高負荷壓氣機氣動設計的思考

■ 劉太秋 王佳宇 李麗麗/ 中國航發動力所

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

現代高性能戰斗機的發展趨勢包括高能量、高生存、高效率、高殺傷、高智能和高協同，由此牽引出對發動機綜合性能整體提升的技術需求。例如，為了滿足飛機遠航程高機動性需求，需要發動機具備亞聲速巡航低耗油率、持續超聲速巡航能力、超聲速巡航高單位推力、高穩定性能力；高生存能力要求發動機拓展工作包線和高隱身能力；高效率要求發動機大功率提取能力和熱管理能力；高殺傷也需要發動機具備大功率提取能力；高智能和高協同要求發動機具備綜合性的管理控制能力。這些需求分解到發動機的壓縮系統上，則需要壓縮系統在氣動方面實現高效率、高流通能力、高穩定裕度、高壓比調節和高流量調節，在結構強度方面具備高結構緊湊性、安全性和可靠性。然而，發動機內流強耦合的技術特征，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，高穩定裕度和通流能力會影響到高效率的保持，而高壓比調節與高流量調節相互制約，且氣動性能的提升還受到結構強度方面的限制，如輪轂比、前緣厚度等均需要滿足結構強度的約束。而多級軸流式壓氣機氣動設計技術的重大突破是發動機研制重大進步的基礎[1]。隨著壓氣機負荷水平的提高，級數減少且質量更輕，但效率、穩定性、各級之間的匹配問題更為突出，對壓氣機氣動設計帶來了眾多設計難點和技術挑戰，需要發展相應的關鍵技術以適應高性能發動機技術的發展。

高負荷壓氣機氣動設計難點

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

一是量綱一（舊稱無量綱）參數組合選取范圍變窄。隨著壓氣機負荷系數的增加，在相同的流量系數下，壓氣機的效率和裕度有所降低。采用增加流量系數的措施導致軸向馬赫數的增加，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速下進口級流量系數的變化較大，以及出口級負荷系數變化范圍大的矛盾更為突出；在每級內部，隨著平均級壓比提高帶來的進口馬赫數提高，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，設計容差小，要求對各級匹配精準把控，精細化設計。因此，需要進行級壓比的合理分配，并同流路的調整相呼應，充分發揮各排葉片的做功能力，否則很容易產生匹配偏差，導致壓氣機做功能力不足，效率或裕度不達標。

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

四是高負荷導致端壁二次流的敏感性更強，且更難于控制。各級轉子、靜子負荷高，根部氣流轉折角更大，負荷水平更高，氣流折轉實現難，可用攻角范圍通常減小，特別是靜子根部情況更嚴重；轉子尖部由于葉尖馬赫數高、存在泄漏流等影響，也處于非?？量痰墓ぷ鳝h境。高負荷壓氣機設計一般采用小展弦比設計，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鍵區域。

高負荷壓氣機氣動設計關鍵技術

為了解決上述設計難點，從壓氣機的設計流程出發，在一維、二維和三維設計這3個環節中，要關注的高負荷壓氣機氣動設計技術有如下幾個方面。

一維設計技術

一維設計是壓氣機氣動設計的開端和基礎。通過一維設計確定壓氣機的氣動布局框架，初步確定轉速、級數、流路、壓比及預旋等關鍵參數分配。一維設計主要依托早期大量試驗統計分析形成的經驗關聯。隨著負荷水平提高，參數選擇超出已有選取范圍，對經驗參數進行校準并進行一維優化設計，從而獲得高負荷氣動布局基礎框架。針對不同類型和需求的壓氣機技術指標，尤其需要注意對軸向速度和加功系數的選擇。例如，對航空發動機的軸流壓氣機，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。在加功系數選取時，需要兼顧設計轉速和非設計轉速的壓氣機性能。各級的加功系數一般采用兩頭低中間高、且出口級加功系數仍大于進口級加功系數的分布，這樣的加功系數分布對于高負荷壓氣機可能更合理。

隨著人工智能等技術的發展，越來越多的優化設計技術開始逐步應用到壓氣機氣動設計中?；谛阅芷ヅ涞膮捣植冀涷?，利用一維程序快速便捷的特點，與優化程序相結合，對負荷系數、預旋、軸向速度等參數進行優化設計，獲得符合技術指標需求的壓氣機布局基本框架。

二維設計技術

二維設計是壓氣機設計的核心。在一維框架布局的基礎上，對壓比、效率、攻角、落后角等參數的徑向分布進行優化和匹配設計，確定流道和各排葉片的基本氣動參數，通過葉型設計實現通流葉型設計參數的分布，最終確定二維通流設計。隨著負荷水平不斷提高，擴散因子、氣流轉角等參數都超出了傳統經驗范圍，關鍵還是模型要素關聯及適用范圍的確定，特別是De Haller數、擴散因子等與馬赫數的關聯，所以這個環節流場參數匹配優化和精細化葉型設計成為影響壓氣機發展的關鍵技術。

