串列葉片技術及其在航空發動機離心葉輪上的應用研究

■ 吳悠 余佳 曹逸韜/中國航發動研所

串列葉片技術具有氣流轉角大、總壓損失小及工作范圍寬廣等優點，是一種能有效提升壓氣機載荷的被動流動控制方法。目前，串列葉片技術在軸流壓氣機上的研究比較深入且工程上已經有很多應用，而在離心壓氣機尤其是離心葉輪上的應用還有待進一步展開。

串列葉片技術概況

串列葉片的概念最早來源于飛機的機翼。早在20世紀20年代初，阿爾伯特·貝茨(Albert Betz)提出采用開縫式機翼來取代傳統機翼，使氣流偏轉由原先一個完整的機翼來承擔改由機翼的幾個部分來實現，從而使機翼表面的邊界層流動分離推遲發生，大幅增加了機翼的升力[1]。串列葉片技術在壓氣機上的應用可以追溯到20世紀40年代的軸流壓氣機。關于軸流壓氣機的串列轉子及串列靜子的一系列理論與試驗研究，在一定程度上證明了串列葉片技術是使軸流壓氣機達到較高的級壓比的有效方法。在一單級高負荷風扇靜子的基礎上引入串列靜子進行改型設計如圖1所示，可以看出與單排靜子相比，串列靜子的吸力面邊界層分離范圍大幅減小，靜子通道內激波強度得到減弱，使得峰值效率點級壓比提高了2%，級絕熱效率提高了2.9個百分點[2]。串列葉片技術在航空發動機軸流領域已經有廣泛的應用。例如，在阿都斯特、透默ⅢC、J85、威派爾522、AL-31F等發動機中作為軸流壓氣機的末級靜子；在JT15D、阿杜爾、J69、JT8D、CF6-6、CFM56等發動機中作為末級風扇的靜子；RD-33渦扇發動機壓氣機的第4級靜子和第9級靜子均使用了串列葉片技術，確保了壓氣機內部流場的穩定，有效地提升了其綜合性能。除此之外，GE公司的J-79發動機的靜子與波音公司的360直升機中AL5512發動機的轉子也采用了串列葉片結構。

隨著串列葉片技術在軸流壓氣機上的應用，研究人員也開始考慮將該技術用于離心壓氣機的設計中。但相比于軸流壓氣機，串列葉片技術在離心式葉輪機械上的應用研究開展得不多，但對串列葉片擴壓器的研究取得了相對較好的效果，例如，中國航發動研所在一組合壓氣機離心級的徑向擴壓器設計中采用串列式葉片，效率提高了1.0%以上；在一渦槳發動機離心級的軸向擴壓器上也使用了串列葉片技術，有效改善了壓氣機的性能。

圖1 50%葉高馬赫數等值線對比

圖2 串列葉輪三維結構圖

相比于在軸流壓氣機或離心壓氣機的徑向擴壓器與軸向擴壓器的應用，串列葉片技術在離心葉輪的應用會有難度。在當前航空發動機中被普遍采用的半開式葉輪子午流道狹長且折轉迅速，受到葉輪高速旋轉、壁面曲率變化和葉尖間隙等因素的影響，其內部流動極為復雜，存在著分離、回流、葉尖泄漏流及射流尾跡等各種流動結構。隨著離心壓氣機壓比的不斷增加，葉輪逐漸由高壓亞聲速葉輪發展為高壓跨聲速葉輪，除了引入較大的激波損失外，激波還會和邊界層及各種渦系相互作用，進一步增大損失，減小離心壓氣機的效率和穩定工作范圍。

圖3 氣動設計流程圖

總的來說，串列葉輪的引入是否能夠提升離心壓氣機性能還未達成一致的結論，并且目前還沒有設計準則來指導帶串列葉輪的離心壓氣機設計。

串列離心葉輪的研究進展

離心壓氣機廣泛應用于渦軸/渦槳發動機、小型渦噴/渦扇發動機及輔助動力裝置（APU）中。在離心壓氣機葉輪的設計中使用串列葉片技術，與軸流壓氣機的串列轉子一樣有望起到改善性能的作用。串列葉輪的三維結構如圖2所示，為了便于表述，將串列葉輪的前排葉片稱為誘導輪（Inducer），后排葉片稱為導出輪（Exducer）。

