军用发动机压缩系统的技术进展

<font face="黑体">郭 琦 李兆庆<br/></font>　　在以美国的综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划为代表的先进发动机技术开发与验证计划的推动下，军用航空发动机的压缩系统技术有了长足的进展,特别是军用涡扇发动机上采用的小展弦比叶片、前掠叶片、整体叶环转子、由核心机带动的风扇、大小叶片转子、压气机稳定性主动控制、先进材料应用等。 <br/>　　通过采用先进的压缩系 统技术，军用涡扇发动机的性能得到了显著提高。普惠公司计划研究的4级高负荷压气机的压比高于F119发动机6级压气机的压比。在IHPTET第三阶段中，2级风扇与4级压气机的组合性能相当于F100发动机3级风扇与10级压气机的组合性能。法国斯奈克玛公司验证的5级高压压气机的压比达到11.4。<br/>　　尽管民用发动机的压缩系统在目标要求方面与军用发动机的有明显差别，但在气动设计、分析和设计程序、流动控制等技术方面又与军用发动机有共同的地方。因此，文中涉及的部分技术具有军民两用特征。 <br/>　　小展弦比叶片技术<br/>　　在20世纪80年代中期，西方在第四代军用涡扇发动机如EJ200和F119上开始采用小展弦比叶片，在结合整体叶盘技术的基础上，压气机级数从上一代的12～13减少到8～9。采用小展弦比叶片的压气机不仅叶片更坚固，级数更少，而且还具有更好的气动稳定性。西方在第三代改进型军用发动机如F110-GE-132和F414-GE-400上也开始采用小展弦比叶片。在实施IHPTET计划时，在大涡扇和涡喷发动机验证机XTE76/1上进一步验证了小展弦比风扇叶片，经验证的小展弦比叶片将用在JSF的F135和F136发动机上。这种叶片需要解决的关键技术是因重量增加导致轮盘与叶根的接合处和轮盘本身的离心力增大。 <br/>　　前掠叶片设计技术<br/>　　目前，先进跨声速风扇和压气机叶片的设计趋势是：采用气动前掠外形技术来改善压缩系统部件的性能和稳定性。前掠叶片设计可有效降低二次流损失和激波损失，从而大幅度提高压缩系统效率，同时这种叶片还具有很强的抗流场畸变能力。但是前掠叶片的振动和强度问题比较突出。用有机基复合材料（OMC）制造前掠风扇叶片能解决强度问题并降低成本。<br/>　　在IHPTET计划中，用大涡扇和涡喷发动机验证机验证了2级前掠风扇技术。GE公司在早期的第1级前掠整体叶盘后面又加入带新前掠叶片的转子作为第2级转子，其试验数据表明，与第2级采用常规直叶片的结构相比，在85%转速条件下，流量增加3.4%，压比增大3.5%，效率提高2.8%，并且喘振裕度也明显提高；在100%设计点条件下，流量增加2.1%。这种多级前掠叶片技术有助于IHPTET计划性能目标的实现。多级前掠叶片设计技术首先应用在F414发展型发动机上，用2级前掠风扇代替目前的3级风扇。与3级风扇相比，2级前掠风扇不仅能减少零件数，减轻重量，降低制造成本，而且能增加10%的空气流量和压比。<br/>　　 IHPTET计划在有限寿命发动机验证机上验证了带冠前掠叶片的风扇。威廉斯国际公司的XTL87的前掠风扇采用了碳纤维缠绕带冠结构，可以使大前掠叶片避免颤振，并有利于解决强度和振动问题。在发动机试验期间，风扇在效率、稳定裕度、进口畸变状态下的适应性和非设计点工作方面有明显改善。这种风扇设计技术可应用到民用涡扇发动机上。前掠叶片技术不但适用于风扇，也已经用在高压压气机上，可提高压气机级负荷、效率、喘振裕度，并可减少叶片数。<br/>　　 IHPTET计划中在涡轴、涡桨和小涡扇发动机验证机上验证了高压压气机前掠叶片技术。计划的第三阶段验证核心机XTC97上还验证了前掠高压压气机技术。该压气机具有效率高、增压比高和可操作性好的特点。F136发动机的高压压气机转子叶片将采用前掠叶片技术。 <br/>　　整体叶环转子<br/>　　目前，整体叶盘技术已经是一项成熟的通用技术，但减重效果更好的是整体叶环技术。随着金属基复合材料技术的发展，压气机领域涌现出创新的整体叶环设计技术。该技术一方面可以扩大压气机的设计范围，另一方面通过替换很重的压气机盘，可大幅度减轻重量。与常规轮盘和叶片结构相比，整体叶盘能减轻30%的重量，而整体叶环能减轻70%的重量。美国和欧洲都在验证压气机的金属基复合材料整体叶环技术。钛基复合材料（TMC）是制造整体叶环的理想材料。在IHPTET计划的第二阶段已经在大涡扇和涡喷发动机验证机上验证了采用TMC整体叶环转子的高压压气机。MTU公司正在研究在EJ200改进型发动机上使用的、由碳化硅（SiC）纤维增强的TMC整体叶环。MTU公司进行了缩比TMC整体叶环试验件的超转破坏试验。该公司有可能先用TMC整体叶环转子代替EJ200发动机前两级整体叶盘。罗-罗公司为F136发动机研究的升力风扇整体叶盘结构最终将被整体叶环结构代替。<br/>　　针对整体叶环制造困难及成本高的难题，美国空军研究实验室和艾利逊先进技术开发公司近几年也在研究金属基复合材料（MMC）外置环转子结构。外置环是实现IHPTET计划第三阶段目标的又一关键技术。其结构特点是把2个MMC外置环安装在轮盘内径上，而不把它们嵌入到整体转子材料中。MMC外置环的优点是显著提高了转子强度和耐温能力，减少了生产和维修成本，在减轻重量的同时，避开了制造整体叶环这一难点。2001年10月，美国空军研究实验室成功进行了MMC外置环压气机转子概念验证试验。下一步是对转子做低周疲劳试验，以进一步降低风险。<br/>　　由核心机带动的末级风扇<br/>　　由核心机带动的末级风扇是GE公司针对变循环发动机所做的一种独特设计。这种设计可大大改善多设计点飞机的性能。这样的末级风扇可以代替2级高压压气机，并且这种布局允许采用结构更简单的固定面积尾喷管，从而减轻发动机重量。CFD（计算流体动力学）技术的应用促进了这项技术的发展。在IHPTET计划第二阶段的XTC76/3变循环技术验证机上就采用了带前掠叶片的由核心机带动的末级风扇。该技术将在F136发动机以及F110发动机的未来发展型上采用。变循环设计面临的技术挑战是，由于增加了结构和控制系统的复杂性，因而维修比较困难，寿命期费用较高。<br/>　　大小叶片转子技术<br/>　　随着全三维计算技术的发展，大小叶片（也称为分流小叶片）转子技术在上世纪90年代后得到长足的进步。大小叶片技术能够在不增加叶尖切线速度的前提下较大幅度地提高压气机级负荷。采用大小叶片技术的压气机进入工程应用的关键是实现设计点和非设计点性能的综合优化，以及解决相关的结构强度和多级压气机的级间匹配问题。<br/>　　在IHPTET计划中，先在涡轴、涡桨和小涡扇发动机验证机的压气机静子上采用了大小叶片技术。该计划在进入第二阶段后，开始在压气机转子上采用大小叶片技术。采用这一先进方案的转子单级压比就能达到F100-PW-220发动机3级风扇的压比，且有很高的效率。同时在IHPTET计划第三阶段的一次性使用和有限寿命发动机验证机上也验证了大小叶片风扇技术。在对大小叶片风扇进行的进口流场畸变试验中，该风扇在运转过程中始终保持高性能。与目前的同级别发动机相比，采用大小叶片风扇技术的发动机能够使飞机的性能和航程有所提高，同时使其重量减轻，成本降低。但是目前还未看到大小叶片技术在大涡扇和涡喷发动机验证机上进行验证的报道。该技术是否能在这一级发动机上应用有待进一步研究。<br/>　　压气机稳定性主动控制<br/>　　对压气机采取主动控制能够扩展压气机的工作范围、减少压气机级数并显著降低油耗。压气机通常在接近失速边界时性能最好。因此，如何控制压气机失速是高性能压气机的一项重要技术。在IHPTET计划中，在大涡扇和涡喷发动机验证机上验证的高压比压气机在采用主动稳定性控制技术后，预计可使推重比提高2%，油耗减少1.5%，同时可降低寿命期费用。