風(fēng)扇壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

1、風(fēng)扇風(fēng)扇壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)——?dú)鈩?dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)；間隙控制；旋轉(zhuǎn)失速；防喘技術(shù)——發(fā)動(dòng)機(jī)；風(fēng)扇；壓氣機(jī)；定義與概念：壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的重要部件，它的作用是提高空氣的總壓。壓氣機(jī)包括“轉(zhuǎn)子“和“靜子“兩部分，“轉(zhuǎn)子“是沿輪緣安裝許多葉片的幾個(gè)輪盤組合而成的，每個(gè)輪盤及上面的葉片稱為一個(gè)“工作輪“，工作輪上的葉片稱為工作葉片。“靜子“是有幾圈固定在機(jī)匣上的葉片組成的。每一圈葉片稱為一個(gè)整流器。工作輪和整流器是交錯(cuò)排列的，每一個(gè)工作輪和后

2、面的整流器為一個(gè)“級(jí)“。風(fēng)扇是渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，它的作用與壓氣機(jī)的相同。風(fēng)扇后面的空氣分為兩路，一路是外涵道，一路是內(nèi)涵道。風(fēng)扇一般為一級(jí)，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。風(fēng)扇壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)、全三元計(jì)算技術(shù)、間隙控制技術(shù)、旋轉(zhuǎn)失速和喘振控制技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、材料與工藝技術(shù)等方面。國(guó)外概況：目前，戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比在不斷提高，因此要求風(fēng)扇壓氣機(jī)級(jí)壓比不斷提高但又保持效率在可接受范圍內(nèi)，這始終是風(fēng)扇壓氣機(jī)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。美

3、國(guó)80年代中期開始實(shí)施的“綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)“計(jì)劃（即IHPTET計(jì)劃）的目標(biāo)是在下世紀(jì)初驗(yàn)證推重比為20的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，風(fēng)扇結(jié)構(gòu)最終實(shí)現(xiàn)單級(jí)化，壓氣機(jī)也由9級(jí)減為3級(jí)。俄羅斯的風(fēng)扇壓氣機(jī)的研制計(jì)劃與美國(guó)IHPTET計(jì)劃相類似。也就是說(shuō)，研制高壓比風(fēng)扇壓氣機(jī)已經(jīng)成為風(fēng)扇壓氣機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家都已制訂研究計(jì)劃并已取得階段性成果。風(fēng)扇單級(jí)壓比在目前最先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)F119上已達(dá)1.7；在預(yù)研的試驗(yàn)件上，美國(guó)達(dá)2.2

4、，葉尖速度475ms；而俄羅斯試驗(yàn)件單級(jí)壓比達(dá)2.4和3.2，葉尖速度則分別為577ms和630ms。轉(zhuǎn)子葉片展弦比則減小到1.0左右。對(duì)于核心壓氣機(jī)，也呈現(xiàn)大致相同的發(fā)展趨勢(shì)。核心壓氣機(jī)平均級(jí)壓比從50年代的1.16提高到90年代的1.454，而葉尖速度從291ms提高到455.7ms。目前，美國(guó)現(xiàn)役戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和正處于工程和制造發(fā)展階段的90年代先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)（ATF），其核心壓氣機(jī)基本上是70年代研制成功的。GE公司下一代核心壓氣機(jī)正

5、處于研究起步階段，目標(biāo)是比目前最高級(jí)壓比再提高25%。由此可見(jiàn)，追求更高的級(jí)壓比一直是各國(guó)研制風(fēng)扇壓氣機(jī)的發(fā)展方向。風(fēng)扇壓氣機(jī)的級(jí)壓比的提高主要有以下途徑：一是進(jìn)一步發(fā)展傳統(tǒng)的跨音級(jí)風(fēng)扇壓氣機(jī)。傳統(tǒng)的跨音級(jí)風(fēng)扇壓氣機(jī)是指轉(zhuǎn)子相對(duì)來(lái)流葉尖超音、葉根亞音，靜子絕對(duì)來(lái)流亞音。目前各國(guó)現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇壓氣機(jī)進(jìn)口級(jí)均屬此類型。進(jìn)一步發(fā)展傳統(tǒng)的跨音級(jí)風(fēng)扇壓氣機(jī)即進(jìn)一步提高葉尖切線速度，如采用小展弦比前緣后掠式葉片，將葉片設(shè)計(jì)成掠式幾何形狀以合理控制通

6、道激波的強(qiáng)度，在利用氣流跨越激波產(chǎn)生壓比突躍的同時(shí)控制激波的損失。二是研制超音通流風(fēng)扇。80年代后期NASA劉易斯研究中心開始實(shí)施一項(xiàng)超音通流風(fēng)扇計(jì)劃，研制出的此類風(fēng)扇進(jìn)出口軸向氣流速度均超音。與傳統(tǒng)跨音風(fēng)扇相比，當(dāng)葉尖切線速度相同時(shí)，超音通流風(fēng)扇可實(shí)現(xiàn)更高的級(jí)增壓比。多重網(wǎng)格法計(jì)算迭代步數(shù)最少，所用機(jī)時(shí)也最少。無(wú)粘計(jì)算結(jié)果，流量比設(shè)計(jì)值大一些，壓比偏高，葉背M數(shù)峰值偏后，激波前M數(shù)葉偏大，但葉片進(jìn)口的氣流方向計(jì)算較為準(zhǔn)確。這種方法在壓