美國國家航空航天局（NASA）的劉易斯研究中心在20世紀70年代設立了一個在葉輪和葉片式擴壓器上使用串列葉片技術的先進離心壓氣機試驗研究項目[3]，所設計的帶串列葉輪的離心壓氣機在設計轉速（80000r/min）的峰值效率為0.765，峰值效率點的壓比為5.9，其中串列葉輪的峰值效率為0.813。美國于1988年開始實施綜合高性能渦輪發動機技術（IHPTET）計劃，在計劃的第一階段開展了串列葉輪研究，在第二階段利用串列葉輪的研究成果進行新型高性能組合壓氣機的研究并取得重大進展。

中國航發動研所是國內首個系統性開展串列葉輪研究與試驗工作的單位，以一型航空發動機的離心壓氣機為背景，利用自主開發的設計軟件，在保持離心葉輪子午流道和葉輪直徑等幾何條件不變的情況下完成了串列葉輪的設計，采用存量壓氣機試驗件資源，改進設計了串列離心壓氣機試驗件進行性能試驗研究，以考察串列葉輪對離心壓氣機性能的影響。串列葉輪的氣動設計流程圖與實物圖如圖3和圖4所示。試驗結果表明，在流量、壓比均保持相當水平的前提下，采用串列葉輪的離心壓氣機整級效率比常規葉輪提高了1.0%。

圖4 串列離心葉輪實物圖

通過對比串列葉輪的研究成果發現，在一些研究中串列葉輪的引入能夠提高葉輪效率，在另一些研究中串列葉輪的引入反而降低了常規葉輪的效率。但這些研究都普遍認為串列葉片技術能夠改善離心葉輪出口的流場品質。中國科學院開展的常規葉輪與串列葉輪出口子午速度分布的對比研究如圖5所示[4]，從圖中可以看出，常規葉輪出口流場很不均勻，存在較為顯著的射流尾跡結構。射流與尾跡之間存在著動量與能量的交換，產生很大的摻混損失，同時導致下游徑向擴壓器的進氣條件十分惡劣。相比之下，串列葉輪出口射流尾跡區的范圍與強度明顯減小，流場相對比較均勻，從而有利于改善葉輪與擴壓器之間的匹配，提高徑向擴壓器的性能。在該研究中，串列葉輪的引入使離心壓氣機級的綜合裕度和峰值效率較常規葉輪分別提高了1.3%和1.4%。

國內外研究普遍認為，串列葉輪誘導輪和導出輪的相對周向位置對離心壓氣機性能有較大的影響，但是研究得出的最佳相對周向位置卻不盡相同。例如，德國宇航中心認為導出輪距誘導輪壓力面27%葉片柵距時，壓氣機的喘振裕度最大[5]；普惠加拿大公司、西安交通大學認為導出輪距誘導輪壓力面分別為25%[6]、15%[7]葉片柵距時葉輪出口流場最均勻，沒有周向偏置時葉輪的壓比、效率最高；中國科學院和中國航發動研所均認為導出輪距誘導輪壓力面25%葉片柵距時壓氣機級的性能最佳[4]。通過整理發現當導出輪距誘導輪壓力面大于50%葉片柵距時的相對周向位置對葉輪性能的提升沒有幫助，也就是說誘導輪不能太靠近導出輪的壓力面。中國科學院的研究人員認為，在這種情況下誘導輪尾跡產生的低能流體會在導出輪壓力面積累而導致流動分離，增加葉輪內部的流動損失[4]；由于葉輪與擴壓器之間存在著強烈的動靜干涉現象，追求葉輪的最優性能并不一定能保證部件耦合得到的整級性能最優。因此，在壓氣機整級環境中對誘導輪與導出輪的相對周向位置進行合理選擇與優化是非常有必要的。

