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精彩书摘

第1章航空发动机风扇压气机设计技术发展
　　航空燃气涡轮发动机是飞机的“心脏”，是在高温、高压、高速旋转等恶劣环境条件下长期可靠工作的复杂热力机械，是知识和技术高度密集的高科技典型产品，被誉为“工业皇冠上的明珠”，其研制水平体现了一个国家的综合国力。目前世界上只有中国和美、俄、法、英等少数几个国家能独立制造拥有全部自主知识产权的航空涡轮发动机。
　　在燃气涡轮发动机的研制中，高压压气机是核心关键部件，堪称明珠上的“钻石”。压气机是提高流经燃气涡轮发动机空气压力的装置，即利用高速旋转的叶片对空气做功，将机械能转变为压力能，将空气压缩，并提高空气压力，为燃气膨胀做功创造条件。
　　压气机由转子、静子和一系列功能性系统（如叶片调节、引气、防冰等）组成。转子由转子叶片、盘、轴颈及连接件等构成。静子由导向叶片和静子（或整流）叶片、机匣、内环和封严环等组成。压气机按照气流流动的方向，可以划分为轴流式、离心式、斜流式和混合式⑴，如图1.1所示。简单说明如下。
　　（1）轴流式压气机。气流轴向流人和流出，气流的静压增加是通过叶片通道实现的。目前在大中型航空燃气涡轮发动机中，主要采用轴流式压气机。其主要优点是迎风面积小、流通能力强、效率高，适用于大流量、高性能的航空发动机。
　　（2）离心式压气机。气流经导风轮后，轴向流人、径向流出，受强大的离心力作用使静压上升。因此，其主要特点是离心增压。其叶轮出口半径比进口半径大得多，因此单级压缩功可以很大，单级压比较高，是早期喷气式发动机使用的压缩部件。目前离心式压气机一般应用于小型航空发动机，其优点是结构简单、特性宽广，缺点是径向尺寸大、迎风面积大。
　　（3）斜流式压气机。气流轴向流人、斜向流出。静压上升一部分来自叶片扩压，一部分源自离心增压。它比离心式压气机的迎风面积小，气流方向改变较小，因此介于轴流式压气机和离心式压气机之间，在工业压缩机上得到广泛应用。
　　（4）组合式压气机。它由轴流式压气机或斜流式压气机与离心式压气机串联组合形成，通常根据发动机总压比需求而确定，广泛应用于小型航空燃气涡轮发动机中。
　　本书主要介绍轴流式压气机的设计。轴流式压气机具有迎风面积小、流通能力强、高压比、高效率等优点，广泛应用于军、民用大中型航空燃气涡轮发动机，以及地面大型燃气轮机。
　　以涡扇发动机为例，说明风扇压气机的工作原理，如图1.2所示[2]，进入发动机的气流首先经风扇增压，然后一部分进入高压压气机，进一步提高压气机的出口压力和发动机增压比;另一部分进入外涵道，并通过外涵道对外做功，提高发动机的推力。
　　航空发动机中用于增压的部件组合称为压缩系统，其组成示意如图1.3所示，本书统称为压气机。在单轴涡喷发动机中，压缩部件为多级压气机;在双轴涡喷发动机中，压缩部件为低压压气机和高压压气机。涡扇发动机一般为双轴，军用小涵道比涡扇发动机的压缩部件为风扇和高压压气机，民用大涵道比涡扇发动机的压缩部件为风扇、低压压气机（又称增压级或中压压气机）和高压压气机。罗罗公司的民用涡扇发动机一般为三轴，分别带动风扇、中压压气机和高压压气机。
　　风扇压气机技术涉及气动热力、结构强度、材料、制造工艺和试验测试等众多学科，是技术密集的多学科综合，因其具有全转速工况最狭窄的安全可用范围，故决定着发动机研制的成败。压气机研制技术水平的高低极大地影响着燃气涡轮发动机产品性能的优劣，是航空发动机研制的瓶颈技术。高压压气机的主要设计难点是：压气机级数多，气流流动在强逆压力梯度下进行，存在着复杂的全转速多级匹配和喘振问题，使其高效、稳定工作极其困难，进而决定了压气机的工作范围和可用性;另外，压气机叶片薄，在全飞行包线内存在各种各样的振动，特别是当气流品质难以受控时，其带来的高低周疲劳问题往往困扰发动机全寿命周期及全过程的使用。军用航空发动机的飞行包线远比民用发动机宽广，因此工作环境更为恶劣，设计难度更高。
