离心压气机发展现状与展望

机工

　　自20世纪30年代末离心压气机首次应用于航空发动机以来，它在航空发动机的发展史中一直占有重要地位。尤其是近30年来，随着设计技术的进步以及新结构、新材料的应用，离心压气机的效率和增压比不断提升，产品可靠性也越来越高，已经广泛应用于中小型涡轮航空发动机和几乎所有类型的辅助动力装置(APU)。

　　技术特点

　　压气机通过叶轮高速旋转将能量传输给流体工质，从而达到提高流体工质压力的目的。轴流压气机与离心压气机是航空发动机压气系统的两种基本构型。轴流压气机通过的气流流量大、效率高，但是单级增压能力小，为了获得较高的增压比必须采用多级串联的方式，其级数往往多达10级以上，使发动机轴向尺寸较大，转子刚性较差，降低了压气机级的稳定工作裕度，同时旋转部件数目过多，增加了发动机的制造和维护成本。因此，轴流压气机主要应用于大型航空发动机。

图：航空发动机压气系统的两种基本构型

　　离心压气机的特点是单级增压比高，稳定工作范围广，具有较好的抗腐蚀能力，能用单级离心压气机实现多级轴流压气机的增压效果，因此采用离心压气机的航空发动机具有体积小、重量轻、结构简单、转子刚性较佳、维修性好等优点，缺点是单位迎风面积的气流流量小。离心压气机主要应用于中小型航空发动机，尤其是涡轴发动机。

　　20世纪60年代前，离心压气机的设计理论匮乏，单级增压比在4.0左右，流量较小，一般应用于功率较低、尺寸和重量相对较小的轻型航空涡轴发动机，如透博梅卡公司的阿赫耶系列、罗·罗公司的250-C30系列等。20世纪80年代，随着离心压气机设计技术的进步，单级离心压气机的增压比可达8.0左右，如透博梅卡公司的阿赫尤1、霍尼韦尔公司的Model  131-9D;同时，多级轴流压气机+离心压气机的组合压气机形式得到广泛采用，后面级离心压气机能替代3或4级轴流压气机，从而用更少的压气机级数实现高增压比，如透博梅卡公司的TM333、罗罗公司的“宝石”、GE公司的T700等。

　　目前，随着设计技术及新结构、新材料的进一步发展，中小型航空发动机中采用的离心压气机增压比大幅提升，可达8.0以上。例如，阿赫尤2K1的单级增压比为9.5，阿赫尤3的离心压气机台架试验结果显示其增压比高达12.0;日本三菱重工的MG5-100最新发展型的单级增压比为11.0，已装备MH2000A直升机;乌克兰马达西奇研发的小型MS-500系列涡轴发动机装备在“ANSAT”直升机上，其单级离心压气机设计增压比达到11.5。此外，随着压气机增压比的大幅提升，其工作温度越来越高，因此，阿赫尤3压气机采用了具有更高耐热能力的合金单晶叶片。同时，更高增压比的双级离心压气机结构也已运用到现代的发动机中，如透博梅卡和罗·罗公司联合设计的MTR390、美国轻型直升机涡轮发动机公司的T800均采用双级离心压气机，增压比分别达到14.0和15.5。MTR390大量采用钛合金材料，从而使压气机的尺寸和重量达到最佳平衡。T800发动机压气机采用整体钛合金叶轮，零件数目仅为20个，极大地简化了发动机的结构。

图：采用双级离心压气机的T800涡轴发动机

　　总体来看，随着技术的进步，离心压气机的发展呈现出以下特点：单级离心压气机的增压比不断增加，性能越来越高。以透博梅卡公司系列发动机为例，增压比已经从20世纪60年代的3提高到目前的12.0以上。随着离心压气机设计效率不断提高，总增压比10.0以下的压气机组合可用单级高效率离心压气机代替多级轴流或多级轴流+离心组合压气机，以实现高功重比、高可靠性。以罗罗公司M250系列压气机构型为例，它采用单级增压比10.0的离心压气机替代了原来的6级轴流+1级离心的组合压气机。

　　研究方法

　　设计一个高性能的离心压气机，往往需要综合经验方法、理论计算和试验研究。

　　经验方法

　　离心压气机中最关键的部件是叶轮和扩压器，叶轮转动对流体做功，以增加其压力和动能。通常叶轮出口流体的动能仍占叶轮做功的30%~50%，并通过扩压器将其转化为压力能。叶轮和扩压器的气动设计在很大程度上依赖于设计经验。相似理论提供了一种简洁直观的方法，使得人们在不大了解离心压气机内部流动的情况下也能设计出性能理想的叶轮。基于相似理论，叶轮效率主要由比转速、比直径、雷诺数和马赫数等无量纲参数决定。在确定马赫数和雷诺数的情况下，可通过比转速和比直径确定设计参数，并把试验数据和设计经验关联起来。

