■ 李博 王兆祺 蘭發(fā)祥 唐方明/中國航發(fā)研究院

三維（3D）葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用使得壓氣機(jī)的負(fù)荷和效率水平跨上了一個(gè)新臺(tái)階，先進(jìn)高負(fù)荷、高性能軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)已全面進(jìn)入了多級(jí)全三維造型階段。

隨著壓氣機(jī)級(jí)負(fù)荷的逐步提高，葉片通道內(nèi)強(qiáng)逆壓梯度作用下的邊界層流動(dòng)及其他二次流會(huì)造成流動(dòng)損失急劇增加，導(dǎo)致壓氣機(jī)效率降低；同時(shí)增厚的邊界層對(duì)流道的堵塞可能會(huì)造成流動(dòng)分離，導(dǎo)致壓氣機(jī)失速或者喘振。三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)通過將葉片向周向、軸向傾斜或彎曲，抑制端壁邊界層的分離、合理改變和調(diào)整三維激波結(jié)構(gòu)以減小損失，提高壓氣機(jī)性能，是壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷、高效率、高穩(wěn)定裕度的關(guān)鍵技術(shù)。三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)主要包含端彎設(shè)計(jì)、弓形靜子和復(fù)合彎掠轉(zhuǎn)子等3種。其中，端彎設(shè)計(jì)主要針對(duì)端區(qū)邊界層影響進(jìn)行修正，多用于早期型號(hào)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，被看作是三維葉片設(shè)計(jì)的雛形；而弓形靜子及復(fù)合彎掠轉(zhuǎn)子均通過葉片的周向或軸向彎曲，來合理利用葉片力將負(fù)荷沿徑向進(jìn)行優(yōu)化匹配，從而達(dá)到提高性能的目的。

端彎設(shè)計(jì)技術(shù)

常規(guī)的S2通流設(shè)計(jì)不考慮端壁邊界層的影響，而在實(shí)際的壓氣機(jī)葉片通道內(nèi)，由于端壁邊界層的存在，端區(qū)內(nèi)流體的軸向速度低于設(shè)計(jì)結(jié)果，造成端區(qū)內(nèi)葉片的攻角和落后角偏大，極易導(dǎo)致流動(dòng)分離。為了修正上述影響，早期型號(hào)的改進(jìn)設(shè)計(jì)多是通過端彎設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。

端彎設(shè)計(jì)技術(shù)多用于靜子葉片，在原有葉片的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加大葉片在兩個(gè)端區(qū)的安裝角，能夠更好地適應(yīng)端區(qū)內(nèi)的流動(dòng)，提高原有壓氣機(jī)的性能。靜子葉片端彎后，不僅可以減小端區(qū)內(nèi)靜子葉片的攻角，也可以減小下游轉(zhuǎn)子葉片的攻角，使轉(zhuǎn)子和靜子都可以更好地適應(yīng)端區(qū)內(nèi)軸向速度低的流動(dòng)特點(diǎn)。

由于在目前的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)過程中，適當(dāng)減小動(dòng)靜葉兩端的造型攻角也可以起到和端彎設(shè)計(jì)相似的效果，還不用擔(dān)心端彎可能造成的流動(dòng)堵塞和加功量降低等因素。端彎技術(shù)廣泛應(yīng)用于第二代發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)型號(hào)和第三代發(fā)動(dòng)機(jī)上，在目前壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)越來越少。

弓形靜子技術(shù)

弓形靜子技術(shù)是在端彎靜子之后，以先進(jìn)計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)，主要用于消除和推遲靜子葉片拐角的氣流分離。靜子葉片如果采用常規(guī)的徑向積疊，當(dāng)出口預(yù)旋沿葉高變化不大時(shí)，葉片沿葉高幾乎是無扭轉(zhuǎn)的直葉片。如果采用弓形積疊，葉片兩端向葉背彎曲，在葉根處形成正傾斜角，在葉尖處形成負(fù)傾斜角。

弓形靜子技術(shù)改善靜子端區(qū)流動(dòng)的原理是合理地利用了葉片力。與常規(guī)徑向積疊的靜子相比，弓形靜子沿垂直于葉片表面的葉片力分量方向發(fā)生了變化，這一變化可以促使主流區(qū)內(nèi)的部分高能流體向兩個(gè)端區(qū)偏移，改善端區(qū)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，從而推遲分離，減少端壁損失，提高靜子的壓升能力，使壓氣機(jī)在整個(gè)流量范圍內(nèi)的增壓特性更穩(wěn)定，喘振裕度獲得顯著提高。弓形靜子技術(shù)可有效消除在常規(guī)徑向積疊靜子中出現(xiàn)的端區(qū)流動(dòng)分離，如圖1所示。

