■ 曹志鵬 趙龍波 關(guān)朝斌 陳晨/ 中國航發(fā)渦輪院

新一代變循環(huán)發(fā)動機低耗油率、高推重比的發(fā)展需求，促使發(fā)動機壓縮系統(tǒng)負荷進一步提高。面對未來軸流壓氣機發(fā)展，需要結(jié)合氣動布局、先進構(gòu)型、流動控制等設(shè)計手段，優(yōu)化三維激波結(jié)構(gòu)與葉片通道流動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)靜子、級間流動最佳匹配，促進壓氣機負荷及裕度的進一步提升。

遠航久航、寬速域飛行是未來先進戰(zhàn)斗機的基本特征，這要求發(fā)動機必須具備亞聲速飛行耗油率足夠低、超聲速飛行推力足夠大的能力。低耗油率發(fā)動機循環(huán)參數(shù)表現(xiàn)出的典型特征為高總增壓比、大涵道比、高部件效率、低風(fēng)扇壓比；而高單位推力意味著以較小的流量（通常與進口尺寸成正比）獲得較高的推力，這種發(fā)動機設(shè)計循環(huán)參數(shù)表現(xiàn)為高渦輪前溫度、高總增壓比和高風(fēng)扇壓比。由此可以看出，高總增壓比是兼具低耗油率和大推力能力發(fā)動機的首要選擇。

增加級數(shù)和提高級壓比是提升總增壓比的兩種不同途經(jīng)，前者帶來質(zhì)量和長度上的增加，而后者能夠使風(fēng)扇/壓氣機部件減級、減重、減長度，符合飛機對于輕質(zhì)、高效動力的迫切需求，因此是風(fēng)扇/壓氣機最重要的發(fā)展方向。提高葉尖切線速度和增大氣動負荷ΔCu（轉(zhuǎn)子葉片進出口絕對速度的周向分量差，即C2u-C1u）可以有效提升風(fēng)扇/壓氣機級壓比。轉(zhuǎn)子葉片葉尖切線速度與結(jié)構(gòu)和材料技術(shù)水平的發(fā)展緊密相關(guān)，當(dāng)前風(fēng)扇葉尖切線速度已達550～600m/s。在葉尖切線速度受到限制的情況下，要繼續(xù)提高壓比就得增大氣動負荷ΔCu，增大ΔCu意味著增大葉片的彎角或者靜壓升。然而，高切線速度設(shè)計下增大葉片的彎角或者靜壓升，無法避免葉片表面、角區(qū)邊界層分離，導(dǎo)致風(fēng)扇/壓氣機效率降低、穩(wěn)定工作范圍變小。采用復(fù)合掠彎、低反力度、串列葉片和自循環(huán)吸附等風(fēng)扇/壓氣機新技術(shù),有助于上述問題的解決。

復(fù)合掠彎技術(shù)

復(fù)合掠彎是指在風(fēng)扇/壓氣機設(shè)計中通過葉片的掠、彎或掠彎組合來提高氣動性能、減少強度/振動問題的一種技術(shù)，本質(zhì)上是通過改變?nèi)~片形狀、型面實現(xiàn)對風(fēng)扇/壓氣機中不利流動的控制，達到降低流動損失、增加流動穩(wěn)定性，從而提高效率、級壓比和氣動穩(wěn)定性的目的。

復(fù)合掠彎是葉片掠形和彎曲造型技術(shù)的一種綜合應(yīng)用。在壓縮系統(tǒng)中葉片掠形的概念并不是將外流機翼掠形概念簡單套用。國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量的研究，目前普遍認為葉片掠形是葉片在子午投影方向上的掠，但也有另一種理論認為掠形是葉片前緣線三維空間的掠。

