商用航空發動機高效率壓縮系統的設計特點與技術發展

去年年底，在2016商用航空發動機上海國際論壇上，來自北航航空發動機數值仿真研究中心的桂幸民先生對航空發動機壓縮系統的發展進行了回顧，并介紹了三維設計的特點及今后發展的趨勢。

桂幸民先生在2016商用航空發動機上海國際論壇上發表演講

壓縮系統

航空發動機壓縮系統主要由風扇、增壓級（中壓壓氣機）和高壓氣機構成。在35年間，GE公司從最初利用17級產生12.5的壓比開始實現了巨大的技術跨越。中國航空工業沒有這么多時間在應用中逐步再現這種跨越。

桂先生指出：“GE公司所經歷的途徑，從17級實現12.5的壓比、14級實現12的壓比，到9級實現11乃至18的壓比，這一個不斷應用、改進、更新以及新設計概念注入的過程，卻是我們技術發展的必由之路。我們現在要想實現非常高的效率、非常高的壓比，就必須通過大量的實踐、快速的實踐，來獲取這種技術的進步?！?br/>
“這樣一種級壓比的特征，從早期的1.2的平均級壓比，發展到GE90在1 .37-1.48所具有的平均級壓比，再往后走，有沒有機會跟隨美國第五代計劃達到1.5以上，還能不能再往下走？可以說非常困難，因為這樣一個級壓比特征，在工程上已經到了極限?！边@意味著，不管是商用發動機還是軍用發動機的推重比，都不可能按照線性特征無限增長。從這個角度來說，現在發動機的級數跟推重比的關系并不像早期那樣直接。

因此，要獲得更輕、更小但能產生或保持更大推力的發動機，材料、結構特征以及制造因素非常重要。為什么級壓比不能無限增長呢？“這是因為我們的擴壓能力有限，與此同時，高負荷的壓氣機特性，一定會對級效率及等級壓氣機壓縮部件的效率有非常大的幫助。適當的級負荷，使我們既能有足夠大的裕度，又能有非常好的效率范圍，使經濟性得到大幅度的提升。”桂先生表示。

為什么效率對發動機產生很大的影響？在航空發動機中，小尺寸、大推力直接表現為單位流量所能轉換的能量比例，這一比例與壓氣機的效率變化存在直接關系。對于商用大涵道比航空發動機，高效率的設計十分有利于核心機比推力的上升。這樣，我們的迎風面積就可以大幅度減小，迎風阻力也可以大幅減小，飛機的適應性就得到相應提升，這就是現在飛機設計中所謂高負荷高通流設計的最基本的概念。

從效率提升方面來說，是不是會有一個極限呢？RR公司的評估表明，基本上到了Trent 1000以后，效率提升的機會就不大了?！皬倪@個角度來說，我們只要去努力，很快就能夠在這個區域中實現高壓壓氣機風扇增壓級的提升，進入第一集團。實際上經過這兩年的努力，進步的階梯已經逐漸搭起來了，只要穩步向前，可能只需要10到15年就能完成跨越?！惫鹣壬f。

如何實現效率的提升？RR公司給我們展現了風扇葉片效率的發展及其所依靠的技術途徑?！拔覀兛吹?，效率的提升源自幾何構型的三維化。從70年代末到2005年間取得的發展主要在兩個方面，一是取消了不該有的幾何特征，比如會產生很大阻力的凸肩，從而使效率得到了大幅提升。第二是彎掠，就是所謂的葉片幾何的構型三維化?！?br/>
在這一過程中，CFD（三維數字模擬）本身所取得的進步很小。也即，帶來根本性改變的最關鍵因素并非工具而是設計思想，是對流動的認識、把握和準確的控制。這樣一種變化，不但在RR公司，而且在GE、普惠都有體現。進入三維化以后，就有無窮多的選擇，從2004年到2008年就產生了變化，到2010年葉片又有新的變化，那么三維為什么會起這樣的作用呢？

談到壓縮系統流道與葉片設計工具，葉型設計始于40年代，一維設計始于50年代，而到70年代才真正產生了二維與準三維設計。直到目前，葉片成型所具有的流道特征及葉型特征依然是基于二維或準三維設計。到90年代，隨著三維數字模擬技術的發展，產生了三維設計，形成彎掠葉片。但在缺乏先驗性試驗調試的情況下，通常會導致錯誤設計。三維多級設計始于2000年，尚不能提供高精度設計工具，必須通過試驗調試才能實現現代多級彎掠葉片的設計。桂先生表示：“所以三維設計工具，并不能取代二維和一維設計，因此，我們對工具的使用一定是分層次的。當然為了適應馬赫數，需要大量原始葉型的數據積累，逐步發展到對應不同馬赫數，采用定制葉型設計?！?br/>
三維設計的特點

