高壓比高效率組合壓氣機設計技術

■ 鄒學奇 朱玲/ 中國航發動研所

中小型航空發動機廣泛采用的高壓比組合壓氣機級數進一步減少，葉輪出口的線速度和工作溫度越來越高，而氣動和結構效率將進一步提升，需要設計人員遵循產品研發的內在邏輯規律，全面提升組合壓氣機的設計技術水平。

壓氣機作為燃氣渦輪發動機三大核心部件之一，按空氣流動形式，可分為軸流壓氣機、離心壓氣機和斜流壓氣機等，如圖1所示，基本功能均是為燃燒室及其他發動機部件提供特定壓力的氣流，保證發動機在全任務包線內穩定可靠地工作。在大型航空發動機中主要采用軸流壓氣機；在中小型航空發動機中，則有多級軸流、單級離心、雙級離心及軸流+離心和斜流+離心組合壓氣機等多種結構形式。本文所述的組合壓氣機特指軸流+離心組合壓氣機，而且是單軸結構的組合壓氣機，如阿赫耶（Arriel）發動機的1級軸流+1級離心（1A1C）組合壓氣機、RTM322發動機的3級軸流+1級離心（3A1C）組合壓氣機和GE T700發動機的5級軸流+1級離心（5A1C）組合壓氣機等。

圖1 航空發動機中常見的幾種壓氣機結構形式

組合壓氣機的選取依據

軸流壓氣機通常適宜作為大流量航空發動機的壓氣機部件，單級壓比低，但效率高；離心壓氣機適宜作為中小流量航空發動機的壓氣機部件，其單級壓比高，但效率偏低。軸流+離心組合壓氣機兼顧了兩者的優點，具有相對較高的壓比和效率水平。在氣動性能上，采用組合壓氣機的內在邏輯是必須綜合考慮不同結構形式壓氣機級的做功能力、不同比轉速的最佳效率區域、不同壓氣機出口換算流量反映的“尺寸效應”大小等多因素的影響。

不同類型壓氣機級的做功能力

以H等中徑和H分別代表等中徑基準級和非等中徑級的級做功因子，以r2/r1代表不同結構形式壓氣機級的出口與進口平均半徑比值。從表1可看出，r2/r1對級的做功能力影響很大，r2/r1變化5%，其級的做功能力則相差30%～40%，可見不同流路形式的壓氣機級做功能力差異之大。

表1 葉片氣動負荷相近的不同級的做功能力對比

壓氣機級的做功能力實際上體現了其氣動負荷水平和離心力的做功大小。因此，對實際做功因子H相當的不同流道結構的壓氣機級，若r2/r1不同，則葉片的實際氣動負荷水平會相差很大。這也能很好地解釋離心壓氣機單級壓比為什么可以達到10以上、而軸流壓氣機的級壓比通常很低的內在原因。流路形式不同，軸流級和離心級的做功能力不同，而且軸流級內部各級的作功能力也不同，各部分對組合壓氣機總性能的貢獻大小也不同，如何使總的性能最佳、風險最小，又能滿足發動機總體的要求，必須仔細研究比較不同氣動布局的優缺點，根據各壓氣機級的具體情況來分配做功量，依據大量分析計算來確定具體的流路形式。

壓氣機基本級結構形式與比轉速的關系

比轉速反映了流量、葉輪角速度和壓縮總焓增的關系。比轉速從小到大，壓氣機基本級結構由離心式、斜流式逐步變為軸流式，而且對于離心壓氣機來說，存在一個最佳效率區間。因此，壓氣機基本級結構形式與所需要的流量、壓比（焓增）以及選用的轉速存在合理的對應關系，參數選擇如果出現大的偏離就會導致級性能的大幅降低。

“尺寸效應”的影響

壓氣機設計點進、出口換算流量之間的關系既包含了壓氣機主要設計指標的綜合影響，也間接反映了其尺寸的大小以及可能的“尺寸效應”。由于“尺寸效應”的影響，以及軸流級和離心級對葉尖間隙敏感性的差異，通常根據壓氣機出口換算流量大小或進口換算流量和壓比大小，可以大致確定不同壓氣機結構布局的適用范圍，如圖2所示。

