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軸流式壓氣機

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名稱：軸流式壓氣機 級數：在7〜22之間

軸流式壓氣機，是氣流基本平行於旋轉葉輪軸線流動的壓氣機。軸流壓氣機是功率在1MW及以上的燃氣輪機中使用最普遍的壓氣機類型。這類壓氣 機大多採用多級，級數在7〜22之間。

大部分的軸流壓氣機有一組位於第1級轉子葉片前 面的進口導流葉片。一級軸流壓氣機包括一組轉動葉片和跟隨其後的固定擴散葉片。在最 後一級固定擴散葉片之後的一組固定葉片被稱為排氣導流葉片。

軸流壓氣機是渦扇發動機的核心部件。由於其涉及技術面廣，研製難度大，一直是發動機研製中的瓶頸技術。

1853年，法國科學院的Tournaire提出了多級 軸流壓氣機的概念，時隔30年後的1884年，進行 了世界上第一次軸流壓氣機試驗。該試驗簡單地將 多級渦輪反轉，效率極低。直至1904年，Charles Parsons才研製了真正意義上的軸流壓氣機，這台壓 氣機沒有達到預定的壓比，在設計點附近失速，效率 僅為50%~60%，但這是一個具有重要意義的起步。

20世紀30年代，美國NACA(NASA前身)和英 國 RAE(Royal Aircraft Establishment)開展了大量的 軸流壓氣機研究工作，研製了多種軸流壓氣機。其 中，1938年，RAE研製成功8級軸流壓氣機(Anne)， 壓比為2.4。50年代末，GE公司的J79發動機17級 壓氣機，壓比為12.5。70~80年代，第三代戰鬥機動力上採用的壓氣機全面研製成功，F110發動機9級 壓氣機壓比達到9.7,RD33發動機的9級壓氣機壓比 為7，F100發動機10級壓氣機總壓比為7.8，這些壓 氣機的很多設計技術在今天仍然非常實用。1982年， GE公司的E3發動機10級壓氣機壓比達到23。推重 比10發動機F119的6級高壓壓氣機壓比約為8。

90年代末，GE公司與艾利遜預研公司聯合研 制的4級壓氣機達到了 F100發動機的10級壓氣 機同樣的總壓比，該壓氣機通過IHPTET計劃得到 了驗證。本世紀初，MTU公司成功地研製了 6級高 壓壓氣機，總壓比約為11，已被選為PW6000發動 機的高壓壓氣機，這是這一量級的高負荷壓氣機首 次在發動機上得到應用，該項目還獲得2002年德國 工業創新獎。

近年來，一些新的氣動設計概念逐步應用於壓氣機設計，1998年麻省理工學院(MIT) Kerrebrock提 出的3級吸附式壓氣機方案的壓比達到了 27;2000 年，北航陳懋章院士作出了2級大小葉片壓氣機實 現壓比6的方案。

從上述發展過程可以看出，壓氣機的級負荷在 不斷增大，性能也在不斷提高，而且近年來由於先進 技術的應用，軸流壓氣機的技術水平進入了跨越式 發展時期。

設計系統的發展

一個世紀以來，伴隨着氣動熱力學、計算流體力學的發展，軸流壓氣機的設計系統在不斷進步，帶動 着壓氣機設計水平的提高。

20世紀初採用螺槳理論設計葉片。20~30年代， 採用孤立葉型理論設計壓氣機。30年代中期開始， 由於葉柵空氣動力學的發展和大量平面葉柵試驗的 支持，研製了一系列性能較高的軸流壓氣機。50年 代開始採用二維設計技術，用簡單徑向平衡方程計 算子午流面參數，葉片由標準葉型設計。70年代，建 立了准三維設計體系，流線曲率通流計算和葉片-葉片流動分析是這一體系的基礎，可控擴散葉型等 先進葉型技術得到應用。90年代初以來，以三維粘 性流場分析為基礎的設計體系促進了壓氣機設計技 術的快速發展。

研製難度很大

由於固有的逆壓梯度、高度三維、高度非定常等 特點，壓氣機的研製難度很大。特別是多級高壓壓 氣機，級間匹配和全工況下性能優化均很困難，儘管 設計體系在不斷完善，但由於設計指標同時也在不 斷提高，多級軸流壓氣機設計仍然是發動機的瓶頸 技術之一，一般需要多輪修改才能滿足設計要求。

E3發動機是美國20世紀較成功的研究項目： GE公司的E3高壓壓氣機研究經歷了四輪才滿足 核心機及發動機的要求。第一次試驗了 10級壓氣 機的前6級，喘振裕度為6%，而設計要求為14%; 對修改設計後組裝的第1台份10級壓氣機進行試 驗，喘振裕度為11%(要求18%)，效率為0.838(要 求0.86)，沒有達到要求；改進後的第2台份10級壓 氣機試驗喘振裕度達到14%，但仍未達到要求的 18%;在此後修改的10級壓氣機才基本達到設計要 求。P&W公司研製的E3高壓壓氣機第一台份也 未達到要求，試驗喘振裕度為12.6%(要求20%)，效 率為0.851(要求0.865),而修改後的第2台份的 試驗結果未見報道。

