商用航空发动机高效率压缩系统的设计特点与技术发展

去年年底，在2016商用航空发动机上海国际论坛上，来自北航航空发动机数值仿真研究中心的桂幸民先生对航空发动机压缩系统的发展进行了回顾，并介绍了三维设计的特点及今后发展的趋势。

桂幸民先生在2016商用航空发动机上海国际论坛上发表演讲

压缩系统

航空发动机压缩系统主要由风扇、增压级（中压压气机）和高压气机构成。在35年间，GE公司从最初利用17级产生12.5的压比开始实现了巨大的技术跨越。中国航空工业没有这么多时间在应用中逐步再现这种跨越。

桂先生指出：“GE公司所经历的途径，从17级实现12.5的压比、14级实现12的压比，到9级实现11乃至18的压比，这一个不断应用、改进、更新以及新设计概念注入的过程，却是我们技术发展的必由之路。我们现在要想实现非常高的效率、非常高的压比，就必须通过大量的实践、快速的实践，来获取这种技术的进步。”

“这样一种级压比的特征，从早期的1.2的平均级压比，发展到GE90在1 .37-1.48所具有的平均级压比，再往后走，有没有机会跟随美国第五代计划达到1.5以上，还能不能再往下走？可以说非常困难，因为这样一个级压比特征，在工程上已经到了极限。”这意味着，不管是商用发动机还是军用发动机的推重比，都不可能按照线性特征无限增长。从这个角度来说，现在发动机的级数跟推重比的关系并不像早期那样直接。

因此，要获得更轻、更小但能产生或保持更大推力的发动机，材料、结构特征以及制造因素非常重要。为什么级压比不能无限增长呢？“这是因为我们的扩压能力有限，与此同时，高负荷的压气机特性，一定会对级效率及等级压气机压缩部件的效率有非常大的帮助。适当的级负荷，使我们既能有足够大的裕度，又能有非常好的效率范围，使经济性得到大幅度的提升。”桂先生表示。

为什么效率对发动机产生很大的影响？在航空发动机中，小尺寸、大推力直接表现为单位流量所能转换的能量比例，这一比例与压气机的效率变化存在直接关系。对于商用大涵道比航空发动机，高效率的设计十分有利于核心机比推力的上升。这样，我们的迎风面积就可以大幅度减小，迎风阻力也可以大幅减小，飞机的适应性就得到相应提升，这就是现在飞机设计中所谓高负荷高通流设计的最基本的概念。

从效率提升方面来说，是不是会有一个极限呢？RR公司的评估表明，基本上到了Trent 1000以后，效率提升的机会就不大了。“从这个角度来说，我们只要去努力，很快就能够在这个区域中实现高压压气机风扇增压级的提升，进入第一集团。实际上经过这两年的努力，进步的阶梯已经逐渐搭起来了，只要稳步向前，可能只需要10到15年就能完成跨越。”桂先生说。

如何实现效率的提升？RR公司给我们展现了风扇叶片效率的发展及其所依靠的技术途径。“我们看到，效率的提升源自几何构型的三维化。从70年代末到2005年间取得的发展主要在两个方面，一是取消了不该有的几何特征，比如会产生很大阻力的凸肩，从而使效率得到了大幅提升。第二是弯掠，就是所谓的叶片几何的构型三维化。”

在这一过程中，CFD（三维数字模拟）本身所取得的进步很小。也即，带来根本性改变的最关键因素并非工具而是设计思想，是对流动的认识、把握和准确的控制。这样一种变化，不但在RR公司，而且在GE、普惠都有体现。进入三维化以后，就有无穷多的选择，从2004年到2008年就产生了变化，到2010年叶片又有新的变化，那么三维为什么会起这样的作用呢？

谈到压缩系统流道与叶片设计工具，叶型设计始于40年代，一维设计始于50年代，而到70年代才真正产生了二维与准三维设计。直到目前，叶片成型所具有的流道特征及叶型特征依然是基于二维或准三维设计。到90年代，随着三维数字模拟技术的发展，产生了三维设计，形成弯掠叶片。但在缺乏先验性试验调试的情况下，通常会导致错误设计。三维多级设计始于2000年，尚不能提供高精度设计工具，必须通过试验调试才能实现现代多级弯掠叶片的设计。桂先生表示：“所以三维设计工具，并不能取代二维和一维设计，因此，我们对工具的使用一定是分层次的。当然为了适应马赫数，需要大量原始叶型的数据积累，逐步发展到对应不同马赫数，采用定制叶型设计。”