圖2 壓氣機流量、壓比對壓氣機結構形式的影響

發動機功率等級的影響

壓氣機設計點進、出口換算流量取決于發動機的循環參數的選擇，決定了壓氣機流道幾何及葉尖相對間隙的大小量級，因而渦軸發動機的功率等級也可大致反映出壓氣機的結構布局特點和趨勢。從統計上看，如圖3所示，對于750kW級以下的渦軸發動機，壓氣機構型經歷了從軸流+離心，到軸流+離心與單級離心并存的發展過程，尤其是500kW級以下更加普遍地采用單級離心壓氣機；對于750～1500kW級，經歷了從多級軸流到軸流+離心，再到軸流+離心與雙級離心并存的發展過程；對于1500kW級以上，經歷了從多級軸流到軸流+離心的發展過程；總體來看，在各功率等級下，壓氣機均朝著結構緊湊化方向發展，級數越來越少。

圖3 壓氣機結構形式變化趨勢示意

不同因素的綜合考慮

航空發動機的研制是一項復雜的系統工程，具有內在的規律性：統籌策劃的系統性、自主研發的正向性、專業學科的綜合性、技術應用的成熟性、方案優化的迭代性、過程管控的科學性。壓氣機作為發動機的核心部件，其設計必須服從于發動機整機設計的內在規律。發動機是否采用組合壓氣機結構形式，需根據發動機用途及功率或推力等級、整機的經濟性和可靠性、發動機對壓氣機部件性能參數和結構的具體要求、技術繼承性、產品改進改型發展空間、目前的軟硬件條件等因素進行綜合論證。如果采用組合壓氣機結構形式，則一定是從發動機整機角度綜合權衡的一種最優選擇，而非基于設計者個人經驗和片面認識的一種選擇。

組合壓氣機的設計

從研發體系的角度，壓氣機相關設計技術分為頂層的壓縮系統（總體、方法論等）設計技術、底層的專業學科技術（氣動設計、結構設計、強度設計、熱分析、試驗驗證等）和共性的數智賦能技術（數字連續、機器學習等）?；谡蛟O計的理念，組合壓氣機以系統工程的需求管理為抓手，通過“需求的定義與分解”和“需求的驗證和確認”實現需求、設計、試驗的可追溯，采用魯棒性的集成產品開發方法，做實、做細項目論證和設計階段的工作，避免開發和試驗階段出現大的反復。前端的設計要求、中間的設計過程和最終獲得的結果同等重要，應以目標為導向，緊盯設計要求，以高質量的過程管控達成高效高質量的結果。

組合壓氣機設計要求

壓氣機研制技術要求通常包括設計、制造、取證、試驗及交付等全過程的要求，包括壓氣機功能要求、性能指標和結構完整性要求，壓氣機研制過程中應達到的質量要求、需完成的試驗項目、安裝與接口要求、取證資質要求及安全性、耐久性/維修性要求等。為滿足壓氣機功能與非功能的需求，在壓氣機設計初期需要將客戶原始需求系統全面地分解成壓氣機氣動設計要求、結構設計要求等，并貫穿到壓氣機設計各環節中，通過仿真、試驗等手段逐步驗證，最終實現從設計要求捕獲到向客戶交付符合要求產品的閉環管控。

組合壓氣機氣動設計要求主要包括穩態性能要求、穩定性要求、軸向力載荷要求、葉尖間隙要求、擴穩設計要求等。結構設計主要是實現發動機結構、保證發動機功能和可靠運行，設計過程中需要權衡考慮部件和整機性能需求、生產制造能力、考核驗證方法、采購和維護成本等因素。壓氣機結構設計基本要求主要包括：滿足性能設計所提出的各項要求，如通道面積、葉片級數、葉片型面及安裝角等；控制葉尖間隙變化，保證所設計的壓氣機在設計狀態下工作效率高；采取適當的防喘措施，保證壓氣機寬廣的穩定工作范圍；結構簡單、尺寸小、質量輕，具有良好的結構剛性和轉靜子變形協調性，以保證間隙；裝配維修方便，制造成本低；滿足強度、振動及變形要求，主要零件壽命長；能在較長時間內保持初裝時的性能，即性能衰減率小。

