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航空發(fā)動機風扇壓氣機設計 版權信息
- ISBN：9787030731104
- 條形碼：9787030731104 ; 978-7-03-073110-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
航空發(fā)動機風扇壓氣機設計 內容簡介
本書基于航空發(fā)動機風扇壓氣機設計技術發(fā)展現狀，按照系統(tǒng)工程的方法，總結并給出了風扇壓氣機設計流程。書中完整展現了風扇壓氣機的設計過程，分析并提出了航空發(fā)動機整機對風扇壓氣機部件的需求；詳細描述了一維設計與分析、S2流面設計與分析、葉片造型、S1流場和三維流場計算、氣動穩(wěn)定性等關鍵氣動設計／分析過程，以及部件結構布局、轉子／靜子、選材、六性等結構設計內容，并給出了具體設計案例；介紹了風扇壓氣機相關的試驗驗證方法和技術。
航空發(fā)動機風扇壓氣機設計 目錄
目錄
渦輪機械與推進系統(tǒng)出版項目 序
“兩機”專項：航空發(fā)動機技術出版工程 序
前言
第1章 航空發(fā)動機風扇壓氣機設計技術發(fā)展
1.1 風扇壓氣機的發(fā)展歷程和趨勢 004
1.1.1 軍用壓縮系統(tǒng) 005
1.1.2 民用壓縮系統(tǒng) 007
1.2 風扇壓氣機設計體系的發(fā)展 012
1.3 風扇壓氣機設計技術的發(fā)展 016
1.3.1 提高級壓比設計技術 016
1.3.2 葉片設計技術 019
1.3.3 全三維定常/非定常流場CFD分析技術 025
1.3.4 多級壓氣機全工況性能匹配技術 028
1.3.5 穩(wěn)定性設計技術 029
1.3.6 先進結構設計技術 031
1.4 小結和展望 034
參考文獻 035
第2章 風扇壓氣機設計流程
2.1 研制階段劃分 039
2.2 風扇壓氣機的設計過程劃分 042
2.2.1 可行性論證 042
2.2.2 方案設計 043
2.2.3 技術設計 043
2.2.4 詳細設計 044
2.2.5 生產裝配 044
2.2.6 試驗調試驗證 044
2.3 風扇壓氣機設計流程 044
2.3.1 設計輸入 046
2.3.2 —維設計及特性計算 046
2.3.3 S2流面設計 046
2.3.4 葉片造型設計 047
2.3.5 S1流面分析 047
2.3.6 葉片強度初步分析 048
2.3.7 三維流場分析 048
2.3.8 葉片顫振評估 049
2.3.9 強度壽命點計算 049
2.3.10 機匣處理設計 050
2.3.11 中介機匣設計 050
2.3.12 氣動穩(wěn)定性設計 051
2.3.13 結構布局設計 051
2.3.14 強度評估 051
2.3.15 關重件選材 052
2.3.16 打樣圖設計 052
2.3.17 強度計算分析 052
2.3.18 工程圖設計 053
2.3.19 評審與審批 053
2.3.20 設計輸出 053
2.3.21 生產和裝配 053
2.3.22 試驗驗證 053
參考文獻 054
第3章 航空發(fā)動機對風扇壓氣機的設計要求
3.1 氣動性能設計要求 055
3.1.1 概述 055
3.1.2 性能設計要求 057
3.1.3 氣動穩(wěn)定性設計要求 062
3.1.4 流路尺寸要求 064
3.1.5 流場設計要求 065
3.1.6 引氣要求 066
3.1.7 VBV故氣 066
3.1.8 工作環(huán)境和使用范圍要求 067
3.2 結構設計要求 069
3.2.1 一般結構設計要求 069
3.2.2 轉子結構設計要求 070
3.2.3 靜子結構設計要求 070
3.2.4 轉靜子間隙設計要求 071
3.2.5 連接結構設計要求 071
