神秘的大小叶片压气机技术 | 航空发动机专题

北航官网资料图

      照片上的这位专家是我国大小叶片压气机技术领域的领军人物，中国工程院陈懋章院士，他手中拿的就是一个航空发动机用轴流式大小叶片压气机转子。

      那么这个大小叶片压气机技术是一项怎样的技术呢？为了说清这个问题，首先我们来回顾一下大小叶片压气机技术的发展历史。1971年，美国空军航空推进实验室用常规方案设计了一个单级压比高达3.0的轴流式压气机转子，但是实验证明各项性能指标完全不达标。为了解决问题，1974年Wennerstrom提出了一个大小叶片转子的技术方案，但是受到当时计算机技术水平的限制，缺乏有效的技术分析手段，设计的转子仍然没有达标。直到上个世纪90年代初，全三维数值模拟技术引入到压气机设计分析中，这项技术才取得突破。美国又重新开始了大小叶片气动技术研究。2001年1月第一台配装大小叶片压气机的技术验证机(XTC56/ 1)于完成试验，达到设计指标。2002 年第二台技术验证机 ( XTC5612) 完成试验。在涡扇发动机应用研究方面，单级大小叶片压气机就可以达到 F1002PW2220 三级风扇的压比，展现出巨大的发展潜力。由此可见，轴流大小叶片压气机技术是美国实现超高推重比发动机的核心技术之一。

     上个世纪90年代，国内科研机构紧跟国外技术发展潮流，也开展了大小叶片技术研究。北京航空航天大学大小叶片课题研究组在陈懋章院士的带领下，通过全三维模拟分析技术进行了大量的研究工作，几乎在美国取得技术突破的同一时期也取得了技术突破。2002年初，以涡轴六发动机的轴流式压气机改进为背景，大小叶片轴流压气机实验件在实验装置上完成了全尺寸的性能实验，取得了令人满意的成果。改进后的发动机空气流量增加 7.27 % ，增压比增加 11.09 %，输出功率提高 20.79 %，耗油率下降2.67 %。充分验证了大小叶片技术理论的有效性，充分展示了大小叶片压气机技术的技术优势。采用大小叶片轴流压气机的发动机安装在直八直升机上进行了试飞，通过各种试飞考验，发动机运转良好 ,工作稳定，在温度 40 ℃的环境中，可以让直八直升机满载起飞，比原型机涡轴六性能有了明显提高。试飞的成功标志着我国在航空发动机前掠大小叶片设计加工技术等方面取得了实质性突破。我国成为世界上第二个掌握大小叶片压气机技术的国家。这一技术成果最终用在了涡轴六发动机的改进上，这就是涡轴六C发动机的来历。关注微信公众号: 尖端防务   收看专题视频

第十届珠海航展上展出的涡轴六C发动机

      为表彰中国工程院陈懋章院士在这一技术领域的贡献，2013年年底，中航工业决定授予陈懋章院士“航空报国金奖”一等奖。2014年涡轴六C发动机在珠海航展上进行了展出。

      那么这个大小叶片压气机是如何实现性能提升的？我们再来看看它的技术原理。大小叶片压气机是为改善传统压气机的效率而出现的，对传统的常规压气机来说，惯性作用使得气流容易在压气机叶片背面发生分离，为了阻止气流的分离，在最容易出现气流分离的叶片通道后半部分局部增加小叶片。这样就可以抑制甚至消除气流分离，避免气流的拥堵，让气流更顺畅的通过压气机。所以使用大小叶片技术可以在保持高的气动稳定性的同时，大幅减少风扇和压气机的级数，从而提高发动机的推重比或功重比。关注微信公众号: 尖端防务   收看专题视频

      自大小叶片技术取得突破到现在已经十几年过去了，目前这一技术有哪些应用成果呢？我们来总结一下，首先是上面提到过的涡轴六C发动机。然后还有涡轴九、涡轴十、涡轴十六、国产2000KW级先进涡轴，以及一些国产小涡扇发动机。它们分别属于不同类型的压气机，涡轴六C用的是轴流式大小叶片压气机，涡轴九、涡轴十、涡轴十六用的是离心式大小叶片压气机，国产2000KW级先进涡轴用的是斜流式大小叶片压气机。关注微信公众号: 尖端防务   收看专题视频

涡轴九发动机的离心式大小叶片压气机

涡轴六C的轴流式大小叶片压气机

涡轴十六的离心式大小叶片压气机

涡轴十的离心式大小叶片压气机

2000KW级先进涡轴的斜流式大小叶片压气机

第十二届珠海航展上展出的一型小型涡扇发动机

      这个国产小涡扇用的也是离心式大小叶片压气机。我国计划于2016年研制成功的下一代推比15一级的核心机很有可能也会使用这一先进技术。

      那么大小叶片压气机技术具体能实现多少性能上的提升呢？通过公开的技术文献我们找到了一些资料。关注微信公众号: 尖端防务   收看专题视频

      这是一个专利的介绍资料，我们可以看到，大小叶片压气机的单级压比从传统压气机的1.5左右提高到了1.75左右，而且效率也了相当大的提高。大家可能觉得单级压比提高的不多，但是要知道压气机或风扇通常都是多级的，它们之间是乘积关系，多级相乘之后就压比提高就很多了。当然这个专利只是早期取得的技术成果。大小叶片压气机技术的性能远远没有发挥出来。关注微信公众号: 尖端防务   收看专题视频

      后期的技术研究表明用大小叶片压气机技术潜力巨大，以改进目前推重比10一级压气机的性能为例，详细的设计计算表明，采用三级大小叶片的核心压气机可以在压比、转速、喘振裕度不变的情况下，实现比现在的六级高压压气机轴向尺寸减少30%～40%，重量减轻30%～40%，零件数量减少20%～30%，设计点效率提高1%。我们知道整个发动机大半重量都在风扇和压气机部分，风扇和压气机能够达到这么好的减重效果，对整个发动机减重，提高推重比起着举足轻重的作用。关注微信公众号: 尖端防务   收看专题视频

      大小叶片压气机的单级压比最高可以达到3以上，可以用单级大小叶片压气机替代推比8涡扇发动机的3～4级风扇。可以比3级常规风扇轴向长度减少30%～50%，仅此一项轻易就能实现2～3个推重比的提升。国内在研的单级风扇就有单级3.6个压比的记录。可以说在未来推比10～15一级的发动机，乃至推比20一级的发动机上我们一定能看到大小叶片压气机的身影。现在10个推重比的发动机基本结构是3-6-1-1，也就是三级风扇，六级高压压气机，一级高压涡轮，一级低压涡轮。用上大小叶片技术后就会变成1-3-1-1结构，也就是一级风扇，三级高压压气机，一级高压涡轮，一级低压涡轮。以风扇为例，风扇从三级减为一级，不仅是风扇减了两级，同时静子叶片也少了两级，可见收益是非常可观的。整个发动机的结构可以大大简化，零件数量大大减少，系统可靠性也能获得很大提高。

      综上所述，我国在航空发动机压气机技术上已是国际先进水平。相信随着我国航空发动机技术的发展，大小叶片压气机技术一定会取得越来越多的应用成果，我国的航空发动机技术也一定会取得国际领先地位。 关注微信公众号: 尖端防务   收看专题视频