　　在各类风扇压气机设计中，多级高压压气机的设计难度最大，这主要是因为多级高压压气机的总压比高、级数多，既要保证设计状态下能够高效地工作，又要实现在宽广的工作范围内各级良好匹配，以保证整个压气机稳定、高效地工作。著名航空发动机专家陈懋章院士曾指出，在压气机气动力学、计算流体力学和计算结构力学都取得了很大进展的今天，高压压气机的研制依然是高风险、高难度的工作，高压压气机的设计至今依然是发动机研制中的技术瓶颈之一。国际上不乏高压压气机研制出现挫折的例子，例如，普惠公司PW6000发动机研制中，高压压气机性能未能达到设计要求，最终改用MTU公司设计的六级高压压气机[4]。
　　1.1风扇压气机的发展历程和趋势
　　1853年，法国科学院的Tournaire提出了多级轴流压气机的概念，时隔30余年的1884年，Parsons进行了世界上第一次轴流压气机试验，但只是简单地将多级涡轮反转，效率极低。直至1904年，Parsons研制了真正意义上的轴流压气机，这台压气机没有达到预定的压比，在设计点附近失速，效率仅为50%～60%，但这是一个具有重要意义的起步。
　　20世纪30年代，美国NACA（NASA前身）和英国皇家航空研究院（Royal Aircraft Establishment，RAE）开展了大量的轴流压气机研究工作，研制了多种轴流压气机。其中，1938年RAE研制成功了8级轴流压气机（Anne），其压比为2.4。50年代末，GE公司J79发动机的17级压气机，其压比为12.5[4]。
　　20世纪七八十年代，第三代战斗机动力上采用的压气机全面研制成功，F100发动机的10级压气机总压比为7.8，RD33发动机的9级压气机压比为6.6，F110发动机的9级压气机压比达到9.7[4]，这些压气机采用的很多设计技术，如弓形静子叶片、掠型转子叶片、黏性三维气动设计、小展弦比叶片设计等技术，在今天仍然非常实用。1982年，GE公司E3发动机的10级压气机压比达到23。
　　美国从1988年起15年内投入50亿美元，实施了“综合高性能涡轮发动机技术，，（Integrated High-Performance Turbine Engine Technology，IHPTET）计划，目的是跨越技术上的障碍，使推进系统性能提高1倍。20世纪90年代末，GE公司与艾利逊预研公司联合研制的4级压气机达到了F100发动机10级压气机同样的总压比，该压气机通过IHPTET计划得到了验证[4]。21世纪初，MTU公司成功地研制了6级高压压气机，其总压比约为11，已被选为PW6000发动机的高压压气机，这是这一量级的高负荷压气机首次在发动机上得到应用，该项目还获得2002年德国工业创新奖。
　　20世纪末，一些新的气动设计概念逐步应用于压气机设计，1998年麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的Kerrebrock提出的3级吸附式压气机方案达到压比为27；000年，北京航空航天大学的陈懋章院士设计了2级大小叶片压气机实现压比为6的方案[4]。
　　进人21世纪，作为航空发动机的核心部件——风扇压气机，级负荷在不断增大，性能也在不断提高，而且近年来由于先进技术的应用，风扇压气机的技术水平进人了跨越式迅猛发展时期。美国IHPTET计划的后续计划通用可承受先进涡轮发动机项目（Versatile Affordable Advanced Turbine Engines，VAATE），其派生子计划之一'自适应通用发动机技术（Adaptive Versatile Engine Technology，ADVENT）项目针对自适应变循环发动机技术进行研究，而另一子计划高效嵌人式涡轮发动机（Highly Efficient Embedded Turbine Engine，HEETE）中，GE公司提出了70:1的超高总压比目标[6]。