3.2.6 完整性基本要求 072
3.2.7 通用質量特性要求 073
3.2.8 重量要求 074
3.2.9 材料和工藝要求 074
第4章 一維氣動設計及主要參數選擇
4.1 一維設計及特性分析方法 076
4.1.1 一維設計及特性分析方法概述 076
4.1.2 一維設計方法 077
4.1.3 一維特性分析方法 084
4.2 —維設計參數選擇及實例分析 094
4.2.1 一維設計參數選擇 094
4.2.2 一維設計實例分析 098
4.3 一維特性分析參數選擇及實例分析 105
4.3.1 一維特性分析參數選擇 105
4.3.2 一維特性分析實例 105
4.4 壓氣機一維設計及分析發(fā)展趨勢展望 109
4.4.1 基元葉片法的使用 110
4.4.2 對于新型葉片造型方法的考慮 110
4.4.3 對于葉片彎掠設計技術的考慮 110
4.4.4 穩(wěn)定邊界判據的改進 110
4.4.5 設計經驗的積累 111
4.4.6 人工智能技術的運用 111
參考文獻 111
第5章 S2流面氣動設計與分析
5.1 S2流面氣動設計與分析方法 112
5.1.1 降維方法 113
5.1.2 降維數值模擬方法 117
5.2 S2流面設計 119
5.2.1 S2流面設計的流程 119
5.2.2 S2流面設計參數選擇 120
5.2.3 S2流面設計實例分析 131
5.3 S2流面分析及評估 135
5.3.1 S2分析計算模型及方法 137
5.3.2 二維平面葉柵流動模型在S2分析計算中的應用 140
5.3.3 S2流面分析計算中壓氣機堵塞的喘振邊界的判斷 147
5.3.4 S2流面分析計算基本流程 148
5.3.5 S2流面分析計算算例 150
參考文獻 153
第6章 葉片造型及S1流場分析
6.1 葉片造型方法發(fā)展概述 157
6.2 常用葉片設計方法 158
6.2.1 基于錐面展開面和回轉面的葉片設計方法 159
6.2.2 基元葉型造型方法 162
6.2.3 葉片積疊設計 176
6.3 葉片設計參數選取 178
6.3.1 葉片設計流程及流面輸入參數 178
6.3.2 葉片設計典型葉型參數定義與選取 180
6.3.3 葉片特征參數分析 183
6.3.4 典型葉片設計示例 185
6.4 S1流場分析 193
6.4.1 S1流面設計方法介紹 193
6.4.2 流場計算及分析 193
6.4.3 典型葉柵流場計算案例分析 197
6.5 非常規(guī)葉片設計 201
6.5.1 串列葉片 201
6.5.2 大小葉片 204
參考文獻 206
第7章 三維流場分析
7.1 三維流場CFD方法 208
7.1.1 三維流場分析的常用CFD方法 208
7.1.2 常用邊界條件定義方法 215
7.1.3 常用初場給定方法 220
7.1.4 三維非定常流動建模技術 220
7.2 影響CFD準確性的因素 226
7.2.1 網格分辨率及幾何細節(jié)的影響 227
7.2.2 湍流模型的影響 235
7.2.3 邊界條件及流動細節(jié)的影響 237
7.2.4 非定常模擬時間步長的影響 240
7.2.5 CFD準確性評價及應用原則 241
7.3 風扇壓氣機三維CFD結果分析 242
7.3.1 氣動特性數據后處理 243
7.3.2 流場CFD結果分析 245
參考文獻 249
第8章 風扇壓氣機結構設計
8.1 布局設計 252
8.1.1 中小涵道比風扇的結構布局 252
8.1.2 大涵道比風扇的結構布局 260
8.1.3 高壓壓氣機的結構布局 263
8.2 轉子設計 266
8.2.1 設計輸入與要求 266
8.2.2 轉子連接結構設計 267
8.2.3 轉子葉片連接結構設計 268
8.2.4 轉子引氣設計 269
8.2.5 轉子平衡 270
8.2.6 典型零件結構設計 271