7、氣機(jī)設(shè)計(jì)中可用做驗(yàn)算葉片型面設(shè)計(jì)好壞和改進(jìn)葉型設(shè)計(jì)。求解NS方程歐拉方程加上粘性項(xiàng)就是納維爾斯托克斯（NS）方程。求解NS方程所需要的條件比求解歐拉方程更高，電子計(jì)算機(jī)計(jì)算速度每秒高達(dá)億次或幾億次，并且需要有大的內(nèi)存和外存設(shè)備。因?yàn)橛?jì)算粘性流，沿壁面計(jì)算站之間距離非常?。ㄒ话阍?.10.2mm左右），計(jì)算站和計(jì)算結(jié)點(diǎn)非常多，計(jì)算工作量巨大。計(jì)算粘性流需要解決的另一個(gè)問(wèn)題就是紊流計(jì)算模型。目前，計(jì)算紊流采用零方程、一方程和雙方程。普遍認(rèn)為

8、雙方程模型與混合長(zhǎng)度模型（計(jì)算分離點(diǎn)）相結(jié)合，效果更好。NS方程解得的葉片排內(nèi)流場(chǎng)與實(shí)際測(cè)得的更吻合，這使得壓氣機(jī)設(shè)計(jì)又向前邁進(jìn)了一大步。3、間隙控制技術(shù)現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法已使壓氣機(jī)效率高達(dá)88%以上。再要進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，就要盡量減小氣流泄漏，減少流道中的端壁損失。葉尖間隙損失是通道端壁損失的重要組成部分，這種損失是由動(dòng)葉和機(jī)匣間的間隙造成的。中等推力、中等增壓比的發(fā)動(dòng)機(jī)，葉片高度較大，由葉尖間隙造成的損失還不

9、很嚴(yán)重。隨著增壓比的增加，葉片高度顯著縮短，高壓壓氣機(jī)后幾級(jí)的葉高有的已縮短到2030mm，這樣葉尖間隙造成的損失變得非常顯著。根據(jù)實(shí)測(cè)，葉尖間隙相對(duì)值（即間隙葉片高度）增加1%，效率約降低1%；而效率降低1%，耗油率約增加2%。因此，為了保持發(fā)動(dòng)機(jī)在主要工作狀態(tài)下間隙最小，在其它狀態(tài)不發(fā)生干擾摩擦，提出了間隙控制問(wèn)題。葉尖間隙控制的方法可以分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩種。被動(dòng)間隙控制被動(dòng)間隙控制，即不隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況調(diào)節(jié)的間隙控制技術(shù)。主

10、要對(duì)轉(zhuǎn)子和靜子在不同工作狀態(tài)下的受力狀況進(jìn)行認(rèn)真分析，尤其是對(duì)機(jī)匣在各種工況下的熱變化進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，以求轉(zhuǎn)、靜子之間的熱配合恰當(dāng)，使間隙保持在允許的范圍內(nèi)。一般過(guò)去研制的發(fā)動(dòng)機(jī)都采用這種方法。主要是通過(guò)減小裝配間隙、采用雙層機(jī)匣或低線膨脹系數(shù)的合金做機(jī)匣等途徑來(lái)減小發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的徑向間隙。美國(guó)GE公司的CF6在前安裝節(jié)處增加一個(gè)切向連桿，使壓氣機(jī)機(jī)匣最大局部變形由1.8mm減小到1mm，從而減小壓氣機(jī)間隙。美國(guó)普惠公司的JT9D在外封氣

11、環(huán)上噴覆陶瓷涂層，在葉尖上敷以碳化硅涂層，以改善環(huán)與葉片之間的可磨合性。在JT8D高壓壓氣機(jī)外環(huán)上噴涂鎳鉻聚酯易磨材料，使轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用葉片在外環(huán)上磨出環(huán)槽，以減小間隙。英國(guó)羅羅公司的RB211采用雙層結(jié)構(gòu)機(jī)匣，保持氣流通道的內(nèi)層機(jī)匣僅承受氣動(dòng)載荷，外層機(jī)匣則承受并傳遞結(jié)構(gòu)載荷，剛性較好的外層機(jī)匣變形小，可以使RB211在飛行時(shí)保持均勻的葉尖間隙。在設(shè)計(jì)機(jī)匣時(shí)，應(yīng)使機(jī)匣在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下直徑的變化與轉(zhuǎn)子葉尖的徑向膨脹盡可能一