　　理论计算

　　很早之前，人们认为离心叶轮的出口气流是非常不规则且伴随着损失的。在1950年研究者发展出了一些关于离心叶轮中等熵流动的计算。由此人们可以更深入了解在忽略黏性的情况下叶片载荷、压缩效应、涡的行程和滑移系数等因素是如何影响叶轮内部流动的。在考虑黏性的试验结果表明，大部分情况下在轮盖面叶片吸力面附近会有低速区域，而在轮毂面叶片压力面附近会有高速区域。而在从轮毂到轮盖以及从压力面到吸力面的区域间，则有很强的流动变化，这导致了在压气机中的不均匀流动。

　　20世纪50年代提出的准三维计算方法对压气机设计理论发展起着很大推动作用。这种方法引入了S1和S2流面概念使得三维计算在数学上以一种二维方法实现。在全三维程序尚未大规模投入使用之前，这是最先进的设计手段，通过引入了可靠的经验统计数据和试验关联关系，如失速裕度关联和效率关联，使设计达到了相当高的水平。

　　1980年，可计算叶轮机械流动的三维算法出现。一开始使用的是基于时域解的三维欧拉公式，其是没有考虑到边界层堵塞的影响，而这恰恰对叶轮机械流动至关重要。紧接着在20世纪80年代末期出现了考虑黏性的三维计算方法，可较好地预测叶轮机械内部的复杂流动，如射流和边界层发展。随着计算机技术的发展，计算流体力学(CFD)突飞猛进，叶轮机械数值模拟计算已进入了三维非定常黏性数值模拟阶段。CFD使离心压气机的研究和设计逐渐降低了对大量经验数据的依赖，突破了以往只有通过试验才能获得比较可靠的流场信息的局限。虽然目前CFD已经能取得结果，但在很多情况下还需要采用试验数据进行校核和验证。

　　试验研究

　　20世纪中期，试验主要研究离心压气机内部复杂流动。为此，人们发展出了一系列高时间分辨率的动态测量方法，以辨别离心压气机内复杂的二次流、尾迹、泄漏流、激波和边界层分离流动等复杂现象。一个测量离心压气机内流的重大突破是激光测速的成功应用。激光测速(L2F)方法和激光多普勒测速(LDV)方法都是测量在流体中所加入的散光粒子的速度。由于L2F采用两束激光取代了  LDV  的衍射图，因此能达到100多倍的光强度和更高的时间分别率。L2F的两束激光像两个门，流速是通过粒子穿过两个光束的时间差计算得到。通过转动激光的方向来确定流动方向，直到有最多的粒子通过两个光束上相同位置的点。虽然这是一个二维的测量方法，但是通过转动激光方向，可得到主要的三维流动参数。

　　现在，粒子图像测速(PIV)是更主流的方法，通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布，突破了单点测速技术的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。它比激光测量有着更快的测量速度，但在复杂几何场所的测量效果仍有待提高。

　　未来发展

　　未来涡轴发动机需要实现更高的功重比、更低的油耗以及更长的寿命，这就要求离心压气机必须实现更高的增压比、更高的效率、更高的稳定工作裕度以及更高的可靠性，这些要求对未来离心压气机设计提出了非常大的挑战。

　　高效率设计技术

　　随着离心压气机的增压比需求不断增高，试验研究的单级离心压气机增压比已经在12甚至20以上，在这样的高增压比要求下，叶轮通道内以及叶轮出口的绝对速度一般已经达到超声速，这对叶轮及扩压器的设计都是巨大挑战，无论采用哪种叶片设计形式，都会在叶片进口及通道内形成非常强的激波，而且由于负荷太高，离心叶轮出口流动无论沿展向还是周向都极其不均匀，常规的扩压器已很难满足设计要求，因此需要研究如何提高离心叶轮出口流场品质以及能够适应高超声速来流的高性能扩压器，以解决高压比甚至超高增压比的离心压气机设计难题。此外随着增压比的提高，离心压气机出口的尺寸也将越来越小，小尺寸效应、低雷诺数效应对压气机性能的影响更为显著，将明显降低叶轮效率，因此深入研究小尺寸、小流量、低雷诺数影响，对提高压气机性能非常重要。

　　流动稳定性控制技术

　　随着离心压气机增压比的不断提高，离心压气机的流动稳定性问题日益突出。多重分流叶片技术，漩涡发生器流动控制技术，非对称叶轮控制技术，合成射流控制技术，大小叶片式扩压器流动控制技术，串列叶轮流动控制技术，复合弯掠叶型设计技术，机匣处理技术，可变进口导叶流动控制技术等对流动稳定性的影响规律及其机理，以及各技术的有效集成，是未来研究的重点之一。

　　高可靠性结构设计技术

　　先进离心压气机离不开新结构、新材料、新工艺的发展。先进钛合金、金属间化物、金属基复合材料、热塑性复合材料(非金属)等新材料在离心压气机上的应用会越来越广。一些新型的高效密封结构形式及叶尖间隙主动控制技术也正在研制中;为了应对腐蚀性环境和风沙冲蚀，一种先进的抗侵蚀涂层技术也正在发展，一旦获得成功，对于提高离心叶轮的寿命和可靠性将很有帮助。此外，一些新概念技术，如磁悬浮轴承的研究也正方兴未艾。

　　(黄生勤、温泉、银越千、邹学奇、彭文雯，中航工业航空动力机械研究所)
　　版权声明：原文刊载于《国际航空》2016年第2期。欢迎分享，请注明出处。