<br/>　　开发能在航空发动机上应用的主动稳定性控制技术需要解决以下关键问题：研究具有飞行重量的耐用作动系统，具有足够的带宽以提供所需的鲁棒控制；需要定义、开发和验证适当的传感系统；开发和验证易于综合并适应工作状态变化的控制算法；缩短主动控制所要求的运行时间，这需要借助多处理能力来解决。<br/>　　压气机稳定性主动控制技术已经在包括全尺寸压缩系统在内的多种试验中得到了验证，并证实采用该技术能够减少轴流式压气机旋转失速所带来的不利影响。验证试验中主要通过以下作动系统进行控制：进口导流叶片、高速放气阀门和空气喷射装置。所取得的一些试验结果包括：利用进口导流叶片进行调节的主动控制方案能够扩大全尺寸轴流式压气机的工作范围；利用高速放气阀门的控制方案成功地消除了与旋转失速有关的滞后现象从而避免了喘振，该方案要求作动系统具有相对较高的带宽；利用空气喷射的控制方案可以消除压气机进口处能发展成为旋转失速核心的小幅气流扰动。NASA和罗-罗公司已在全尺寸发动机上成功验证了采用空气喷射作动方案对跨声速单一状态轴流式压气机的旋转失速及喘振的主动控制。<br/>　　此外，采用线性控制原理的模态控制在利用不同的作动系统（包括高频进口导流叶片和空气喷射装置）方面已成功地得到了验证，但模态控制必须有大量传感器和作动器才能保证将压缩系统稳定到预期状态。采用非线性控制原理的分叉控制，利用非轴对称的空气喷射作动系统只需少量的作动器就能控制多种压缩系统工况。<br/>　　先进材料的应用<br/>　　先进材料的应用大大促进了高性能压气机和先进发动机的研究。采用先进材料的新结构设计有空心叶型、整体叶盘、复合材料级间环和整体叶环等有机基和金属基复合材料转动/静止零部件。在IHPTET计划第三阶段的压气机主要部件都将用先进金属基复合材料制造。通过采用这些先进的高强度、低密度材料和创新结构设计，压气机转子重量有可能减轻70 %。<font face="黑体">郭 琦 李兆庆<br/></font>　　在以美国的综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划为代表的先进发动机技术开发与验证计划的推动下，军用航空发动机的压缩系统技术有了长足的进展,特别是军用涡扇发动机上采用的小展弦比叶片、前掠叶片、整体叶环转子、由核心机带动的风扇、大小叶片转子、压气机稳定性主动控制、先进材料应用等。 <br/>　　通过采用先进的压缩系 统技术，军用涡扇发动机的性能得到了显著提高。普惠公司计划研究的4级高负荷压气机的压比高于F119发动机6级压气机的压比。在IHPTET第三阶段中，2级风扇与4级压气机的组合性能相当于F100发动机3级风扇与10级压气机的组合性能。法国斯奈克玛公司验证的5级高压压气机的压比达到11.4。<br/>　　尽管民用发动机的压缩系统在目标要求方面与军用发动机的有明显差别，但在气动设计、分析和设计程序、流动控制等技术方面又与军用发动机有共同的地方。因此，文中涉及的部分技术具有军民两用特征。 <br/>　　小展弦比叶片技术<br/>　　在20世纪80年代中期，西方在第四代军用涡扇发动机如EJ200和F119上开始采用小展弦比叶片，在结合整体叶盘技术的基础上，压气机级数从上一代的12～13减少到8～9。采用小展弦比叶片的压气机不仅叶片更坚固，级数更少，而且还具有更好的气动稳定性。西方在第三代改进型军用发动机如F110-GE-132和F414-GE-400上也开始采用小展弦比叶片。在实施IHPTET计划时，在大涡扇和涡喷发动机验证机XTE76/1上进一步验证了小展弦比风扇叶片，经验证的小展弦比叶片将用在JSF的F135和F136发动机上。这种叶片需要解决的关键技术是因重量增加导致轮盘与叶根的接合处和轮盘本身的离心力增大。 <br/>　　前掠叶片设计技术<br/>　　目前，先进跨声速风扇和压气机叶片的设计趋势是：采用气动前掠外形技术来改善压缩系统部件的性能和稳定性。前掠叶片设计可有效降低二次流损失和激波损失，从而大幅度提高压缩系统效率，同时这种叶片还具有很强的抗流场畸变能力。但是前掠叶片的振动和强度问题比较突出。用有机基复合材料（OMC）制造前掠风扇叶片能解决强度问题并降低成本。<br/>　　在IHPTET计划中，用大涡扇和涡喷发动机验证机验证了2级前掠风扇技术。GE公司在早期的第1级前掠整体叶盘后面又加入带新前掠叶片的转子作为第2级转子，其试验数据表明，与第2级采用常规直叶片的结构相比，在85%转速条件下，流量增加3.4%，压比增大3.5%，效率提高2.8%，并且喘振裕度也明显提高；在100%设计点条件下，流量增加2.1%。这种多级前掠叶片技术有助于IHPTET计划性能目标的实现。多级前掠叶片设计技术首先应用在F414发展型发动机上，用2级前掠风扇代替目前的3级风扇。与3级风扇相比，2级前掠风扇不仅能减少零件数，减轻重量，降低制造成本，而且能增加10%的空气流量和压比。<br/>　　 IHPTET计划在有限寿命发动机验证机上验证了带冠前掠叶片的风扇。威廉斯国际公司的XTL87的前掠风扇采用了碳纤维缠绕带冠结构，可以使大前掠叶片避免颤振，并有利于解决强度和振动问题。在发动机试验期间，风扇在效率、稳定裕度、进口畸变状态下的适应性和非设计点工作方面有明显改善。这种风扇设计技术可应用到民用涡扇发动机上。前掠叶片技术不但适用于风扇，也已经用在高压压气机上，可提高压气机级负荷、效率、喘振裕度，并可减少叶片数。<br/>　　 IHPTET计划中在涡轴、涡桨和小涡扇发动机验证机上验证了高压压气机前掠叶片技术。计划的第三阶段验证核心机XTC97上还验证了前掠高压压气机技术。该压气机具有效率高、增压比高和可操作性好的特点。F136发动机的高压压气机转子叶片将采用前掠叶片技术。 <br/>　　整体叶环转子<br/>　　目前，整体叶盘技术已经是一项成熟的通用技术，但减重效果更好的是整体叶环技术。随着金属基复合材料技术的发展，压气机领域涌现出创新的整体叶环设计技术。该技术一方面可以扩大压气机的设计范围，另一方面通过替换很重的压气机盘，可大幅度减轻重量。与常规轮盘和叶片结构相比，整体叶盘能减轻30%的重量，而整体叶环能减轻70%的重量。美国和欧洲都在验证压气机的金属基复合材料整体叶环技术。钛基复合材料（TMC）是制造整体叶环的理想材料。在IHPTET计划的第二阶段已经在大涡扇和涡喷发动机验证机上验证了采用TMC整体叶环转子的高压压气机。MTU公司正在研究在EJ200改进型发动机上使用的、由碳化硅（SiC）纤维增强的TMC整体叶环。MTU公司进行了缩比TMC整体叶环试验件的超转破坏试验。该公司有可能先用TMC整体叶环转子代替EJ200发动机前两级整体叶盘。罗-罗公司为F136发动机研究的升力风扇整体叶盘结构最终将被整体叶环结构代替。<br/>　　针对整体叶环制造困难及成本高的难题，美国空军研究实验室和艾利逊先进技术开发公司近几年也在研究金属基复合材料（MMC）外置环转子结构。外置环是实现IHPTET计划第三阶段目标的又一关键技术。其结构特点是把2个MMC外置环安装在轮盘内径上，而不把它们嵌入到整体转子材料中。MMC外置环的优点是显著提高了转子强度和耐温能力，减少了生产和维修成本，在减轻重量的同时，避开了制造整体叶环这一难点。2001年10月，美国空军研究实验室成功进行了MMC外置环压气机转子概念验证试验。下一步是对转子做低周疲劳试验，以进一步降低风险。<br/>　　由核心机带动的末级风扇<br/>　　由核心机带动的末级风扇是GE公司针对变循环发动机所做的一种独特设计。这种设计可大大改善多设计点飞机的性能。这样的末级风扇可以代替2级高压压气机，并且这种布局允许采用结构更简单的固定面积尾喷管，从而减轻发动机重量。