NASA主持的E3（Energy Efficient Engine）研究計劃，以及Dr. Wennerstrom提出的小展弦比、高通流與高負荷的設計概念共同推動了壓縮系統三維設計的技術革命。而小展弦比、高通流與高負荷的設計概念，形成了現在的“全三維”葉片所具有的特性。此后，三維設計就具備了總體概念的特點，從而帶來一些參數。而這些參數是否準確可行，通常是基于過去所積累的經驗。

伴隨著三維設計的發展，氣動彎掠進入高性能時代，包括高負荷、大流量和高效率。對效率的追求也達到前所未有的高度，這就必須用更復雜的幾何特征去產生如此高效率的整體葉型?！叭欢^度復雜的葉片幾何特征必然導致應力、振動、顫振及可靠性方面不足。因此，必須對彎掠氣動機理進行細致研究，從而在保持掠葉片所具有的氣動性能優勢的前提下，盡量降低葉片空間的幾何復雜性?！?桂先生指出。

那么，彎掠到底起什么作用？先讓我們來回顧一下三維設計。早期的時候，試圖進行無激波設計，也就是說設計思想走向了極端，其結果是完全失敗，但這并不代表毫無價值。在無激波設計失敗的教訓基礎之上，究竟該如何控制激波，產生彎掠呢？美國空軍做了大量試驗，實驗結論總結起來包括：降低激波強度和激波邊界層干擾；降低葉尖前端氣動負荷；減少葉尖葉片表面邊界層累積；擴展失速裕度。

所有這一切在葉型的基礎上把流動控制推向了三維層面。后掠上有一個非常強的優勢，即流量通過能力強。所以現在的葉片大部分都采用彎掠，有后掠，也有前掠。在這樣的情況下，就可以將早期的一些特性概念大為拓展，其所產生的局部的影響對于局部的流動控制通過掠、彎就可以實現。

憑借一些三維數值模擬手段，在很多參數不變的情況下，我們對于這種控制進行了比較，很能說明問題。當用直的前緣，分別包括前掠的前緣、后掠的前緣、或后掠加前掠的前緣來構成這樣一個流動，來產生這樣一個特性的時候，我們又發現，在95%葉高的條件下，后掠在折合流量沒有多大變化的情況下，迎角發生了巨大的變化。但是如果采用前掠，我們可以看到，整個尖部的迎角在全流量范圍內變化很小。這就是為什么掠能提升彎掠葉片所具有的域。而在70%葉高的條件下，我們可以看到，如果采用后掠葉片的話，葉中區的流量通過率會一直維持在比較高的層面上。但是如果采用前掠的話，流量通過率就非常小。這也就是對于需要大流量產生大推力的風扇必須要產生很強的后掠，來使得整個流量的通過率上升。這樣，在同等面積下，推力就更大。

桂先生表示：“所以，我們認為早期所具有的三維激波控制或無激波的流動控制并不表示掠的特性一定由它來影響，而是由整個徑向平衡受力所產生的。這種平衡的改變，使得整個設計特征在幾何發生三維空間變化時的需求可以分區進行規劃與設計，而不是僅僅看到三維數字模擬的結果來做設計。第二，三維的方法有助于設計師對葉片、彎掠葉片的理解和預測。第三，周向脈動的特性由一些設計參數控制，如葉片氣動負荷分布及其厚度。掌握其影響規律有益于設計師進行彎掠葉片迎角的設計。”

最后，彎和掠具有同等效應，以上就是我們在過去彎掠研究的基礎上所做出的一點貢獻。在此基礎上，就可以沿著前面的思路，設計出更大的風扇，從中根部、彎掠產生改變。同時，除氣動問題外，有關聲學、結構、傳動以及可靠性方面的問題同樣需要加以解決。強烈的個性化性能特征要求綜合考慮氣動、聲學、結構、強度來進行大風扇葉片設計，并保證制造工藝。

三維設計的發展趨勢

三維設計的發展趨勢在于對端壁流的控制，也就是說當我們從60年代發展到今天，有待挖掘的主要潛力在于端壁。端壁的流動控制已成為主要的控制內容，彎掠對端壁流動的控制，通過迎角、葉型、端彎或反角、掠、非對稱端壁等諸多手段加以綜合控制。同時，還要通過實驗才能獲得設計所需的參數。

“另一趨勢是泄漏流動控制，在未來很長一段時間會成為控制多級壓氣機端壁流的重要因素，目前對這方面的考慮非常少。這種有關端壁流的特征，在多級條件下，其相關影響就會不斷擴展。而由于這種擴展，所做的數字模擬就有可能完成偏離預期的結果。因此，設計人員除了需要工具，還要掌握數據、擁有經驗，才能完成更好的設計。沒有足夠數量的多級壓氣機實驗無法獲得所需的經驗積累?！惫鹣壬赋?。