神秘的大小葉片壓氣機技術 | 航空發動機專題_風聞

北航官網資料圖

      照片上的這位專家是我國大小葉片壓氣機技術領域的領軍人物，中國工程院陳懋章院士，他手中拿的就是一個航空發動機用軸流式大小葉片壓氣機轉子。

      那麼這個大小葉片壓氣機技術是一項怎樣的技術呢？為了説清這個問題，首先我們來回顧一下大小葉片壓氣機技術的發展歷史。1971年，美國空軍航空推進實驗室用常規方案設計了一個單級壓比高達3.0的軸流式壓氣機轉子，但是實驗證明各項性能指標完全不達標。為了解決問題，1974年Wennerstrom提出了一個大小葉片轉子的技術方案，但是受到當時計算機技術水平的限制，缺乏有效的技術分析手段，設計的轉子仍然沒有達標。直到上個世紀90年代初，全三維數值模擬技術引入到壓氣機設計分析中，這項技術才取得突破。美國又重新開始了大小葉片氣動技術研究。2001年1月第一台配裝大小葉片壓氣機的技術驗證機(XTC56/ 1)於完成試驗，達到設計指標。2002 年第二台技術驗證機 ( XTC5612) 完成試驗。在渦扇發動機應用研究方面，單級大小葉片壓氣機就可以達到 F1002PW2220 三級風扇的壓比，展現出巨大的發展潛力。由此可見，軸流大小葉片壓氣機技術是美國實現超高推重比發動機的核心技術之一。

     上個世紀90年代，國內科研機構緊跟國外技術發展潮流，也開展了大小葉片技術研究。北京航空航天大學大小葉片課題研究組在陳懋章院士的帶領下，通過全三維模擬分析技術進行了大量的研究工作，幾乎在美國取得技術突破的同一時期也取得了技術突破。2002年初，以渦軸六發動機的軸流式壓氣機改進為背景，大小葉片軸流壓氣機實驗件在實驗裝置上完成了全尺寸的性能實驗，取得了令人滿意的成果。改進後的發動機空氣流量增加 7.27 % ，增壓比增加 11.09 %，輸出功率提高 20.79 %，耗油率下降2.67 %。充分驗證了大小葉片技術理論的有效性，充分展示了大小葉片壓氣機技術的技術優勢。採用大小葉片軸流壓氣機的發動機安裝在直八直升機上進行了試飛，通過各種試飛考驗，發動機運轉良好 ,工作穩定，在温度 40 ℃的環境中，可以讓直八直升機滿載起飛，比原型機渦軸六性能有了明顯提高。試飛的成功標誌着我國在航空發動機前掠大小葉片設計加工技術等方面取得了實質性突破。我國成為世界上第二個掌握大小葉片壓氣機技術的國家。這一技術成果最終用在了渦軸六發動機的改進上，這就是渦軸六C發動機的來歷。關注微信公眾號: 尖端防務   收看專題視頻

第十屆珠海航展上展出的渦軸六C發動機

      為表彰中國工程院陳懋章院士在這一技術領域的貢獻，2013年年底，中航工業決定授予陳懋章院士“航空報國金獎”一等獎。2014年渦軸六C發動機在珠海航展上進行了展出。

      那麼這個大小葉片壓氣機是如何實現性能提升的？我們再來看看它的技術原理。大小葉片壓氣機是為改善傳統壓氣機的效率而出現的，對傳統的常規壓氣機來説，慣性作用使得氣流容易在壓氣機葉片背面發生分離，為了阻止氣流的分離，在最容易出現氣流分離的葉片通道後半部分局部增加小葉片。這樣就可以抑制甚至消除氣流分離，避免氣流的擁堵，讓氣流更順暢的通過壓氣機。所以使用大小葉片技術可以在保持高的氣動穩定性的同時，大幅減少風扇和壓氣機的級數，從而提高發動機的推重比或功重比。關注微信公眾號: 尖端防務   收看專題視頻