8.3 靜子設計 277
8.3.1 設計輸入與要求 277
8.3.2 機匣設計 277
8.3.3 靜子葉片設計 283
8.3.4 靜葉調節(jié)機構設計 291
8.3.5 靜子封嚴結構設計 294
8.4 選材設計 296
8.4.1 選材原則 296
8.4.2 主要材料選擇 296
8.4.3 新材料發(fā)展 300
8.5 六性設計與分析方法 306
8.5.1 安全性設計與分析方法 306
8.5.2 可靠性設計與分析方法 309
8.5.3 維修性設計與分析方法 312
8.5.4 測試性設計與分析方法 314
8.5.5 保障性設計與分析方法 317
8.5.6 環(huán)境適應性設計與分析方法 318
8.6 常見故障模式 318
8.6.1 葉片常見的故障模式 319
8.6.2 輪盤/軸常見的故障模式 323
8.6.3 機匣常見的故障模式 325
8.6.4 其他故障模式 327
參考文獻 329
第9章 氣動穩(wěn)定性分析方法和擴穩(wěn)技術
9.1 氣動穩(wěn)定性分析方法 330
9.1.1 穩(wěn)定性理論在壓縮系統(tǒng)中的應用 330
9.1.2 基于葉片力的氣動穩(wěn)定性模型 332
9.1.3 基于三維解析模型的氣動穩(wěn)定性模型 344
9.2 進氣畸變條件下壓縮系統(tǒng)氣動穩(wěn)定性分析方法 351
9.2.1 進氣畸變指數 352
9.2.2 穩(wěn)定邊界壓比損失的關聯 353
9.2.3 平行壓氣機模型 356
9.2.4 激盤模型 364
9.2.5 徹體力模型 372
9.3 擴穩(wěn)技術 385
9.3.1 中間級放氣 385
9.3.2 可調靜子葉片 386
9.3.3 機匣處理 388
9.3.4 葉片邊界層流動控制 391
9.3.5 微射流主動控制技術 393
9.4 顫振 394
參考文獻 405
第10章 風扇壓氣機試驗驗證
10.1 葉柵試驗驗證和實驗研究 410
10.1.1 葉柵實驗簡介 410
10.1.2 葉柵實驗主要內容和測試要求 415
10.1.3 葉柵試驗測量結果分析及評判 422
10.2 低速模擬試驗驗證和實驗研究 425
10.2.1 低速模擬設計和實驗簡介 425
10.2.2 低速模擬實驗主要內容和測試要求 429
10.2.3 低速模擬試驗測量結果分析及評判 435
10.3 風扇壓氣機部件試驗驗證 451
10.3.1 風扇壓氣機部件試驗簡介 451
10.3.2 風扇壓氣機部件試驗主要內容和測試要求 451
10.3.3 風扇壓氣機部件試驗測量結果分析及評判 456
10.4 風扇壓氣機部件強度試驗驗證 466
10.4.1 風扇壓氣機強度試驗簡介 466
10.4.2 風扇壓氣機強度試驗主要內容和測試要求 469
10.4.3 風扇壓氣機強度試驗結果分析與評判 475
參考文獻 480
渦輪機械與推進系統(tǒng)出版項目 序
“兩機”專項：航空發(fā)動機技術出版工程 序
前言
第1章 航空發(fā)動機風扇壓氣機設計技術發(fā)展
1.1 風扇壓氣機的發(fā)展歷程和趨勢 004
1.1.1 軍用壓縮系統(tǒng) 005
1.1.2 民用壓縮系統(tǒng) 007
1.2 風扇壓氣機設計體系的發(fā)展 012
1.3 風扇壓氣機設計技術的發(fā)展 016
1.3.1 提高級壓比設計技術 016
1.3.2 葉片設計技術 019
1.3.3 全三維定常/非定常流場CFD分析技術 025
1.3.4 多級壓氣機全工況性能匹配技術 028
1.3.5 穩(wěn)定性設計技術 029
1.3.6 先進結構設計技術 031
1.4 小結和展望 034
參考文獻 035
第2章 風扇壓氣機設計流程
2.1 研制階段劃分 039
2.2 風扇壓氣機的設計過程劃分 042
2.2.1 可行性論證 042
