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轻型动力实验室科研进展
发稿时间:2017-06-08         作者:赵胜丰 韩戈 阳诚武 卢新根          来源:轻型动力实验室     【字号:

  压缩系统是航空发动机的三大部件之一,不仅对发动机的推重比、耗油率等性能起关键作用,而且对整机的稳定性、可靠性也有重大影响。作为航空发动机的重要组成部分,压气机设计汇集了多种学科的最新研究成果,包括叶轮机械气动力学、粘性流体力学、计算流体力学、计算结构力学、结构设计、气动弹性力学以及先进测量技术等多种学科。随着这些学科长足的进步,压气机设计领域涌现出许多新思想和新概念,使得航空压气机的级压比不断提高,气动负荷逐渐加大,不断满足高性能发动机的设计使用要求。 

  轻型动力实验室一直致力于具有高通流能力、高平均级压比、高效率和宽稳定裕度的压缩系统内部流动机理及设计方法研究,本文介绍了实验室近期在压缩系统研究方面取得的一些进展,以及一些新技术和新概念在压气机设计中的应用情况。 

  一、 高通流高效率风扇 

  风扇是涡扇发动机中尺寸和重量最大的部件之一,其性能的好坏不仅直接决定了发动机耗油率等性能参数,而且对涡扇发动机整机的稳定性和可靠性也有重大影响。研究人员以小型涡扇发动机为应用对象,开展了三维造型设计对风扇内部激波及端区复杂流场结构影响规律研究,突破了跨音速宽弦复合掠转子叶片设计、高负荷静子叶片设计和大后掠静子叶片设计等关键技术,建立了宽弦复合掠风扇的设计方法和设计软件,完成了试验验证,实现了风扇设计压比1.65,效率91%,稳定裕度16.7%的技术指标,研究成果已经应用于研究所在研的小型涡扇发动机中。 

  在此基础上,探索了一种既能实现风扇流通能力和内涵增压比大幅度提高,又能保证风扇效率和稳定裕度不变的进口带非全叶高增压转子高通流风扇构型。开展了新型布局风扇内部复杂流动机理研究,总结关键参数影响规律,初步建立新型布局风扇的设计方法,完成了新型布局风扇的设计。与常规宽弦复合掠风扇布局相比,新型风扇布局能够在保证风扇效率和稳定工作裕度不变的前提下,风扇的单位面积流量可增加5%,内涵增压比可增加30%,展现了新型风扇布局在进一步提升风扇气动性能方面潜力巨大。下一步将构建新型布局风扇验证平台,完成进口带非全叶高增压转子高通流风扇设计方法和设计技术的试验验证。 

  二、 高负荷多级轴流压气机 

  高压压气机一直向着高压比和低级数的方向发展,提高压气机的平均级压比一直是设计者不断的追求目标。针对未来更高推(功)重比动机需求,开展平均负荷系数0.4以上的多级压气机先进气动布局、内部复杂流动机理及设计方法研究,利用强根部设计、高反力度设计、低展弦比设计、叶片多型面耦合设计等气动设计技术,研制了平均级负荷系数0.4以上的2.5级轴流压气机并在高速压气机试验台上完成验证,实现了两级压比2.7,效率88%,稳定裕度17.5%的技术指标。 

  在此基础上,针对高压压气机后面级,探索一种通过剪裁压气机子午流道扩张度和叶片弯角来降低压气机的间隙敏感性的新型压气机气动布局,开展了扩张形通道优化设计及内部流动研究,归纳了子午面流道型式、子午面扩张角、叶型弯角、叶型最大弯度位置、轴向掠型和叶栅稠度等参数对扩张形通道压气机的影响规律,形成具有扩张型通道的压气机设计方法,并在压气机试验台上完成了实验验证,具有扩散形通道压气机在保证压气机效率基本不变的前提下使得压气机裕度提高了4.8% 

  三、高压比离心压气机 

  离心压气机由于其结构简单,单级压比高,在中小型航空发动机中得到广泛应用。研究团队以在研中小型航空发动机为应用对象,开展了单级高压比离心压气机中内部流动机理及设计方法研究,针对超音速不均匀来流下扩压器的设计难题,提出了一种可以通过控制扩压器叶片几何角度分布以及叶片厚度分布的新型楔形扩压器,通过灵活调节新型扩压器叶片的形状来组织扩压器内的流动,降低了扩压器内部流动损失。 

  完成了离心压气机设计及试验验证,实现了单级压比8.1,设计点效率80.2%,稳定裕度15.5%的技术指标达到国际先进水平。目前该高压比离心压气机已经应用于在研的小型涡轴发动机中。在此基础上,研究团队进一步开展了单级压比11离心压气机设计及内部流动机理研究,探索了多分流叶片、串列叶轮、可控扩散叶轮等先进气动设计方法,优化离心叶轮与扩压器之间匹配关系,完成了单级压比11压气机设计,数值计算获得该压气机效率79%,综合裕度15.9%,目前正在开展单级压比11压气机试验验证。 

  四、管式扩压器 

  管式扩压器特殊的燕尾型前缘形状能够较好地适应离心叶轮出口超音速不均匀气流,是解决高压比离心压气机扩压器设计难题的有效手段。研究人员基于中小型航空发动机,开展了管式扩压器内部复杂流动机理及设计方法研究。归纳总结了喉部长度、扩张角、喉部面积、通道数以及截面形状等进口几何参数对管式扩压器性能影响规律,并将管式扩压器进口几何参数与前缘对涡的产生和发展过程有机关联,提出了管式扩压器进口几何参数通过改变前缘对涡产生及发展过程,从而影响压气机性能的观点,为管式扩压器的设计提供了理论指导。 

  在此基础上,探索了4种管式扩压器的转弯布局型式,对比了不同转弯布局型式下管式扩压器内部复杂涡系的发展过程以及损失分布,获得了一种鱼尾型转弯布局型式,并开展了关键参数沿流程分布规律的研究,建立了鱼尾型管式扩压器设计方法,完成了小型涡轴发动机以及小型涡扇发动机扩压器设计,在稳定裕度不变的前提下,使得压气机压比和效率有较大提高,外径有所减小。 

  五、结语 

  近几年,轻型动力研发团队基于中小型航空发动机需求,结合本专业的前沿发展方向,开展了一系列高性能压缩系统的研究,获得了多款达到国际先进水平的高负荷高性能压缩系统,有效支撑了航空发动机的研制,丰富了我国压缩系统数据库;提出了一些新颖的压缩系统布局、设计思路和设计方法,进一步提升了我国中小型航空发动机压缩系统设计水平和自主创新能力。 

 
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