葉片掠形主要分為前掠和后掠，不同的進口流動條件，對風(fēng)扇壓氣機性能的影響不同：亞聲速流動中，沿徑向的各個基元葉型整個型線都會對流動產(chǎn)生影響；超跨聲速流動中，激波、激波邊界層相互干擾等三維流動特征顯著，性能對于基元葉型前緣及基元葉型喉部在徑向位置更為敏感。大量研究結(jié)果表明，葉片前掠可以提高超跨聲速風(fēng)扇/壓氣機的裕度，主要原因包括：葉片前緣線前掠改變了前緣激波的三維結(jié)構(gòu)、在一定程度上削弱了激波強度，并且有效地控制了二次流動；葉片前掠帶來喉道與通道激波相對位置的變化，使激波穩(wěn)定位于基元葉型喉道之后，在背壓提高時，能夠有效延遲激波前推進程，從而提高了穩(wěn)定工作裕度。葉片后掠可以提高風(fēng)扇/壓氣機的效率，但激波與喉部的相對位置比前掠更靠前一些，因此裕度比前掠低。

值得注意的是，在分析掠形對風(fēng)扇/壓氣機性能的影響時，也需要考慮掠形是否帶來了葉片弦長和稠度的變化。若在掠形設(shè)計中為實現(xiàn)前掠或后掠效果僅改變前緣線，在分析掠形單獨帶來的效果時，就需要將弦長/稠度變化和掠形的影響解耦，而這是非常困難的[1]。因此，一般情況下需要保持弦長不變，通過前、尾緣線同步移動來實現(xiàn)目標(biāo)掠形效果，如圖1所示。

圖1 掠形與弦長的關(guān)系對比

與掠形不同，葉片彎曲是指通過控制葉片積疊線在圓周方向上的位置變化，從而實現(xiàn)對葉片通道內(nèi)二次流動的控制。葉片彎曲主要分為正彎（C形彎）、反彎（反C形彎）、正S彎、馬鞍形彎（W形彎）等，如圖2所示。正彎是指葉片吸力面與端壁夾角成鈍角的彎曲，反彎則相反；S彎、馬鞍形彎等分別指葉片積疊線在圓周方向呈現(xiàn)S形、馬鞍形等，根據(jù)彎曲方向也可以分為正、反兩個方向的S彎與馬鞍形彎；另外有一種葉片彎曲叫端彎，主要是通過控制葉片根、尖截面的葉型來適應(yīng)端區(qū)流動，端彎葉片從葉片表面看也有一種葉片彎曲的效果。不同的彎曲形式對流動控制的效果不同，需要根據(jù)具體情況而定。一般情況下，葉片正彎可以實現(xiàn)對端區(qū)流動的卸荷效果，即通過彎曲作用使端區(qū)的低能流體實現(xiàn)向葉片中部的遷移，可以起到改善端區(qū)流動、延遲失速的效果（見圖3），但也要注意到，正彎葉片在改善端區(qū)流動的同時也會增加葉片中部的損失。反彎葉片也得到了應(yīng)用，參考文獻[2]在大涵道比風(fēng)扇內(nèi)涵道靜子葉片設(shè)計中就采用反彎的設(shè)計，取得了較好的效果[2]。

圖2 葉片彎曲示意

圖3 彎曲靜子葉片流動改善示意

轉(zhuǎn)子葉片的彎曲設(shè)計需要與強度設(shè)計反復(fù)迭代。一方面轉(zhuǎn)子葉片的彎曲形式與幅度受到強度的限制，另一方面當(dāng)葉片強度設(shè)計有不足時可以通過一定的彎曲改善。靜子葉片的彎曲設(shè)計的強度問題相對較少。無論是對轉(zhuǎn)子葉片還是靜子葉片，彎曲均會對葉片的振動特性帶來一定的影響。