2.2.2 方案設計 043
2.2.3 技術設計 043
2.2.4 詳細設計 044
2.2.5 生產裝配 044
2.2.6 試驗調試驗證 044
2.3 風扇壓氣機設計流程 044
2.3.1 設計輸入 046
2.3.2 —維設計及特性計算 046
2.3.3 S2流面設計 046
2.3.4 葉片造型設計 047
2.3.5 S1流面分析 047
2.3.6 葉片強度初步分析 048
2.3.7 三維流場分析 048
2.3.8 葉片顫振評估 049
2.3.9 強度壽命點計算 049
2.3.10 機匣處理設計 050
2.3.11 中介機匣設計 050
2.3.12 氣動穩(wěn)定性設計 051
2.3.13 結構布局設計 051
2.3.14 強度評估 051
2.3.15 關重件選材 052
2.3.16 打樣圖設計 052
2.3.17 強度計算分析 052
2.3.18 工程圖設計 053
2.3.19 評審與審批 053
2.3.20 設計輸出 053
2.3.21 生產和裝配 053
2.3.22 試驗驗證 053
參考文獻 054
第3章 航空發(fā)動機對風扇壓氣機的設計要求
3.1 氣動性能設計要求 055
3.1.1 概述 055
3.1.2 性能設計要求 057
3.1.3 氣動穩(wěn)定性設計要求 062
3.1.4 流路尺寸要求 064
3.1.5 流場設計要求 065
3.1.6 引氣要求 066
3.1.7 VBV故氣 066
3.1.8 工作環(huán)境和使用范圍要求 067
3.2 結構設計要求 069
3.2.1 一般結構設計要求 069
3.2.2 轉子結構設計要求 070
3.2.3 靜子結構設計要求 070
3.2.4 轉靜子間隙設計要求 071
3.2.5 連接結構設計要求 071
3.2.6 完整性基本要求 072
3.2.7 通用質量特性要求 073
3.2.8 重量要求 074
3.2.9 材料和工藝要求 074
第4章 一維氣動設計及主要參數選擇
4.1 一維設計及特性分析方法 076
4.1.1 一維設計及特性分析方法概述 076
4.1.2 一維設計方法 077
4.1.3 一維特性分析方法 084
4.2 —維設計參數選擇及實例分析 094
4.2.1 一維設計參數選擇 094
4.2.2 一維設計實例分析 098
4.3 一維特性分析參數選擇及實例分析 105
4.3.1 一維特性分析參數選擇 105
4.3.2 一維特性分析實例 105
4.4 壓氣機一維設計及分析發(fā)展趨勢展望 109
4.4.1 基元葉片法的使用 110
4.4.2 對于新型葉片造型方法的考慮 110
4.4.3 對于葉片彎掠設計技術的考慮 110
4.4.4 穩(wěn)定邊界判據的改進 110
4.4.5 設計經驗的積累 111
4.4.6 人工智能技術的運用 111
參考文獻 111
第5章 S2流面氣動設計與分析
5.1 S2流面氣動設計與分析方法 112
5.1.1 降維方法 113
5.1.2 降維數值模擬方法 117
5.2 S2流面設計 119
5.2.1 S2流面設計的流程 119
5.2.2 S2流面設計參數選擇 120
5.2.3 S2流面設計實例分析 131
5.3 S2流面分析及評估 135
5.3.1 S2分析計算模型及方法 137
5.3.2 二維平面葉柵流動模型在S2分析計算中的應用 140
5.3.3 S2流面分析計算中壓氣機堵塞的喘振邊界的判斷 147
5.3.4 S2流面分析計算基本流程 148
5.3.5 S2流面分析計算算例 150
參考文獻 153
第6章 葉片造型及S1流場分析
6.1 葉片造型方法發(fā)展概述 157
6.2 常用葉片設計方法 158
6.2.1 基于錐面展開面和回轉面的葉片設計方法 159
6.2.2 基元葉型造型方法 162
6.2.3 葉片積疊設計 176