　　总之，近半个世纪，风扇压气机设计技术迅猛发展，性能水平大幅提高，其级平均压比、总压比和效率都有了很大提升，虽然一些级负荷过高的压气机并没有得到工程应用，但是以三维叶片几何结构实现压气机流量、压比、效率和稳定裕度在全转速范围内的协调增长，显著地提升了现代航空发动机的整体水平。
　　1.1.1军用压缩系统
　　军用小涵道比涡扇发动机的压缩系统一般包括风扇和高压压气机，如图1.3所示。航空发动机的发展方向为高推重比和低油耗，这就要求发动机的关键部件——风扇压气机具有高负荷、高通流和高效率的综合能力。军用小涵道比涡扇发动机的压缩系统总增压比一般为20~30，但为了减轻重量、提高发动机推重比，压气机级数减少，平均级压比越来越高。
　　20世纪40年代初以来，战斗机已研制发展了四代（俄系分为五代），相应的发动机也分为四代，详细比较和说明见表1.1。
　　1.级压比越来越高
　　表1.2列出了现役的第3代和第4代（含3代半）典型军用涡扇发动机的风扇、压气机的参数比较。从参数对比可以看出，第4代军用发动机F119以及3代半的EJ200和M88-3发动机的压气机的级压比水平大于1.3，而第3代不到1.29。这一进步获益于现代计算机技术与调节技术的迅猛发展，逐步建立了基于传统基元流动设计与现代三维流动控制设计相结合的、较为先进的设计方案。
　　2.叶尖切线速度越来越高
　　轴流压气机发展初期，对跨声速基元级流动规律的认识不足’转子叶尖切线速度控制在300m/s甚至更低。直到20世纪70年代，逐步明确了超声基元的流动机理和损失特征，才将轴流压气机带人“跨声速”时代，激波增压使压气机的单级压比得到大幅提高。表1.3为风扇和高压压气机的平均级压比、叶尖切线速度的比较[5]。由表可见，随风扇、压气机平均级压比不断提高的同时，叶尖切线速度也在不断提高，四代机F119风扇的叶尖切线速度已经提高到了500m/s，这是由于风扇的总压比、轮毂比、进气温度和喘振裕度均低于高压压气机，因此平均级压比可以设计得更高一些。

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目录
涡轮机械与推进系统出版项目序
“两机”专项：航空发动机技术出版工程序
前言
第1章　航空发动机风扇压气机设计技术发展
1.1　风扇压气机的发展历程和趋势　004
1.1.1　军用压缩系统　005
1.1.2　民用压缩系统　007
1.2　风扇压气机设计体系的发展　012
1.3　风扇压气机设计技术的发展　016
1.3.1　提高级压比设计技术　016
1.3.2　叶片设计技术　019
1.3.3　全三维定常/非定常流场CFD分析技术　025
1.3.4　多级压气机全工况性能匹配技术　028
1.3.5　稳定性设计技术　029
1.3.6　先进结构设计技术　031
1.4　小结和展望　034
参考文献　035
第2章　风扇压气机设计流程
2.1　研制阶段划分　039
2.2　风扇压气机的设计过程划分　042
2.2.1　可行性论证　042
2.2.2　方案设计　043
2.2.3　技术设计　043
2.2.4　详细设计　044
2.2.5　生产装配　044
2.2.6　试验调试验证　044
2.3　风扇压气机设计流程　044
2.3.1　设计输入　046
2.3.2　—维设计及特性计算　046
2.3.3　S2流面设计　046
2.3.4　叶片造型设计　047
2.3.5　S1流面分析　047
2.3.6　叶片强度初步分析　048
2.3.7　三维流场分析　048
2.3.8　叶片颤振评估　049
2.3.9　强度寿命点计算　049
2.3.10　机匣处理设计　050
2.3.11　中介机匣设计　050
2.3.12　气动稳定性设计　051
2.3.13　结构布局设计　051
2.3.14　强度评估　051