復(fù)合掠彎技術(shù)在高負荷風(fēng)扇/壓氣機的設(shè)計應(yīng)用表現(xiàn)出良好的效果。在設(shè)計中，需要做好子午布局、葉片三維構(gòu)型和級間匹配等3方面的設(shè)計。在子午布局設(shè)計時：一是合理分配級壓比、反力度，均衡每排葉片負荷；二是根據(jù)每排葉片進口馬赫數(shù)、氣流彎角及分布進行葉片排子午掠形、流道曲率設(shè)計，并注意流道曲率與葉片掠形相互關(guān)聯(lián)。葉片三維造型設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)通流設(shè)計結(jié)果，綜合考慮馬赫數(shù)、氣流彎角、De Haller數(shù)等氣動參數(shù)，選取葉片掠、彎形式，并在此基礎(chǔ)上匹配最佳攻角、落后角、撓度、厚度分布等造型參數(shù)。級間匹配也是復(fù)合掠彎葉片設(shè)計中需要重點考慮的實現(xiàn)要素，不同的掠彎形式會對葉片出口參數(shù)分布造成較大的影響，其中氣流角沿徑向的分布對級間匹配影響最大，而對應(yīng)基元葉型的流管流量沿徑向的分布（受到徑向二次流影響）會對葉片出口氣流角造成較大影響，因此在級間（包括葉排間）匹配時，需要重點考慮上游葉片的落后角、下游葉片的攻角及葉片喉道位置（受厚度分布、撓度影響）。

雖然復(fù)合掠彎技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于先進風(fēng)扇壓氣機設(shè)計中，但是隨著負荷水平進一步提升，僅單獨采用該項技術(shù)仍然難以達到目標(biāo)，低反力度、串列、吸附式等新概念主、被動流動控制的技術(shù)融合復(fù)合掠彎技術(shù)可以進一步提升負荷水平。

低反力度設(shè)計

提高反力度是提高風(fēng)扇/壓氣機負荷的一種常用方法[3]，但越往負荷極限靠近，該方法面臨的轉(zhuǎn)子葉片自身負荷能力不足的問題越突出，而高承載低反力度設(shè)計提供了一種新的提高負荷的方法。

基本原理

在常規(guī)壓氣機氣動設(shè)計中，為使得級效率最高，其反力度通常在0.5左右。低反力度氣動設(shè)計通過減小級反力度，降低轉(zhuǎn)子葉片中的逆壓力梯度，避免負荷提升導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片氣流分離，使轉(zhuǎn)子葉片保持較高的效率；同時將更多擴壓功能轉(zhuǎn)移到靜子葉片上，采取主動/被動流動控制等多種手段改善靜子葉片流動，使得級負荷提升的同時效率仍然較高。

采用低反力度設(shè)計的高負荷級將面臨兩項典型的設(shè)計難題：一是由于轉(zhuǎn)子葉片中絕對速度的顯著增加，導(dǎo)致靜子葉片進口全葉高絕對馬赫數(shù)大于1.0，超出現(xiàn)有設(shè)計準則的約束，設(shè)計難度陡增；二是將氣流折轉(zhuǎn)增壓的功能向靜子葉片轉(zhuǎn)移后，靜子葉片彎角顯著增加，甚至大于60°，同樣超出了現(xiàn)有的設(shè)計準則，挑戰(zhàn)前所未有。上述問題可以從氣動布局和靜子葉片設(shè)計等方面進行突破。

低反力度氣動布局設(shè)計

降低反力度有助于減小動葉設(shè)計難度，但是會把難度轉(zhuǎn)移到靜子葉片設(shè)計上，因此反力度的取值取決于級性能要求以及當(dāng)前水平靜子葉片所能承受的最大載荷。實際設(shè)計過程中，靜子葉片采取特殊的流動控制方式增加承載能力，并對轉(zhuǎn)子葉片、靜子葉片負荷的分配進行迭代尋優(yōu)，尋找最合適的反力度。