6.3 葉片設計參數選取 178
6.3.1 葉片設計流程及流面輸入參數 178
6.3.2 葉片設計典型葉型參數定義與選取 180
6.3.3 葉片特征參數分析 183
6.3.4 典型葉片設計示例 185
6.4 S1流場分析 193
6.4.1 S1流面設計方法介紹 193
6.4.2 流場計算及分析 193
6.4.3 典型葉柵流場計算案例分析 197
6.5 非常規(guī)葉片設計 201
6.5.1 串列葉片 201
6.5.2 大小葉片 204
參考文獻 206
第7章 三維流場分析
7.1 三維流場CFD方法 208
7.1.1 三維流場分析的常用CFD方法 208
7.1.2 常用邊界條件定義方法 215
7.1.3 常用初場給定方法 220
7.1.4 三維非定常流動建模技術 220
7.2 影響CFD準確性的因素 226
7.2.1 網格分辨率及幾何細節(jié)的影響 227
7.2.2 湍流模型的影響 235
7.2.3 邊界條件及流動細節(jié)的影響 237
7.2.4 非定常模擬時間步長的影響 240
7.2.5 CFD準確性評價及應用原則 241
7.3 風扇壓氣機三維CFD結果分析 242
7.3.1 氣動特性數據后處理 243
7.3.2 流場CFD結果分析 245
參考文獻 249
第8章 風扇壓氣機結構設計
8.1 布局設計 252
8.1.1 中小涵道比風扇的結構布局 252
8.1.2 大涵道比風扇的結構布局 260
8.1.3 高壓壓氣機的結構布局 263
8.2 轉子設計 266
8.2.1 設計輸入與要求 266
8.2.2 轉子連接結構設計 267
8.2.3 轉子葉片連接結構設計 268
8.2.4 轉子引氣設計 269
8.2.5 轉子平衡 270
8.2.6 典型零件結構設計 271
8.3 靜子設計 277
8.3.1 設計輸入與要求 277
8.3.2 機匣設計 277
8.3.3 靜子葉片設計 283
8.3.4 靜葉調節(jié)機構設計 291
8.3.5 靜子封嚴結構設計 294
8.4 選材設計 296
8.4.1 選材原則 296
8.4.2 主要材料選擇 296
8.4.3 新材料發(fā)展 300
8.5 六性設計與分析方法 306
8.5.1 安全性設計與分析方法 306
8.5.2 可靠性設計與分析方法 309
8.5.3 維修性設計與分析方法 312
8.5.4 測試性設計與分析方法 314
8.5.5 保障性設計與分析方法 317
8.5.6 環(huán)境適應性設計與分析方法 318
8.6 常見故障模式 318
8.6.1 葉片常見的故障模式 319
8.6.2 輪盤/軸常見的故障模式 323
8.6.3 機匣常見的故障模式 325
8.6.4 其他故障模式 327
參考文獻 329
第9章 氣動穩(wěn)定性分析方法和擴穩(wěn)技術
9.1 氣動穩(wěn)定性分析方法 330
9.1.1 穩(wěn)定性理論在壓縮系統(tǒng)中的應用 330
9.1.2 基于葉片力的氣動穩(wěn)定性模型 332
9.1.3 基于三維解析模型的氣動穩(wěn)定性模型 344
9.2 進氣畸變條件下壓縮系統(tǒng)氣動穩(wěn)定性分析方法 351
9.2.1 進氣畸變指數 352
9.2.2 穩(wěn)定邊界壓比損失的關聯 353
9.2.3 平行壓氣機模型 356
9.2.4 激盤模型 364
9.2.5 徹體力模型 372
9.3 擴穩(wěn)技術 385
9.3.1 中間級放氣 385
9.3.2 可調靜子葉片 386
9.3.3 機匣處理 388
9.3.4 葉片邊界層流動控制 391
9.3.5 微射流主動控制技術 393
9.4 顫振 394
參考文獻 405
第10章 風扇壓氣機試驗驗證
10.1 葉柵試驗驗證和實驗研究 410
10.1.1 葉柵實驗簡介 410