2.3.15　关重件选材　052
2.3.16　打样图设计　052
2.3.17　强度计算分析　052
2.3.18　工程图设计　053
2.3.19　评审与审批　053
2.3.20　设计输出　053
2.3.21　生产和装配　053
2.3.22　试验验证　053
参考文献　054
第3章　航空发动机对风扇压气机的设计要求
3.1　气动性能设计要求　055
3.1.1　概述　055
3.1.2　性能设计要求　057
3.1.3　气动稳定性设计要求　062
3.1.4　流路尺寸要求　064
3.1.5　流场设计要求　065
3.1.6　引气要求　066
3.1.7　VBV故气　066
3.1.8　工作环境和使用范围要求　067
3.2　结构设计要求　069
3.2.1　一般结构设计要求　069
3.2.2　转子结构设计要求　070
3.2.3　静子结构设计要求　070
3.2.4　转静子间隙设计要求　071
3.2.5　连接结构设计要求　071
3.2.6　完整性基本要求　072
3.2.7　通用质量特性要求　073
3.2.8　重量要求　074
3.2.9　材料和工艺要求　074
第4章　一维气动设计及主要参数选择
4.1　一维设计及特性分析方法　076
4.1.1　一维设计及特性分析方法概述　076
4.1.2　一维设计方法　077
4.1.3　一维特性分析方法　084
4.2　—维设计参数选择及实例分析　094
4.2.1　一维设计参数选择　094
4.2.2　一维设计实例分析　098
4.3　一维特性分析参数选择及实例分析　105
4.3.1　一维特性分析参数选择　105
4.3.2　一维特性分析实例　105
4.4　压气机一维设计及分析发展趋势展望　109
4.4.1　基元叶片法的使用　110
4.4.2　对于新型叶片造型方法的考虑　110
4.4.3　对于叶片弯掠设计技术的考虑　110
4.4.4　稳定边界判据的改进　110
4.4.5　设计经验的积累　111
4.4.6　人工智能技术的运用　111
参考文献　111
第5章　S2流面气动设计与分析
5.1　S2流面气动设计与分析方法　112
5.1.1　降维方法　113
5.1.2　降维数值模拟方法　117
5.2　S2流面设计　119
5.2.1　S2流面设计的流程　119
5.2.2　S2流面设计参数选择　120
5.2.3　S2流面设计实例分析　131
5.3　S2流面分析及评估　135
5.3.1　S2分析计算模型及方法　137
5.3.2　二维平面叶栅流动模型在S2分析计算中的应用　140
5.3.3　S2流面分析计算中压气机堵塞的喘振边界的判断　147
5.3.4　S2流面分析计算基本流程　148
5.3.5　S2流面分析计算算例　150
参考文献　153
第6章　叶片造型及S1流场分析
6.1　叶片造型方法发展概述　157
6.2　常用叶片设计方法　158
6.2.1　基于锥面展开面和回转面的叶片设计方法　159
6.2.2　基元叶型造型方法　162
6.2.3　叶片积叠设计　176
6.3　叶片设计参数选取　178
6.3.1　叶片设计流程及流面输入参数　178
6.3.2　叶片设计典型叶型参数定义与选取　180
6.3.3　叶片特征参数分析　183
6.3.4　典型叶片设计示例　185
6.4　S1流场分析　193
6.4.1　S1流面设计方法介绍　193
6.4.2　流场计算及分析　193
6.4.3　典型叶栅流场计算案例分析　197
6.5　非常规叶片设计　201
6.5.1　串列叶片　201
6.5.2　大小叶片　204
参考文献　206
第7章　三维流场分析
7.1　三维流场CFD方法　208
7.1.1　三维流场分析的常用CFD方法　208
7.1.2　常用边界条件定义方法　215
7.1.3　常用初场给定方法　220
7.1.4　三维非定常流动建模技术　220