CFD（计算流体动力学）技术的应用促进了这项技术的发展。在IHPTET计划第二阶段的XTC76/3变循环技术验证机上就采用了带前掠叶片的由核心机带动的末级风扇。该技术将在F136发动机以及F110发动机的未来发展型上采用。变循环设计面临的技术挑战是，由于增加了结构和控制系统的复杂性，因而维修比较困难，寿命期费用较高。<br/>　　大小叶片转子技术<br/>　　随着全三维计算技术的发展，大小叶片（也称为分流小叶片）转子技术在上世纪90年代后得到长足的进步。大小叶片技术能够在不增加叶尖切线速度的前提下较大幅度地提高压气机级负荷。采用大小叶片技术的压气机进入工程应用的关键是实现设计点和非设计点性能的综合优化，以及解决相关的结构强度和多级压气机的级间匹配问题。<br/>　　在IHPTET计划中，先在涡轴、涡桨和小涡扇发动机验证机的压气机静子上采用了大小叶片技术。该计划在进入第二阶段后，开始在压气机转子上采用大小叶片技术。采用这一先进方案的转子单级压比就能达到F100-PW-220发动机3级风扇的压比，且有很高的效率。同时在IHPTET计划第三阶段的一次性使用和有限寿命发动机验证机上也验证了大小叶片风扇技术。在对大小叶片风扇进行的进口流场畸变试验中，该风扇在运转过程中始终保持高性能。与目前的同级别发动机相比，采用大小叶片风扇技术的发动机能够使飞机的性能和航程有所提高，同时使其重量减轻，成本降低。但是目前还未看到大小叶片技术在大涡扇和涡喷发动机验证机上进行验证的报道。该技术是否能在这一级发动机上应用有待进一步研究。<br/>　　压气机稳定性主动控制<br/>　　对压气机采取主动控制能够扩展压气机的工作范围、减少压气机级数并显著降低油耗。压气机通常在接近失速边界时性能最好。因此，如何控制压气机失速是高性能压气机的一项重要技术。在IHPTET计划中，在大涡扇和涡喷发动机验证机上验证的高压比压气机在采用主动稳定性控制技术后，预计可使推重比提高2%，油耗减少1.5%，同时可降低寿命期费用。<br/>　　开发能在航空发动机上应用的主动稳定性控制技术需要解决以下关键问题：研究具有飞行重量的耐用作动系统，具有足够的带宽以提供所需的鲁棒控制；需要定义、开发和验证适当的传感系统；开发和验证易于综合并适应工作状态变化的控制算法；缩短主动控制所要求的运行时间，这需要借助多处理能力来解决。<br/>　　压气机稳定性主动控制技术已经在包括全尺寸压缩系统在内的多种试验中得到了验证，并证实采用该技术能够减少轴流式压气机旋转失速所带来的不利影响。验证试验中主要通过以下作动系统进行控制：进口导流叶片、高速放气阀门和空气喷射装置。所取得的一些试验结果包括：利用进口导流叶片进行调节的主动控制方案能够扩大全尺寸轴流式压气机的工作范围；利用高速放气阀门的控制方案成功地消除了与旋转失速有关的滞后现象从而避免了喘振，该方案要求作动系统具有相对较高的带宽；利用空气喷射的控制方案可以消除压气机进口处能发展成为旋转失速核心的小幅气流扰动。NASA和罗-罗公司已在全尺寸发动机上成功验证了采用空气喷射作动方案对跨声速单一状态轴流式压气机的旋转失速及喘振的主动控制。<br/>　　此外，采用线性控制原理的模态控制在利用不同的作动系统（包括高频进口导流叶片和空气喷射装置）方面已成功地得到了验证，但模态控制必须有大量传感器和作动器才能保证将压缩系统稳定到预期状态。采用非线性控制原理的分叉控制，利用非轴对称的空气喷射作动系统只需少量的作动器就能控制多种压缩系统工况。<br/>　　先进材料的应用<br/>　　先进材料的应用大大促进了高性能压气机和先进发动机的研究。采用先进材料的新结构设计有空心叶型、整体叶盘、复合材料级间环和整体叶环等有机基和金属基复合材料转动/静止零部件。在IHPTET计划第三阶段的压气机主要部件都将用先进金属基复合材料制造。通过采用这些先进的高强度、低密度材料和创新结构设计，压气机转子重量有可能减轻70 %。