10.1.2 葉柵實驗主要內容和測試要求 415
10.1.3 葉柵試驗測量結果分析及評判 422
10.2 低速模擬試驗驗證和實驗研究 425
10.2.1 低速模擬設計和實驗簡介 425
10.2.2 低速模擬實驗主要內容和測試要求 429
10.2.3 低速模擬試驗測量結果分析及評判 435
10.3 風扇壓氣機部件試驗驗證 451
10.3.1 風扇壓氣機部件試驗簡介 451
10.3.2 風扇壓氣機部件試驗主要內容和測試要求 451
10.3.3 風扇壓氣機部件試驗測量結果分析及評判 456
10.4 風扇壓氣機部件強度試驗驗證 466
10.4.1 風扇壓氣機強度試驗簡介 466
10.4.2 風扇壓氣機強度試驗主要內容和測試要求 469
10.4.3 風扇壓氣機強度試驗結果分析與評判 475
參考文獻 480
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航空發(fā)動機風扇壓氣機設計 節(jié)選
第1章航空發(fā)動機風扇壓氣機設計技術發(fā)展 航空燃氣渦輪發(fā)動機是飛機的“心臟”，是在高溫、高壓、高速旋轉等惡劣環(huán)境條件下長期可靠工作的復雜熱力機械，是知識和技術高度密集的高科技典型產品，被譽為“工業(yè)皇冠上的明珠”，其研制水平體現了一個國家的綜合國力。目前世界上只有中國和美、俄、法、英等少數幾個國家能獨立制造擁有全部自主知識產權的航空渦輪發(fā)動機。 在燃氣渦輪發(fā)動機的研制中，高壓壓氣機是核心關鍵部件，堪稱明珠上的“鉆石”。壓氣機是提高流經燃氣渦輪發(fā)動機空氣壓力的裝置，即利用高速旋轉的葉片對空氣做功，將機械能轉變?yōu)閴毫δ埽瑢⒖諝鈮嚎s，并提高空氣壓力，為燃氣膨脹做功創(chuàng)造條件。 壓氣機由轉子、靜子和一系列功能性系統(tǒng)（如葉片調節(jié)、引氣、防冰等）組成。轉子由轉子葉片、盤、軸頸及連接件等構成。靜子由導向葉片和靜子（或整流）葉片、機匣、內環(huán)和封嚴環(huán)等組成。壓氣機按照氣流流動的方向，可以劃分為軸流式、離心式、斜流式和混合式⑴，如圖1.1所示。簡單說明如下。 （1）軸流式壓氣機。氣流軸向流人和流出，氣流的靜壓增加是通過葉片通道實現的。目前在大中型航空燃氣渦輪發(fā)動機中，主要采用軸流式壓氣機。其主要優(yōu)點是迎風面積小、流通能力強、效率高，適用于大流量、高性能的航空發(fā)動機。 （2）離心式壓氣機。氣流經導風輪后，軸向流人、徑向流出，受強大的離心力作用使靜壓上升。因此，其主要特點是離心增壓。其葉輪出口半徑比進口半徑大得多，因此單級壓縮功可以很大，單級壓比較高，是早期噴氣式發(fā)動機使用的壓縮部件。目前離心式壓氣機一般應用于小型航空發(fā)動機，其優(yōu)點是結構簡單、特性寬廣，缺點是徑向尺寸大、迎風面積大。 （3）斜流式壓氣機。氣流軸向流人、斜向流出。靜壓上升一部分來自葉片擴壓，一部分源自離心增壓。它比離心式壓氣機的迎風面積小，氣流方向改變較小，因此介于軸流式壓氣機和離心式壓氣機之間，在工業(yè)壓縮機上得到廣泛應用。 （4）組合式壓氣機。它由軸流式壓氣機或斜流式壓氣機與離心式壓氣機串聯組合形成，通常根據發(fā)動機總壓比需求而確定，廣泛應用于小型航空燃氣渦輪發(fā)動機中。 本書主要介紹軸流式壓氣機的設計。軸流式壓氣機具有迎風面積小、流通能力強、高壓比、高效率等優(yōu)點，廣泛應用于軍、民用大中型航空燃氣渦輪發(fā)動機，以及地面大型燃氣輪機。 以渦扇發(fā)動機為例，說明風扇壓氣機的工作原理，如圖1.2所示[2]，進入發(fā)動機的氣流首先經風扇增壓，然后一部分進入高壓壓氣機，進一步提高壓氣機的出口壓力和發(fā)動機增壓比;另一部分進入外涵道，并通過外涵道對外做功，提高發(fā)動機的推力。 航空發(fā)動機中用于增壓的部件組合稱為壓縮系統(tǒng)，其組成示意如圖1.3所示，本書統(tǒng)稱為壓氣機。