      自大小葉片技術取得突破到現在已經十幾年過去了，目前這一技術有哪些應用成果呢？我們來總結一下，首先是上面提到過的渦軸六C發動機。然後還有渦軸九、渦軸十、渦軸十六、國產2000KW級先進渦軸，以及一些國產小渦扇發動機。它們分別屬於不同類型的壓氣機，渦軸六C用的是軸流式大小葉片壓氣機，渦軸九、渦軸十、渦軸十六用的是離心式大小葉片壓氣機，國產2000KW級先進渦軸用的是斜流式大小葉片壓氣機。關注微信公眾號: 尖端防務   收看專題視頻

渦軸九發動機的離心式大小葉片壓氣機

渦軸六C的軸流式大小葉片壓氣機

渦軸十六的離心式大小葉片壓氣機

渦軸十的離心式大小葉片壓氣機

2000KW級先進渦軸的斜流式大小葉片壓氣機

第十二屆珠海航展上展出的一型小型渦扇發動機

      這個國產小渦扇用的也是離心式大小葉片壓氣機。我國計劃於2016年研製成功的下一代推比15一級的核心機很有可能也會使用這一先進技術。

      那麼大小葉片壓氣機技術具體能實現多少性能上的提升呢？通過公開的技術文獻我們找到了一些資料。關注微信公眾號: 尖端防務   收看專題視頻

      這是一個專利的介紹資料，我們可以看到，大小葉片壓氣機的單級壓比從傳統壓氣機的1.5左右提高到了1.75左右，而且效率也了相當大的提高。大家可能覺得單級壓比提高的不多，但是要知道壓氣機或風扇通常都是多級的，它們之間是乘積關係，多級相乘之後就壓比提高就很多了。當然這個專利只是早期取得的技術成果。大小葉片壓氣機技術的性能遠遠沒有發揮出來。關注微信公眾號: 尖端防務   收看專題視頻

      後期的技術研究表明用大小葉片壓氣機技術潛力巨大，以改進目前推重比10一級壓氣機的性能為例，詳細的設計計算表明，採用三級大小葉片的核心壓氣機可以在壓比、轉速、喘振裕度不變的情況下，實現比現在的六級高壓壓氣機軸向尺寸減少30%～40%，重量減輕30%～40%，零件數量減少20%～30%，設計點效率提高1%。我們知道整個發動機大半重量都在風扇和壓氣機部分，風扇和壓氣機能夠達到這麼好的減重效果，對整個發動機減重，提高推重比起着舉足輕重的作用。關注微信公眾號: 尖端防務   收看專題視頻

      大小葉片壓氣機的單級壓比最高可以達到3以上，可以用單級大小葉片壓氣機替代推比8渦扇發動機的3～4級風扇。可以比3級常規風扇軸向長度減少30%～50%，僅此一項輕易就能實現2～3個推重比的提升。國內在研的單級風扇就有單級3.6個壓比的記錄。可以説在未來推比10～15一級的發動機，乃至推比20一級的發動機上我們一定能看到大小葉片壓氣機的身影。現在10個推重比的發動機基本結構是3-6-1-1，也就是三級風扇，六級高壓壓氣機，一級高壓渦輪，一級低壓渦輪。用上大小葉片技術後就會變成1-3-1-1結構，也就是一級風扇，三級高壓壓氣機，一級高壓渦輪，一級低壓渦輪。以風扇為例，風扇從三級減為一級，不僅是風扇減了兩級，同時靜子葉片也少了兩級，可見收益是非常可觀的。整個發動機的結構可以大大簡化，零件數量大大減少，系統可靠性也能獲得很大提高。

      綜上所述，我國在航空發動機壓氣機技術上已是國際先進水平。相信隨着我國航空發動機技術的發展，大小葉片壓氣機技術一定會取得越來越多的應用成果，我國的航空發動機技術也一定會取得國際領先地位。 關注微信公眾號: 尖端防務   收看專題視頻