普惠公司在PW4084高壓壓氣機(jī)上最先采用了弓形靜子葉片，顯著提高了壓氣機(jī)性能。之后，普惠、GE、羅羅等公司先后在產(chǎn)品上采用了弓形靜子設(shè)計(jì)，均取得了明顯的收益。目前，弓形靜子設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)基本成熟并得到了大量成功的驗(yàn)證，在現(xiàn)代壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

復(fù)合彎掠轉(zhuǎn)子技術(shù)

葉片的彎和掠是利用三維效應(yīng)主動(dòng)控制邊界層流動(dòng)、端壁效應(yīng)及激波結(jié)構(gòu)的重要手段之一。彎葉片和掠葉片在發(fā)展初期是兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)概念，但隨著研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)彎、掠的“內(nèi)涵”基本相同，均是依靠基元葉型在不同方向上的錯(cuò)位，通過改變?nèi)~片徑向力來影響流線曲率、流片形狀等，進(jìn)而對(duì)展向負(fù)荷進(jìn)行重新匹配，從而影響壓氣機(jī)性能。故在彎和掠技術(shù)發(fā)展的后期，二者逐漸融合發(fā)展為復(fù)合彎掠葉片技術(shù)，使葉片基元負(fù)荷在展向得到了更加綜合、良好的匹配，并在現(xiàn)代高性能壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

針對(duì)葉片的彎和掠并沒有統(tǒng)一的定義，工程上一種簡單常用的彎掠定義，將葉片的積疊線沿周向的變換稱為彎，而沿軸向的變換稱為掠，如圖2所示。但此種定義并沒有真正的將彎和掠獨(dú)立出來，除了安裝角為零的特殊情況外，這種定義使得彎中帶有掠的因素，掠中帶有彎的因素。但無論彎和掠如何被定義，本質(zhì)均是在直葉片的基礎(chǔ)上，通過移動(dòng)葉型積疊點(diǎn)的位置使葉片產(chǎn)生彎掠的效果，從而增加葉片的設(shè)計(jì)自由度，擴(kuò)展葉片的設(shè)計(jì)空間[1]。

通過彎可以使葉片對(duì)流體施加的葉片力產(chǎn)生徑向分量，進(jìn)而控制通道內(nèi)的二次流動(dòng)，原理與弓形靜子相似（弓形靜子本質(zhì)上也是一種彎曲葉片）。一個(gè)合理的彎設(shè)計(jì)可以使葉片負(fù)荷沿葉高分布更加合理，進(jìn)而提升壓氣機(jī)的性能。除此之外，在葉尖區(qū)域有間隙及泄漏流的存在，一個(gè)在葉尖處向壓力面彎曲的葉片可以看作一把“鏟子”，一部分本應(yīng)經(jīng)過間隙形成泄漏流的流體在“鏟子”的作用下離開機(jī)匣向內(nèi)走，進(jìn)而減少了間隙泄漏的強(qiáng)度及引起的損失，提高了葉尖區(qū)域的效率和穩(wěn)定裕度。

圖 1 弓形靜子技術(shù)對(duì)端區(qū)流動(dòng)分離的改善

圖 2 工程上一種常用的彎和掠的定義

圖 3 復(fù)合彎掠轉(zhuǎn)子對(duì)角區(qū)分離及葉尖泄漏的抑制作用

在跨聲速壓氣機(jī)中，葉片的掠主要是為了控制激波結(jié)構(gòu)，這也是受到外流中掠形機(jī)翼理論成功用于降低激波阻力的啟發(fā)。葉片表面邊界層內(nèi)的低能流體受離心力作用向葉尖遷移，對(duì)于采用后掠的轉(zhuǎn)子，大多數(shù)低能流體從下半葉展移向頂部，并終止于葉片頂部。頂部流體的阻塞加劇了激波與邊界層干擾，推動(dòng)激波前移，并產(chǎn)生了較大的損失。對(duì)于采用前掠的轉(zhuǎn)子，從下半部來的邊界層低能流體在葉展中部就離開葉片，因此頂部的阻塞要小得多，從而使壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度有效增加。