三维设计的特点

NASA主持的E3（Energy Efficient Engine）研究计划，以及Dr. Wennerstrom提出的小展弦比、高通流与高负荷的设计概念共同推动了压缩系统三维设计的技术革命。而小展弦比、高通流与高负荷的设计概念，形成了现在的“全三维”叶片所具有的特性。此后，三维设计就具备了总体概念的特点，从而带来一些参数。而这些参数是否准确可行，通常是基于过去所积累的经验。

伴随着三维设计的发展，气动弯掠进入高性能时代，包括高负荷、大流量和高效率。对效率的追求也达到前所未有的高度，这就必须用更复杂的几何特征去产生如此高效率的整体叶型。“然而，过度复杂的叶片几何特征必然导致应力、振动、颤振及可靠性方面不足。因此，必须对弯掠气动机理进行细致研究，从而在保持掠叶片所具有的气动性能优势的前提下，尽量降低叶片空间的几何复杂性。” 桂先生指出。

那么，弯掠到底起什么作用？先让我们来回顾一下三维设计。早期的时候，试图进行无激波设计，也就是说设计思想走向了极端，其结果是完全失败，但这并不代表毫无价值。在无激波设计失败的教训基础之上，究竟该如何控制激波，产生弯掠呢？美国空军做了大量试验，实验结论总结起来包括：降低激波强度和激波边界层干扰；降低叶尖前端气动负荷；减少叶尖叶片表面边界层累积；扩展失速裕度。

所有这一切在叶型的基础上把流动控制推向了三维层面。后掠上有一个非常强的优势，即流量通过能力强。所以现在的叶片大部分都采用弯掠，有后掠，也有前掠。在这样的情况下，就可以将早期的一些特性概念大为拓展，其所产生的局部的影响对于局部的流动控制通过掠、弯就可以实现。

凭借一些三维数值模拟手段，在很多参数不变的情况下，我们对于这种控制进行了比较，很能说明问题。当用直的前缘，分别包括前掠的前缘、后掠的前缘、或后掠加前掠的前缘来构成这样一个流动，来产生这样一个特性的时候，我们又发现，在95%叶高的条件下，后掠在折合流量没有多大变化的情况下，迎角发生了巨大的变化。但是如果采用前掠，我们可以看到，整个尖部的迎角在全流量范围内变化很小。这就是为什么掠能提升弯掠叶片所具有的域。而在70%叶高的条件下，我们可以看到，如果采用后掠叶片的话，叶中区的流量通过率会一直维持在比较高的层面上。但是如果采用前掠的话，流量通过率就非常小。这也就是对于需要大流量产生大推力的风扇必须要产生很强的后掠，来使得整个流量的通过率上升。这样，在同等面积下，推力就更大。

桂先生表示：“所以，我们认为早期所具有的三维激波控制或无激波的流动控制并不表示掠的特性一定由它来影响，而是由整个径向平衡受力所产生的。这种平衡的改变，使得整个设计特征在几何发生三维空间变化时的需求可以分区进行规划与设计，而不是仅仅看到三维数字模拟的结果来做设计。第二，三维的方法有助于设计师对叶片、弯掠叶片的理解和预测。第三，周向脉动的特性由一些设计参数控制，如叶片气动负荷分布及其厚度。掌握其影响规律有益于设计师进行弯掠叶片迎角的设计。”

最后，弯和掠具有同等效应，以上就是我们在过去弯掠研究的基础上所做出的一点贡献。在此基础上，就可以沿着前面的思路，设计出更大的风扇，从中根部、弯掠产生改变。同时，除气动问题外，有关声学、结构、传动以及可靠性方面的问题同样需要加以解决。强烈的个性化性能特征要求综合考虑气动、声学、结构、强度来进行大风扇叶片设计，并保证制造工艺。

三维设计的发展趋势

三维设计的发展趋势在于对端壁流的控制，也就是说当我们从60年代发展到今天，有待挖掘的主要潜力在于端壁。端壁的流动控制已成为主要的控制内容，弯掠对端壁流动的控制，通过迎角、叶型、端弯或反角、掠、非对称端壁等诸多手段加以综合控制。同时，还要通过实验才能获得设计所需的参数。

“另一趋势是泄漏流动控制，在未来很长一段时间会成为控制多级压气机端壁流的重要因素，目前对这方面的考虑非常少。这种有关端壁流的特征，在多级条件下，其相关影响就会不断扩展。而由于这种扩展，所做的数字模拟就有可能完成偏离预期的结果。因此，设计人员除了需要工具，还要掌握数据、拥有经验，才能完成更好的设计。没有足够数量的多级压气机实验无法获得所需的经验积累。”桂先生指出。