級負荷確定后，主要采用轉(zhuǎn)子葉片軸向速度增加的方式來降低反力度。軸向速度增加使得流道環(huán)面面積的收縮加劇，最直觀的表現(xiàn)就是葉片變短，因此從子午面布局看，低反力度壓氣機流道具有較強的連續(xù)收縮性；另外通過機匣流道半徑沿流向逐漸降低的設(shè)計，降低轉(zhuǎn)子葉片葉尖位置的切線速度，以此降低轉(zhuǎn)子葉片尖部負荷，使轉(zhuǎn)子葉片保持較高的效率。在這兩方面因素的作用下，低反力度壓氣機流道呈輪轂和機匣流道向中徑迅速收斂的形式，這與傳統(tǒng)外徑高負荷壓氣機設(shè)計顯著不同[4]。子午流道的迅速收縮還要配合葉片的小展弦比設(shè)計，因為不論是轉(zhuǎn)子葉片還是靜子葉片，氣流折轉(zhuǎn)角都顯著增大（甚至超出設(shè)計準則）。采用小展弦比設(shè)計，增加葉柵通道的有效長度，可以減緩氣流折轉(zhuǎn)角變化過大引起的強逆壓梯度，使葉片表面氣流的分離程度盡可能最小，保證轉(zhuǎn)子葉片具有較高的效率。

多級低反力度壓氣機設(shè)計中，并不是每一級都必須采用低反力度設(shè)計，基本原則是先前面級，再后面級。前面級為跨聲速級，且第一級入口總溫較低，因此充分利用第一級的做功能力，大幅度增加壓比，以減輕后面級級負荷。通常將第一級設(shè)計為高負荷的跨聲速級，再以此為基礎(chǔ)，根據(jù)第二級轉(zhuǎn)子葉片入口預(yù)旋需求，調(diào)節(jié)第一級靜子葉片出口的絕對氣流角。對轉(zhuǎn)子葉片入口正預(yù)旋的選取、轉(zhuǎn)子葉片出口軸向速度的選取，要求在確保實現(xiàn)給定設(shè)計負荷前提下，轉(zhuǎn)子葉片的效率較高?？紤]到充分利用第一級的級負荷能力，第一級靜子葉片入口可以設(shè)計為沿整個葉高全超聲速，同時，為有效解決靜子葉片激波后的邊界層分離，在第一級靜子葉片中采用邊界層抽吸或者其他流動控制技術(shù)。

流動控制增強的靜子葉片設(shè)計

低反力度壓氣機設(shè)計將承載能力的矛盾轉(zhuǎn)移到靜子葉片上。針對高承載能力靜葉設(shè)計要求，通過進口馬赫數(shù)、氣動轉(zhuǎn)折角等參數(shù)影響的綜合分析，確定高承載能力靜子葉片參數(shù)選取原則，利用流動控制技術(shù)，實現(xiàn)靜子葉片承載能力高提升，使得低反力度壓氣機提升負荷的同時，兼具高效率。

為達到高承載高效率的設(shè)計要求，常采用吸附式靜子葉片技術(shù)，如圖4所示。對于低反力度高負荷壓氣機，靜子葉片進口的馬赫數(shù)和彎角都顯著增大，靜子葉片通道中氣流分離無法避免，包括強激波邊界層干涉下的葉表分離和端壁角區(qū)分離。通過靜子葉片表面和端壁的吸附，可以顯著改善靜子葉片的流動，提高承載能力[5-6]。吸附式靜子葉片須重點關(guān)注強度設(shè)計問題，主要來自兩個方面：超聲速葉型的相對厚度普遍低于亞聲速葉型，以此為降低葉型損失，在這種“薄”葉片上開槽吸附，對強度設(shè)計是一項挑戰(zhàn)；壓氣機工作中，靜子葉片長期經(jīng)受各種非定常激勵，自身強度振動問題突出，若在葉片設(shè)置吸附結(jié)構(gòu)，無疑是將矛盾更加激化。因此需要進一步發(fā)展?jié)M足結(jié)構(gòu)完整性要求的超聲速吸附結(jié)構(gòu)的靜子葉片設(shè)計技術(shù)。