7.2　影响CFD准确性的因素　226
7.2.1　网格分辨率及几何细节的影响　227
7.2.2　湍流模型的影响　235
7.2.3　边界条件及流动细节的影响　237
7.2.4　非定常模拟时间步长的影响　240
7.2.5　CFD准确性评价及应用原则　241
7.3　风扇压气机三维CFD结果分析　242
7.3.1　气动特性数据后处理　243
7.3.2　流场CFD结果分析　245
参考文献　249
第8章　风扇压气机结构设计
8.1　布局设计　252
8.1.1　中小涵道比风扇的结构布局　252
8.1.2　大涵道比风扇的结构布局　260
8.1.3　高压压气机的结构布局　263
8.2　转子设计　266
8.2.1　设计输入与要求　266
8.2.2　转子连接结构设计　267
8.2.3　转子叶片连接结构设计　268
8.2.4　转子引气设计　269
8.2.5　转子平衡　270
8.2.6　典型零件结构设计　271
8.3　静子设计　277
8.3.1　设计输入与要求　277
8.3.2　机匣设计　277
8.3.3　静子叶片设计　283
8.3.4　静叶调节机构设计　291
8.3.5　静子封严结构设计　294
8.4　选材设计　296
8.4.1　选材原则　296
8.4.2　主要材料选择　296
8.4.3　新材料发展　300
8.5　六性设计与分析方法　306
8.5.1　安全性设计与分析方法　306
8.5.2　可靠性设计与分析方法　309
8.5.3　维修性设计与分析方法　312
8.5.4　测试性设计与分析方法　314
8.5.5　保障性设计与分析方法　317
8.5.6　环境适应性设计与分析方法　318
8.6　常见故障模式　318
8.6.1　叶片常见的故障模式　319
8.6.2　轮盘/轴常见的故障模式　323
8.6.3　机匣常见的故障模式　325
8.6.4　其他故障模式　327
参考文献　329
第9章　气动稳定性分析方法和扩稳技术
9.1　气动稳定性分析方法　330
9.1.1　稳定性理论在压缩系统中的应用　330
9.1.2　基于叶片力的气动稳定性模型　332
9.1.3　基于三维解析模型的气动稳定性模型　344
9.2　进气畸变条件下压缩系统气动稳定性分析方法　351
9.2.1　进气畸变指数　352
9.2.2　稳定边界压比损失的关联　353
9.2.3　平行压气机模型　356
9.2.4　激盘模型　364
9.2.5　彻体力模型　372
9.3　扩稳技术　385
9.3.1　中间级放气　385
9.3.2　可调静子叶片　386
9.3.3　机匣处理　388
9.3.4　叶片边界层流动控制　391
9.3.5　微射流主动控制技术　393
9.4　颤振　394
参考文献　405
第10章　风扇压气机试验验证
10.1　叶栅试验验证和实验研究　410
10.1.1　叶栅实验简介　410
10.1.2　叶栅实验主要内容和测试要求　415
10.1.3　叶栅试验测量结果分析及评判　422
10.2　低速模拟试验验证和实验研究　425
10.2.1　低速模拟设计和实验简介　425
10.2.2　低速模拟实验主要内容和测试要求　429
10.2.3　低速模拟试验测量结果分析及评判　435
10.3　风扇压气机部件试验验证　451
10.3.1　风扇压气机部件试验简介　451
10.3.2　风扇压气机部件试验主要内容和测试要求　451
10.3.3　风扇压气机部件试验测量结果分析及评判　456
10.4　风扇压气机部件强度试验验证　466
10.4.1　风扇压气机强度试验简介　466
10.4.2　风扇压气机强度试验主要内容和测试要求　469
10.4.3　风扇压气机强度试验结果分析与评判　475
参考文献　480

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