在單軸渦噴發(fā)動機中，壓縮部件為多級壓氣機;在雙軸渦噴發(fā)動機中，壓縮部件為低壓壓氣機和高壓壓氣機。渦扇發(fā)動機一般為雙軸，軍用小涵道比渦扇發(fā)動機的壓縮部件為風扇和高壓壓氣機，民用大涵道比渦扇發(fā)動機的壓縮部件為風扇、低壓壓氣機（又稱增壓級或中壓壓氣機）和高壓壓氣機。羅 羅公司的民用渦扇發(fā)動機一般為三軸，分別帶動風扇、中壓壓氣機和高壓壓氣機。 風扇壓氣機技術涉及氣動熱力、結構強度、材料、制造工藝和試驗測試等眾多學科，是技術密集的多學科綜合，因其具有全轉速工況*狹窄的安全可用范圍，故決定著發(fā)動機研制的成敗。壓氣機研制技術水平的高低極大地影響著燃氣渦輪發(fā)動機產品性能的優(yōu)劣，是航空發(fā)動機研制的瓶頸技術。高壓壓氣機的主要設計難點是：壓氣機級數多，氣流流動在強逆壓力梯度下進行，存在著復雜的全轉速多級匹配和喘振問題，使其高效、穩(wěn)定工作極其困難，進而決定了壓氣機的工作范圍和可用性;另外，壓氣機葉片薄，在全飛行包線內存在各種各樣的振動，特別是當氣流品質難以受控時，其帶來的高低周疲勞問題往往困擾發(fā)動機全壽命周期及全過程的使用。軍用航空發(fā)動機的飛行包線遠比民用發(fā)動機寬廣，因此工作環(huán)境更為惡劣，設計難度更高。 在各類風扇壓氣機設計中，多級高壓壓氣機的設計難度*大，這主要是因為多級高壓壓氣機的總壓比高、級數多，既要保證設計狀態(tài)下能夠高效地工作，又要實現在寬廣的工作范圍內各級良好匹配，以保證整個壓氣機穩(wěn)定、高效地工作。著名航空發(fā)動機專家陳懋章院士曾指出，在壓氣機氣動力學、計算流體力學和計算結構力學都取得了很大進展的今天，高壓壓氣機的研制依然是高風險、高難度的工作，高壓壓氣機的設計至今依然是發(fā)動機研制中的技術瓶頸之一。國際上不乏高壓壓氣機研制出現挫折的例子，例如，普惠公司PW6000發(fā)動機研制中，高壓壓氣機性能未能達到設計要求，*終改用MTU公司設計的六級高壓壓氣機[4]。 1.1風扇壓氣機的發(fā)展歷程和趨勢 1853年，法國科學院的Tournaire提出了多級軸流壓氣機的概念，時隔30余年的1884年，Parsons進行了世界上**次軸流壓氣機試驗，但只是簡單地將多級渦輪反轉，效率極低。直至1904年，Parsons研制了真正意義上的軸流壓氣機，這臺壓氣機沒有達到預定的壓比，在設計點附近失速，效率僅為50%～60%，但這是一個具有重要意義的起步。 20世紀30年代，美國NACA（NASA前身）和英國皇家航空研究院（Royal Aircraft Establishment，RAE）開展了大量的軸流壓氣機研究工作，研制了多種軸流壓氣機。其中，1938年RAE研制成功了8級軸流壓氣機（Anne），其壓比為2.4。50年代末，GE公司J79發(fā)動機的17級壓氣機，其壓比為12.5[4]。 20世紀七八十年代，第三代戰(zhàn)斗機動力上采用的壓氣機全面研制成功，F100發(fā)動機的10級壓氣機總壓比為7.8，RD33發(fā)動機的9級壓氣機壓比為6.6，F110發(fā)動機的9級壓氣機壓比達到9.7[4]，這些壓氣機采用的很多設計技術，如弓形靜子葉片、掠型轉子葉片、黏性三維氣動設計、小展弦比葉片設計等技術，在今天仍然非常實用。1982年，GE公司E3發(fā)動機的10級壓氣機壓比達到23。 美國從1988年起15年內投入50億美元，實施了“綜合高性能渦輪發(fā)動機技術，，（Integrated High-Performance Turbine Engine Technology，IHPTET）計劃，目的是跨越技術上的障礙，使推進系統(tǒng)性能提高1倍。20世紀90年代末，GE公司與艾利遜預研公司聯合研制的4級壓氣機達到了F100發(fā)動機10級壓氣機同樣的總壓比，該壓氣機通過IHPTET計劃得到了驗證[4]。