葉片彎和掠的結(jié)合可以有效降低端區(qū)的氣動(dòng)負(fù)荷，從而達(dá)到改善端區(qū)流動(dòng)的目的。從圖3可以看出，采用復(fù)合彎掠技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)子葉片不僅消除了角區(qū)的流動(dòng)分離，葉尖泄漏的強(qiáng)度也明顯減小。

經(jīng)過多年的研究和驗(yàn)證,采用復(fù)合彎掠技術(shù)的風(fēng)扇和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片目前已經(jīng)逐步應(yīng)用到現(xiàn)役和在研的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上。民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)中，GE90-115B和GEnx發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇都采用了三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)的彎掠轉(zhuǎn)子葉片，在提高效率的同時(shí)還增大了流量，從而增大了推力；在Tech56高壓壓氣機(jī)中，前3級(jí)轉(zhuǎn)子均采用了三維彎掠設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子向壓力面彎曲，尾緣呈現(xiàn)弓形；除此之外，遄達(dá)系列發(fā)動(dòng)機(jī)上均不同程度的應(yīng)用了彎掠轉(zhuǎn)子技術(shù)。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)中，F(xiàn)414增推型發(fā)動(dòng)機(jī)的2級(jí)高增壓比風(fēng)扇和前3級(jí)高壓壓氣機(jī)、F136發(fā)動(dòng)機(jī)的5級(jí)高壓壓氣機(jī)均采用了三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)的彎掠葉片，提高了壓氣機(jī)的性能和氣動(dòng)穩(wěn)定性[2-3]。

三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)的未來發(fā)展

目前，三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)葉輪機(jī)械流場(chǎng)改善的原理已經(jīng)基本清楚，并在國內(nèi)外很多在役或預(yù)研的型號(hào)上得到了應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員經(jīng)過多年的摸索與實(shí)踐，逐步掌握了一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以在一定程度上對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行定性的指導(dǎo)。然而，當(dāng)前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不具備普適性，特別是對(duì)于高負(fù)荷的壓氣機(jī)，在流動(dòng)布局上呈現(xiàn)出很多全新的特征，如果沒有形成具體的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，則使用起來可能會(huì)耗費(fèi)資源且不可靠。例如，對(duì)于復(fù)合彎掠轉(zhuǎn)子技術(shù)，只有合理的彎掠設(shè)計(jì)才能帶來正向的性能收益，葉片的彎曲雖然可以抑制角區(qū)失速的發(fā)展，但若是彎曲過大，反而會(huì)加劇低能流體向葉片中部匯聚，中部區(qū)域的流動(dòng)損失增加量可能會(huì)超過端區(qū)損失的減少量，造成葉片總體性能下降[4]。除此之外，葉片的彎和掠往往需要互相配合，以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。所以，形成三維葉片設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或數(shù)學(xué)模型是一項(xiàng)亟待解決的難題，也是將三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)一步落實(shí)為實(shí)用技術(shù)的必經(jīng)之路。

除此之外，未來為了進(jìn)一步提升壓氣機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)更高的負(fù)荷、效率以及穩(wěn)定裕度，端區(qū)復(fù)雜流動(dòng)的組織與調(diào)控是首當(dāng)其沖需要解決的難題。當(dāng)前葉片的三維設(shè)計(jì)技術(shù)在葉片/端區(qū)交匯處的參數(shù)化嚴(yán)重不足，僅僅能部分緩解端區(qū)的流動(dòng)問題。因此，需要摒棄一直以來葉片與端壁獨(dú)立設(shè)計(jì)的習(xí)慣，借鑒外流飛機(jī)翼身融合技術(shù)，開展葉片與端壁一體化設(shè)計(jì)[5]，從而實(shí)現(xiàn)端區(qū)流動(dòng)的精細(xì)化控制。

結(jié)束語

縱觀國內(nèi)外高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)的成功設(shè)計(jì)案例，三維葉片設(shè)計(jì)技術(shù)是提高風(fēng)扇、壓氣機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)，我們急需在這些成功案例中進(jìn)一步提煉設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展并形成三維葉片設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則和數(shù)學(xué)模型，以支撐未來超高負(fù)荷風(fēng)扇、壓氣機(jī)的研制任務(wù)。