基于設(shè)計體系的高性能多級壓氣機綜合設(shè)計技術(shù)

李孝堂，崔英俊

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

基于設(shè)計體系的高性能多級壓氣機綜合設(shè)計技術(shù)

李孝堂，崔英俊

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015）

綜合設(shè)計技術(shù)在壓氣機設(shè)計中的作用極其重要。壓氣機設(shè)計體系建設(shè)取得了很大進步，但目前尚沒有1種設(shè)計體系能夠自動完成高性能多級壓氣機設(shè)計，為此，需要設(shè)計者在設(shè)計中掌握并能夠靈活運用綜合設(shè)計技術(shù)。應(yīng)用綜合設(shè)計技術(shù)完成2個成功設(shè)計實例：改進設(shè)計20世紀80年末期的某4級軸流壓氣機的第2級，使整機絕熱效率提高2.4%；21世紀初期綜合運用已有設(shè)計技術(shù)完成整機絕熱效率達0.9的某型5級軸流壓氣機設(shè)計。分析表明:設(shè)計者只有掌握了綜合設(shè)計技術(shù)并能夠熟練運用已有的設(shè)計體系,才能夠充分發(fā)揮設(shè)計體系的重大作用,從而設(shè)計出理想的高性能壓氣機。

綜合設(shè)計技術(shù)；設(shè)計體系；壓氣機；航空發(fā)動機

0 引言

多級高性能壓氣機是航空發(fā)動機設(shè)計中的難點。其原因是隨著飛機飛行包線愈來愈寬、機動性愈來愈高以及超聲速巡航等性能要求的不斷提高，發(fā)動機整體對壓氣機的性能提出了更高要求，主要包括高平均級壓比、高效率、高喘振裕度、強抗畸變能力、特性線要有寬的高效率區(qū)范圍、高中低轉(zhuǎn)速范圍都要有高性能、沒有顫振。應(yīng)該說這種要求是無可厚非的，也是壓氣機設(shè)計人員孜孜追求的目標，但要全面達到這些目標確實非常困難。

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，壓氣機設(shè)計技術(shù)和方法也在不斷改進和發(fā)展，依次經(jīng)歷了如下階段：（1）1維反問題；（2）2維反問題；（3）2維反問題結(jié)合1維正問題；（4）2維反問題同時結(jié)合2維正問題和S1正問題（后又增加S1反問題）；（5）2維反問題同時結(jié)合3維正問題和S1反問題；（6）在（5）的基礎(chǔ)上又加入非定常流計算；進一步的發(fā)展將是引入3維反問題設(shè)計方法。設(shè)計技術(shù)的發(fā)展為成功設(shè)計高性能壓氣機提供了很好的工具，但目前沒有1種方法能夠確保1次就能成功地設(shè)計出高性能多級壓氣機。而實際上起核心作用的仍然是綜合設(shè)計技術(shù)，這就是以前也能設(shè)計出性能不錯的壓氣機，而如今也能設(shè)計出失敗的壓氣機的原因。同樣的設(shè)計工具和設(shè)計目標，在不同設(shè)計者的手中可以得到相差很大的設(shè)計結(jié)果。因此，在不斷改進設(shè)計工具的同時，必須不斷提高設(shè)計者的綜合設(shè)計技術(shù)。所謂綜合設(shè)計技術(shù)是指設(shè)計者綜合各種信息通過設(shè)計工具來實現(xiàn)設(shè)計的技術(shù)，是設(shè)計者綜合設(shè)計素質(zhì)和水平的體現(xiàn)，包括：對設(shè)計工具和專業(yè)知識的熟練掌握和靈活運用，以及對設(shè)計目標、影響因素、采取措施、計算結(jié)果、試驗過程和試驗結(jié)果等的綜合分析。具備了有效的設(shè)計工具和具有較高綜合設(shè)計技術(shù)的設(shè)計者，就能夠成功設(shè)計出高性能的產(chǎn)品。設(shè)計過程就是綜合技術(shù)的應(yīng)用過程。