組合壓氣機主要設計過程

從產品角度來看，組合壓氣機作為中小流量航空發動機的重要組成部分，必須遵循產品全生命周期階段劃分的相關規定。例如，軍用產品分為論證階段、方案階段、工程研制階段、狀態鑒定階段、列裝定型階段、批量生產階段、使用保障階段等7個階段；民用產品劃分為需求分析和定義階段、概念設計階段、初步設計階段、詳細設計階段、試制與驗證階段、生產與服務階段等6個階段。從產品設計角度來看，組合壓氣機設計過程分為需求分析和定義、方案論證、方案設計、詳細設計、工程設計和試驗驗證等幾個階段。從專業學科角度來看，組合壓氣機設計包括氣動設計、結構設計、熱分析、強度設計、試驗驗證等多個環節。

設計過程中需要接受和通過相關的技術審查和決策審查，以確保所有需求已被正確定義、設計滿足需求，且全部得到驗證。決策審查主要由決策層根據產品研制團隊提交的項目的技術、費用及進度評估結果及識別的風險，作出“繼續、終止或申請調整”的決策，實施對項目的管控，避免人力、物力的浪費，或獲取外部投資方或客戶方的進度、經費調整的支持。

組合壓氣機未來發展趨勢

組合壓氣機的離心級未來可替代更多的軸流級，組合壓氣機的級數可進一步降低，提高氣動和結構效率。從產品發展趨勢來看，未來10～20年離心/組合壓氣機性能將進一步提高：單級低壓比（3～4一級）離心壓氣機，效率進一步提高，最高效率接近0.9；單級離心壓氣機最高壓比大于15，效率超過82%；組合壓氣機壓比達30～50；出口線速度將超過800m/s，這要求性能更好的輕質、高強、耐高溫合金材料。

在未來中小型航空發動機低油耗、低成本、高推重比和高可靠性需求的推動下，組合壓氣機的發展趨勢始終是在保持并盡可能改善效率水平的基礎上增加壓比，擴大失速邊界，并具備良好的性能保持、輕量化、長壽命、結構簡單和零件數少等特征。在氣動熱力方面，復合彎掠葉片設計技術、基于變系數對流擴散方程的葉片設計方法、曲率連續前緣葉型設計技術、復合彎掠離心葉輪、多重分流葉片設計技術、一體式管式擴壓器等將進一步發展。在結構和材料方面，功能、性能、強度多學科智能優化設計技術，基于新材料、新工藝的先進結構設計技術將成為未來的發展方向。

同時，基于模型系統工程的壓氣機系統設計技術和數智賦能應用技術正在高速發展。物理世界、人類認知世界、數字世界、機器認知世界將構成全新的智能世界，數據將成為4個世界連接轉換的樞紐。數據治理、數字孿生、數字連續、人工智能等技術將大力促進“數字世界”和“機器認知世界”中的組合壓氣機設計仿真技術的發展。

結束語

組合壓氣機具有高壓比、高效率的特點，是中小型航空發動機廣泛采用的壓氣機結構形式，但在壓氣機方案設計中，必須綜合考慮不同結構形式壓氣機級的做功能力、最佳效率范圍、“尺寸效應”大小，同時根據發動機用途及功率或推力等級、整機的經濟性和可靠性、發動機對壓氣機部件性能參數和結構的具體要求、技術繼承性、產品改進改型發展空間、目前的軟硬件條件等因素進行綜合論證，使其真正成為從發動機整機角度綜合權衡的一種最優選擇。組合壓氣機設計有其內在邏輯，應樹立正向設計的理念，通過“需求的定義與分解”“需求的驗證和確認”實現需求、設計、試驗的可追溯，以高質量的過程管控達成高效高質量的設計結果。組合壓氣機尤其離心壓氣機的發展需求已超出現有的設計邊界和經驗范圍，對設計提出了全新的挑戰，需要共同努力，從機理研究、基礎技術、設計方法、設計工具、材料工藝等多方面深入開展工作，盡快提升先進技術和產品成熟度，進而全面提升組合壓氣機的設計水平。