21世紀初，MTU公司成功地研制了6級高壓壓氣機，其總壓比約為11，已被選為PW6000發(fā)動機的高壓壓氣機，這是這一量級的高負荷壓氣機首次在發(fā)動機上得到應用，該項目還獲得2002年德國工業(yè)創(chuàng)新獎。 20世紀末，一些新的氣動設計概念逐步應用于壓氣機設計，1998年麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的Kerrebrock提出的3級吸附式壓氣機方案達到壓比為27；000年，北京航空航天大學的陳懋章院士設計了2級大小葉片壓氣機實現壓比為6的方案[4]。 進人21世紀，作為航空發(fā)動機的核心部件——風扇壓氣機，級負荷在不斷增大，性能也在不斷提高，而且近年來由于先進技術的應用，風扇壓氣機的技術水平進人了跨越式迅猛發(fā)展時期。美國IHPTET計劃的后續(xù)計劃通用可承受先進渦輪發(fā)動機項目（Versatile Affordable Advanced Turbine Engines，VAATE），其派生子計劃之一'自適應通用發(fā)動機技術（Adaptive Versatile Engine Technology，ADVENT）項目針對自適應變循環(huán)發(fā)動機技術進行研究，而另一子計劃高效嵌人式渦輪發(fā)動機（Highly Efficient Embedded Turbine Engine，HEETE）中，GE公司提出了70:1的超高總壓比目標[6]。 總之，近半個世紀，風扇壓氣機設計技術迅猛發(fā)展，性能水平大幅提高，其級平均壓比、總壓比和效率都有了很大提升，雖然一些級負荷過高的壓氣機并沒有得到工程應用，但是以三維葉片幾何結構實現壓氣機流量、壓比、效率和穩(wěn)定裕度在全轉速范圍內的協(xié)調增長，顯著地提升了現代航空發(fā)動機的整體水平。 1.1.1軍用壓縮系統(tǒng) 軍用小涵道比渦扇發(fā)動機的壓縮系統(tǒng)一般包括風扇和高壓壓氣機，如圖1.3所示。航空發(fā)動機的發(fā)展方向為高推重比和低油耗，這就要求發(fā)動機的關鍵部件——風扇壓氣機具有高負荷、高通流和高效率的綜合能力。軍用小涵道比渦扇發(fā)動機的壓縮系統(tǒng)總增壓比一般為20~30，但為了減輕重量、提高發(fā)動機推重比，壓氣機級數減少，平均級壓比越來越高。 20世紀40年代初以來，戰(zhàn)斗機已研制發(fā)展了四代（俄系分為五代），相應的發(fā)動機也分為四代，詳細比較和說明見表1.1。 1.級壓比越來越高 表1.2列出了現役的第3代和第4代（含3代半）典型軍用渦扇發(fā)動機的風扇、壓氣機的參數比較。從參數對比可以看出，第4代軍用發(fā)動機F119以及3代半的EJ200和M88-3發(fā)動機的壓氣機的級壓比水平大于1.3，而第3代不到1.29。這一進步獲益于現代計算機技術與調節(jié)技術的迅猛發(fā)展，逐步建立了基于傳統(tǒng)基元流動設計與現代三維流動控制設計相結合的、較為先進的設計方案。 2.葉尖切線速度越來越高 軸流壓氣機發(fā)展初期，對跨聲速基元級流動規(guī)律的認識不足’轉子葉尖切線速度控制在300m/s甚至更低。直到20世紀70年代，逐步明確了超聲基元的流動機理和損失特征，才將軸流壓氣機帶人“跨聲速”時代，激波增壓使壓氣機的單級壓比得到大幅提高。表1.3為風扇和高壓壓氣機的平均級壓比、葉尖切線速度的比較[5]。由表可見，隨風扇、壓氣機平均級壓比不斷提高的同時，葉尖切線速度也在不斷提高，四代機F119風扇的葉尖切線速度已經提高到了500m/s，這是由于風扇的總壓比、輪轂比、進氣溫度和喘振裕度均低于高壓壓氣機，因此平均級壓比可以設計得更高一些。
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