圖4 吸附式超聲速靜子葉片

串列靜子葉片技術(shù)同樣能起到改善流動，提升承載能力的作用。串列葉片的研究與基元串列葉柵密切相關(guān)。串列葉柵擁有獨特的兩排單獨葉柵結(jié)構(gòu)（見圖5），使得在前排葉柵邊界層還未充分發(fā)展，發(fā)生分離前，后排葉柵表面就已經(jīng)通過壓力面到吸力面的噴射氣流補充能量，從而重構(gòu)葉片表面邊界層，達到延遲分離、提高負荷能力。

圖5 串列葉片原理示意

低反力度多級壓氣機末級靜子葉片彎角較大、負荷較高，但進口馬赫數(shù)并不像第一級那么高，可以采用串列葉片技術(shù)實現(xiàn)靜子葉片的高承載能力，保持較高的葉片排流通能力，顯著改善流動，如圖6所示。利用前排葉片內(nèi)激波增壓減速，使馬赫數(shù)降低，在全弦長葉片后端增加一排小葉片，抑制葉片通道的氣流分離，可實現(xiàn)較大的氣流折轉(zhuǎn)角，可用于低反力度壓氣機靜子葉片的設(shè)計中。

圖6 傳統(tǒng)葉片與串列葉片后流場對比

將吸附式技術(shù)、串列技術(shù)和低反力度設(shè)計結(jié)合，是高負荷設(shè)計的一條重要途徑，目前的試驗結(jié)果初步驗證了原理的可行性，在實際多級低反力度高負荷壓氣機設(shè)計中，吸附流量對壓氣機性能有明顯影響，甚至?xí)?dǎo)致壓氣機失穩(wěn)，因此對降低吸附流量到合理范圍的更為深入研究，對于該項技術(shù)在發(fā)動機中的發(fā)展應(yīng)用有著重要意義。

轉(zhuǎn)子葉片自循環(huán)吸附

除了吸附式靜子葉片外，自循環(huán)吸附轉(zhuǎn)子葉片也是一種提高負荷設(shè)計的途徑。參考文獻[7]提出了一種新型動葉自循環(huán)吸附式系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)子葉片采用空心葉片結(jié)構(gòu)形式，在轉(zhuǎn)子葉片吸力面上開有葉表吸氣孔，轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部根據(jù)氣動、結(jié)構(gòu)和強度要求設(shè)置氣流流路，動葉頂部設(shè)置葉頂噴氣孔，葉頂噴氣孔與葉表吸氣孔相連通，形成一個轉(zhuǎn)子葉片自適應(yīng)流通結(jié)構(gòu)。其自適應(yīng)吸附原理為：在轉(zhuǎn)子葉片工作過程中，采用轉(zhuǎn)子葉片葉表吸氣孔抽吸低能邊界層流體到葉片內(nèi)部，利用轉(zhuǎn)子葉片高速旋轉(zhuǎn)的離心作用，將聚集在葉片內(nèi)部流體從轉(zhuǎn)子葉片葉頂噴氣孔噴出，形成一個自適應(yīng)吸附式循環(huán)系統(tǒng)，同時起到轉(zhuǎn)子葉片頂部封嚴和減小轉(zhuǎn)子葉片吸力面上分離流動的作用，可以大幅度提高風(fēng)扇/壓氣機的增壓能力和效率，相比于從轉(zhuǎn)子葉片根部或者尖部引氣并且外排的傳統(tǒng)吸附式結(jié)構(gòu)，消除了吸氣帶來的流量減少，且不需要引入外部設(shè)備，結(jié)構(gòu)相對簡單，具有良好的工程應(yīng)用前景。