流場參數匹配優化 優化沿流線氣動熱力參數的分布，如反力度、擴散因子、速度分布、負荷分配等，將主要參數控制在經驗范圍內，超出經驗范圍的參數進行詳細設計和評估。二維正問題分析一般可以快速評估各參數在不同工況下的徑向分布，根據設計需求對設計參數進行反復精細化調節，以得到平衡各設計需求的折中方案。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性仍需進一步發展，對參數的合理性評估等通常還需要增加三維計算流體力學（CFD）仿真。

低損失基元葉型技術 轉子葉型設計須適應超／跨聲速來流條件，一般會在前面級引入預壓縮葉型設計，解決設計點激波損失大的問題，但是這種預壓縮需要合理設計，否則會對低轉速性能產生負面影響；靜子葉型需進行大彎角設計。采用橢圓和連續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，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 前緣形狀設計對壓氣機性能的影響

三維設計技術

目前三維設計主要功能是實現壓氣機性能校核與優化。隨著負荷水平不斷提高，轉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措施，關鍵是對流動細節的機理理解并發展流動控制方法。

復合彎掠葉片設計 改變葉尖區葉片力對氣流的作用力方向和大小，使葉片流道中流場發生變化，有利于減輕葉尖區的氣動負荷，減少葉尖的泄漏流動和泄漏損失。通過復合彎掠改變葉片壓力的徑向分布，特別是抑制端區局部分離，改善各級之間的匹配關系。

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

泄漏流控制設計 負荷增加后，篦齒封嚴結構所引起的泄漏流與主流的摻混對性能產生極大影響，通過結構改進和優化設計，如圖2所示，優化轉子根部封嚴齒的分布及尺寸、靜子葉環技術、整體葉盤轉子技術的發展，都對泄漏流起到了顯著的抑制作用。端區泄漏流的控制不僅能夠有效抑制和推遲端區分離的發生，同時也能促進對壓氣機裕度的提升。

圖2 泄漏控制技術

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地發展，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展。采用串列靜子技術，如圖3所示，增加葉排氣流折轉能力，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。采用串列轉子技術，增加葉片做功能力和穩定性，提高單級壓比。串列葉片只會在更高負荷的壓氣機流場內才會比常規葉片具有優勢。串列葉片技術進一步提高了葉型氣流折轉能力，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 串列靜子設計

葉型邊界層控制設計 通過在葉表設置抽吸孔/縫，將邊界層內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

擴穩設計 處理機匣是提升中低轉速下壓氣機裕度的有效手段，如圖5所示。通過轉子葉頂開設處理機匣，使得轉子葉頂氣流能夠在軸向壓差驅動下，進入處理槽內再從轉子前緣附近噴出，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，改善壓氣機擴穩效果。機匣處理結構簡單，易于實現，付出的代價是尺寸和質量增加，所以處理機匣的處理槽與主流流動一體化設計，減小摻混損失是一個攻關方向。

圖5 處理機匣技術

高負荷壓氣機設計的發展趨勢

學科的交叉融合是未來的技術發展方向，高負荷壓氣機的氣動設計也不例外。壓氣機的氣動設計將會更加注重氣動、結構、強度、振動等多學科的交叉融合，從先前的側重串行設計發展為交叉融合的并行一體化設計，同時需要持續提升試驗測試方面的驗證能力，對設計過程的所用模型進行校核，持續提升模型的精度，以應對不斷增長的性能需求和設計挑戰，推動高負荷壓氣機設計技術的創新和發展。

學科的交叉融合能力

高負荷壓氣機的設計需要涵蓋多個學科領域，包括氣動力學、熱力學、材料科學、結構力學等。工具方法的快速發展為壓氣機交叉融合設計分析技術創造了條件，未來的高負荷壓氣機設計將更加注重學科之間的交叉融合，通過跨學科的合作與創新，獲得更好的綜合設計效果。例如，結構力學的知識可以用于優化葉片的強度和剛度，從而減小顫振風險；材料科學的進展可以為葉片材料的選擇提供更多可能性，對發展高葉尖切線速度奠定基礎。對于壓氣機內部流動，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、吞水性能提升等設計需求，實現壓氣機設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，不僅從對設計結果的驗證需求出發，更需要通過精細化測試加深對壓氣機內流動機理的認識。通過大量的試驗測試研究，實現驗證的充分性、保真性，建立試驗數據庫，以試驗數據為基礎進行歸納和總結，建立起相應的技術系統。

驗證能力是體系能力提高的基礎。通過試驗數據校核設計系統中的各類假設模型，校核二維、三維仿真結果，設計系統、仿真軟件由此才能逐步提高其適用性和準確性。

結束語

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