圖5 葉輪出口流場對比

串列離心葉輪的研究展望

提升壓比

目前，關于串列葉輪的研究主要集中于壓比較低的離心壓氣機，其離心葉輪一般為亞聲速葉輪。隨著離心壓氣機設計技術的進步以及新結構、新材料和新工藝的不斷發展，單級離心壓氣機的壓比大大增加，壓比可達8.0甚至8.0以上。例如，法國賽峰集團的阿赫尤1和美國霍尼韋爾公司的131-9D的壓比為8.0左右，賽峰集團的阿赫尤2K1的壓比為9.5，日本三菱重工的MG5-100的壓比為11.0，烏克蘭馬達西奇公司的MS-500壓比高達11.5。因此，有必要探索串列葉輪在高壓比跨聲速離心壓氣機上的設計方法與實際應用。另外，目前僅在單級離心壓氣機上研究串列葉輪，在軸流—離心組合或雙級離心等壓氣機上還有待研究。

以誘導輪的設計為突破

由于串列葉輪誘導輪的結構形式與軸流轉子相似，并且隨著壓氣機負荷越來越高，離心葉輪葉尖進口馬赫數不斷增大，在誘導輪的設計中可引入先進的高負荷軸流壓氣機葉片設計方法。例如，中國科學院的研究人員就選擇了多圓弧葉型并使用預壓縮設計來適應高葉尖進口馬赫數[4]。此外，還可采用任意中弧線分布形式疊加葉型厚度的方法以期獲得更好的效果，通過中弧線的走勢控制葉片載荷沿弦長方向的分配并影響流場中的激波形態分布，不同的葉片厚度分布決定了葉型型面的曲率，影響葉型表面靜壓分布。需要注意的是，為了保證縫隙流道的形狀，誘導輪在三維造型時須使用尾緣積疊，可能會存在強度和振動方面的問題。

圖6 串列葉輪葉片角優化前后對比

采用自動優化系統

傳統的改進設計方法為獲得理想的優化結果需要設計者經過多輪的“手動調整+三維計算驗證”迭代，效率較低且有一定的局限性。隨著計算機技術的高速發展，將優化算法與計算流體力學（CFD）技術相結合的方法應用于壓氣機氣動優化設計，能在很大程度上緩解該問題。西安交通大學在串列葉輪上使用了該技術[7]，其優化結果表明減小誘導輪葉根葉片型線曲率、誘導輪葉尖S型葉片角分布及增加導出輪尖部前緣葉片角可有效提高串列葉輪的壓比和效率，優化后串列葉輪的葉片角分布與實物圖分別如圖6和圖7所示。試驗結果顯示，優化后串列葉輪的壓氣機級設計轉速（45000r/min）的峰值效率為0.796，喘點壓比為2.76。

圖7 優化后串列葉輪實物

非定常流動研究

研究表明，離心壓氣機的內部流場不僅在空間上非常復雜，在時間上也表現為強非定常。這種非定常性會對離心壓氣機的效率、運行工況范圍和穩定性等氣動性能產生較大的影響[8]。在帶有串列葉輪的離心壓氣機內，由于誘導輪和導出輪之間幾何位置相鄰較近，在誘導輪與導出輪之間的間隙處，非定常效應不僅強烈而且復雜，其流動規律、干擾機理以及對性能和結構的影響均與單列動—靜葉片排為干擾源的非定常流動不同，目前在串列離心葉輪上還未有非定常性的相關研究。

結束語

與傳統的單列葉片相比，串列葉片的結構復雜性增加，設計難度較大且加工也變得更加麻煩。盡管如此，串列葉片技術帶來的優勢卻不能被忽視，尤其是在離心葉輪上，串列葉輪的效果還沒有完全發揮出來。經過精細設計前、后排葉片的葉型并合理安排其布局方式，串列葉片技術有望使離心式壓氣機的載荷水平更上一個臺階。

(吳悠，中國航發動研所，助理工程師，主要從事航空發動機壓氣機氣動設計研究)