資料表明：羅羅公司的喘達800發動機低壓壓 氣機進行了6台試驗件試驗，用於改善中間轉速喘 振裕度、提高高轉速效率、研究葉尖間隙對效率和喘 振裕度的影響、研究機匣處理和容腔對效率和喘振 裕度的影響、適應發動機要求修改等。近年來的一個 典型例子是，PAW公司設計的PW6000壓氣機沒有 達到預定目標，PW6000發動機只得改用MTU公司 的6級高壓壓氣機。

我國的多級軸流壓氣機研製與國外先進發動機 公司相比，由於缺少工程實用的設計規範和大量試 驗數據的支持，更多地依賴個人經驗和判斷，設計的 不確定度更大。

基本工作原理

軸流壓氣機由多級組成，每一級包含一排轉子葉片和隨後的一排靜子葉片。工質首先由轉子葉片加速，在靜子葉片通道減速，將轉子中的動能轉變為靜壓能，該過程在多級葉片中反覆進行，直到總壓比達到要求為止。

在壓氣機中，氣流總是處於逆壓力梯度狀態，壓比越高，壓氣機設計越困難。在轉子和靜子葉片通道內，氣流流動由一系列的擴散過程組成：雖然在轉子葉片通道中，氣流的絕對速度有所增加，但是氣體相對於轉子的流速卻減小了，也就是說，轉子通道內也為擴散流動。葉片通道截面的變化要適應氣流的擴散過程。每一級中氣流擴散程度有限，意味着壓氣機每一級的壓比有限。而渦輪為順壓力梯度，氣流在收斂葉片通道內加速(見圖2)，因此，單級壓氣機的增壓比較單級渦輪的落壓比要小得多，這就是單級渦輪可以驅動多級壓氣機的原因。

根據氣動力學和試驗結果來詳細設計壓氣機葉片是非常必要的，這樣做不僅僅是為了減少損失，還為了儘量減少失速發生。失速現象在軸流壓氣機中十分普遍，尤其在壓比較高時，失速問題更為明顯。對於葉型來說，當氣流方向和葉片角度差(也就是攻角)過大時，就會發生失速現象。壓氣機中，壓力梯度與氣流流動方向相反，不利於氣流穩定流動，當流量和轉速偏離設計值時，就容易發生逆流現象。

圖1所示的壓氣機有進口導流葉片(IGV)，引導氣流進入第1級壓氣機。許多工業發動機的壓氣機進口導流葉片角度是可調的，隨着轉速的變化而調節，從而改變進入壓氣機第一級的氣流角度，以改善非設計狀態性能。可是，大多數的飛機發動機都取消了進口導流葉片，其目的主要是為了獲得更高的單位面積流量、更輕的發動機重量，並且還有益於降低噪聲和提高防冰性能。

圖1表明，高壓比壓氣機從前往後葉片尺寸變化明顯。這是由於設計者總是希望氣流以近似恆定的軸向速度通過壓氣機，然而，隨着氣流向後流動，氣體密度增加，需要減小流通面積，導致葉片尺寸減小。當發動機轉速低於設計轉速時，後面級氣流的密度將遠離設計值，氣流軸向速度變得不恰當，從而導致氣流失速和壓氣機喘振。解決該問題有幾種方法，但都會導致結構更加複雜。羅·羅公司和普·惠公司的方案是採用多轉子結構，而GE公司優先採取的是可調靜子葉片結構。圖1所示為GE公司的一個壓氣機，其進口導流葉片和前6級靜子是可調的。對於渦扇發動機來說，風扇和壓氣機的直徑差異特別大，需要採用多轉子結構。普·惠公司和GE公司採用了雙轉子方案，但羅·羅公司採取的是三轉子方案。另外一種方案是使用放氣閥門，在一些先進發動機上，有時需要綜合採用以上所有方案。在設計工作的初期就需要充分考慮壓氣機在非設計工況的性能，這一點尤其重要。

早期的軸流壓氣機，都是亞聲速型，必須採用翼型截面造型才能獲得高效率。大流量、高壓比的壓氣機的設計需求導致馬赫數增加，尤其是第一級轉子葉片的尖部。最終採用了跨聲速壓氣機(即葉片的某一高度以上的氣流速度超過聲速)來解決這個問題。研究認為，對跨聲速葉片最有效的方法是採用圓弧截面葉型，常用的是雙圓弧葉型。隨着馬赫數進一步增大，拋物線葉型葉片效率更高。高性能壓氣機已不在採用翼型截面了。

組成與功能

軸流壓氣機（如圖3所示）由轉子和靜子組成，其中轉子由輪盤、軸和裝在輪盤上的轉動葉片組成；靜子由機匣與裝在它上面的靜子葉片排組成。轉子和靜子前後交錯排列構成全台壓氣機。

軸流壓氣機屬葉輪機械。它是航空燃氣渦輪發動機的重要部件，其功能是對流入的氣體加功增壓，即對流入的氣體加入機械能作壓縮功以提高氣體的壓力。

設計過程

壓氣機的完整設計過程包括以下幾個步驟：

（1）確定轉速和流道尺寸。

（2）給定效率，確定壓氣機級數。

（3）計算每一級平均半徑處的氣流角。

（4）確定從葉根至葉尖的氣流角變化。

（5）壓縮效應研究。

（6）根據葉柵試驗數據選擇壓氣機葉型。

（7）使用葉柵數據，核查之前假定的效率。

（8）評估非設計點性能。

（9）台架試驗。

參考來源

Team 3 多級軸流式壓氣機的設計、分析與製造