代表航空發動機方法進步和壓縮系統總壓比發展趨勢。

先進的壓氣機結構、材料和制造技術

在壓氣機先進設計方法帶來壓氣機性能持續提高的同時，先進結構、材料和制造技術的應用大大促進了高性能壓氣機和先進發動機的研制。經過多年的研究和發展，樹脂基復合材料、金屬基復合材料和金屬間化合物已經成為航空渦扇發動機風扇/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的創新結構主要包括以下幾種。

壓氣機寬弦葉片，由于采用空心結構（稱為空心葉片），加之整體葉盤結構和輕質高強復合材料等技術的應用，質量減輕，解決了實心葉片本身以及盤等質量過大的問題，對振動特性也有改善。

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

整體葉環，即利用金屬基復合材料密度低、強度高、高溫性能好、剛度大等優點，并在整體葉盤的基礎上去掉輪盤后進一步發展起來的金屬基復合材料整體結構。整體葉環減重效果為常規設計的70%，其減重的同時，對性能和結構可靠性也有提升。目前，整體葉環技術成熟度低，加之工藝復雜和成本因素，距工業化應用還有距離。

復合材料葉片，該結構已經在航空發動機上得到較好應用，它采用專項工藝將中長纖維、環氧樹脂及鈦合金薄片融合一體形成，葉片輕質高強，具有成本低、抗振（抗顫振）性能好、抗損傷能力強等特點。

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

風扇壓氣機設計技術發展應用情況和認識

通過多年的航空發動機預研與型號發展，中國燃氣渦輪研究院在風扇/壓氣機設計技術方面開展了大量的研究和試驗驗證工作。在氣動設計方面，掠彎寬弦葉片設計技術、全三維CFD技術等已經成功用于型號發動機研制工作，處理機匣、吸附式葉片、大小葉片，串列轉子、核心機驅動風扇等技術也經過初步探索研究或驗證；在結構設計方面，驗證了整體葉盤等結構形式并用于產品研制，設計整體葉環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第一臺渦扇發動機用七級高壓壓氣機，設計性能達標，喘振裕度超過壓氣機的設計技術要求，和國際上同時期的七級高壓壓氣機性能水平相當，該設計獲得了國家科技進步獎。從那時起，通過國家的各項預研計劃安排和型號需求，我們研制航空發動機用的風扇、增壓級及高壓壓氣機覆蓋航空發動機的推力量級從小到數百千克至大到1萬千克以上。研制軍民兩用的不同流量、壓比指標的風扇、增壓級及高壓壓氣機多達數十臺。

1995年，在全三維CFD技術發展之初，中國燃氣渦輪研究院研制成功一臺中等推力級渦扇發動機用三級風扇，在流量和喘振裕度達標的同時，最高效率達到0.88左右，這是國內首臺采用全三維CFD技術輔助設計的風扇部件。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的高負荷前掠風扇。其結構特點是采用了碳纖維復合材料環繞制的帶箍整體葉盤結構，葉片應力低，抗顫振性能好，葉盤重量只有常規設計的50%左右，圖4為該二級風扇整體葉盤照片。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。

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

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

2010年前后，通過某探索項目的支持，我們創新采用一種新流型設計技術，針對小推力級發動機壓氣機，將原六級壓氣機實現的總壓比用四級完成，設計非常成功，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動機行業的重視和發展需求，我們跟蹤國際上先進技術的發展，自主創新，并得益于數10臺不同推力量級航空發動機的風扇、壓氣機設計試驗研究，中國燃氣渦輪研究院壓氣機專業建立起了風扇壓氣機設計體系，包含有設計軟件、流程、規范、標準和數據庫。研發的部分風扇、高壓壓氣機成功用于多個發動機型號的發展。

設計全新的壓氣機非常難。設計一臺氣動性能達標的壓氣機相對容易，但要設計性能達標，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研發成功的壓氣機基礎上不斷改進，根據新研的發動機推力性能等要求對壓氣機進行縮放和加減級，強調效率、加減速性、氣動穩定性和間隙控制的重要性，強調葉片振動對高周疲勞壽命影響等。

雖然我們在航空發動機風扇/壓氣機領域取得了較大的進展，但受制于航空發動機固有的研發難度、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動機研發平臺相比，同其完善的設計體系、流程和規范以及嚴謹的技術標準和過程控制相比，我們還存在較大的差距。加之航空工業的核心技術買不來，堅持自主創新、自主研制將是我們唯一的選擇。當國家將航空產業上升到戰略層面來考量并加大投入、重新布局的時候，當國家將科技創新作為新時期發展國策的時候，當我們集行業研發合力于一體的時候，我們的風扇/壓氣機，我們的航空發動機及航空工業都將迎來全新的發展時期。