基本原理分析

在不考慮黏性力、葉片力和子午流線曲率變化造成加速度的前提下，單位質(zhì)量微團的受力平衡由微團跟隨葉片旋轉(zhuǎn)造成的離心力項、微團沿子午面加速度的徑向分量和靜壓力項維持，靜壓梯度主要由離心力項和微團子午面加速度的徑向分量產(chǎn)生，且在葉片內(nèi)腔流體流速低及速度變化率不大的情況下，靜壓力梯度主要由離心力產(chǎn)生。一般情況下，離心力越大，葉片內(nèi)腔中靜壓越高，葉頂噴氣孔處與通道內(nèi)氣流的靜壓力差越大。在葉片主流通道內(nèi)同樣存在著由離心力等主導(dǎo)的靜壓平衡流動，轉(zhuǎn)子葉片葉尖間隙內(nèi)沿軸向也存在一定的靜壓升高，只有當(dāng)自適應(yīng)流路噴氣孔內(nèi)的總壓高于對應(yīng)位置葉尖間隙內(nèi)靜壓時，才可形成自適應(yīng)吸附/噴氣的驅(qū)動力，且靜壓差越大，驅(qū)動力越強，噴氣氣流加速越多，從而獲得更高的噴氣速度，葉尖封嚴和葉表流動控制的效果才越好。

自循環(huán)分析

轉(zhuǎn)子葉片自循環(huán)流路的設(shè)計主要包括吸附槽、葉頂噴氣孔和葉片內(nèi)部空腔等3部分。吸附槽合理的位置應(yīng)處于激波后邊界層剛發(fā)展起來的極大值位置附近，該位置使得吸附槽能較好地控制下游邊界層的發(fā)展。葉頂噴氣孔的角度和弦向位置對性能提升效果有直接的影響。噴氣角度在圓周方向的變化會對擴穩(wěn)效果產(chǎn)生影響，當(dāng)噴氣方向與葉片旋轉(zhuǎn)方向相反時，噴氣擴穩(wěn)的效果最好。根據(jù)基本原理和數(shù)值模擬的分析，噴氣孔的弦向位置應(yīng)該靠近前緣為宜。葉片內(nèi)部空腔的設(shè)計，可以根據(jù)吸附孔的要求靈活調(diào)整，但應(yīng)注意滿足葉片的強度設(shè)計要求。

參考文獻[7]完成了跨聲速轉(zhuǎn)子葉片自適應(yīng)流路的設(shè)計，并進行了數(shù)值模擬驗證。采用自適應(yīng)吸附后，高負荷風(fēng)扇的穩(wěn)定裕度得到有效改善。

自適應(yīng)吸附技術(shù)在實際應(yīng)用中仍然面臨一些問題：為了保證強度通常希望在葉片最厚的位置設(shè)置吸附槽，但最大厚度位置和激波邊界層發(fā)展的起始位置較難統(tǒng)一；對于不同負荷水平的風(fēng)扇，吸附結(jié)構(gòu)能否使得激波在葉片通道中的位置始終固定，仍需要開展研究，一旦激波位置移動，吸附效果會大幅度降低。

結(jié)束語

在高性能發(fā)動機的指標(biāo)要求不斷提高的形勢下，壓氣機設(shè)計向高負荷增壓設(shè)計發(fā)展不斷加速，但仍面臨許多未知與挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)外科研機構(gòu)取得的研究成果揭示了各先進技術(shù)的優(yōu)勢特性，初步驗證了將其用于軸流壓氣機的可行性，許多研究工作非常超前，但極限負荷下很多機理仍不清晰。工程上不僅要求設(shè)計點氣動性能達標(biāo)，還要求滿足全飛行包線內(nèi)氣動熱力需求，更加強調(diào)效率、加減速性、氣動穩(wěn)定性和間隙控制的重要性，更加關(guān)注葉片振動對高周疲勞壽命影響等，因此上述技術(shù)的應(yīng)用需要進行更多的研究和分析。此外，變循環(huán)、智能、柔性等新概念應(yīng)對新需求的態(tài)勢已經(jīng)顯現(xiàn)，結(jié)合小展弦比掠彎、串列、自循環(huán)吸附技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，是未來壓縮系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的一個重要的方向。