本文詳細論述了設(shè)計者運用綜合設(shè)計技術(shù)在壓氣機設(shè)計中的重要作用。

1 工程實用的設(shè)計體系

工欲善其事，必先利其器。設(shè)計體系是設(shè)計者實現(xiàn)設(shè)計的工具，其優(yōu)劣直接影響設(shè)計者綜合設(shè)計技術(shù)的發(fā)揮，影響設(shè)計工作效率，是設(shè)計成功的基礎(chǔ)。因此，各單位都在花大力氣建構(gòu)自己的工程設(shè)計體系。中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所（以下簡稱“中航工業(yè)動力所”）經(jīng)過多年努力已經(jīng)建立了自己的設(shè)計體系，并運用該體系成功設(shè)計出了多級壓氣機。

圖1 典型氣動設(shè)計體系1

中航工業(yè)動力所在20世紀80～90年代初建設(shè)并運用的典型氣動設(shè)計體系1，如圖1所示，于20世紀90年代初至今所建設(shè)并運用的典型氣動設(shè)計體系2，如圖2所示。

圖2 典型氣動設(shè)計體系2

體系1比較簡單，設(shè)計周期一般也較短，但在該體系下利用綜合設(shè)計技術(shù)也設(shè)計出了性能較好的工程可用的多級壓氣機。體系2相對比較復(fù)雜，在設(shè)計過程中，3維分析計算與造型、與S2的2維反問題設(shè)計的迭代較多，因此設(shè)計周期一般較長，在該體系下利用綜合設(shè)計技術(shù)一般可以設(shè)計出比較理想的多級壓氣機，目前已有幾個高性能壓氣機成功設(shè)計的案例。2個體系中還有葉片顫振、結(jié)構(gòu)、強度等方面的內(nèi)容。

2 綜合設(shè)計技術(shù)應(yīng)用

2.1 4級壓氣機性能改進

中航工業(yè)動力所運用設(shè)計體系1（時處1989年，當時設(shè)計體系1還沒有S1正問題）完成了某型4級壓氣機的改進設(shè)計，取得了良好效果。

目標：將該壓氣機整機工作點效率提高0.5%～1.0%；約束條件：轉(zhuǎn)速不變，外流路不變，壓氣機外廓尺寸不變，盤及靜子安裝板不變；各轉(zhuǎn)速喘振裕度不降低，壓氣機出口流場無明顯變化。

2.1.1 設(shè)計目標和改進對象綜合分析

設(shè)計目標和改進對象的有關(guān)信息包括該壓氣機的有關(guān)設(shè)計、試驗、分析資料和設(shè)計年代等，該4級壓氣機的前2級是20世紀60年代設(shè)計的，屬于低速高負荷壓氣機（葉尖切線速度只有398 m/s，4級總壓比為3.48）；通過綜合分析，查清了該壓氣機性能差的主要薄弱環(huán)節(jié)在于其第2級葉型與當?shù)亓鲌霾黄ヅ洌夜ソ呛吐浜蠼堑葏?shù)不夠合理。因此，決定在約束條件下只對第2級葉型進行修改。要達到規(guī)定的設(shè)計目標，需將第2級壓氣機的效率提高4%～6%。

2.1.2 影響因素綜合分析

對多級壓氣機性能影響最關(guān)鍵的是整機級間匹配技術(shù)。除保證本級壓氣機的性能外，還要考慮對上下游級壓氣機的影響。因此，在本級壓氣機修改的同時，最大限度考慮了對下游級壓氣機流場與葉型的匹配改善以及上下游級壓氣機與本級壓氣機在流路、流場、流量、各無量綱參數(shù)方面的良好匹配。此外，還特別考慮了壓氣機出口流場品質(zhì)的保持或改善，以利于與其后部件的匹配，確保整體性能的改善。

2.1.3 采取措施和影響綜合分析

（1）修改葉型。不同葉型適用于不同流場和設(shè)計目標。因此在選擇葉型時要考慮流場的馬赫數(shù)范圍、葉型位于整機的軸向位置、損失系數(shù)的大小以及隨攻角和馬赫數(shù)變化范圍的要求等。

考慮到修改級為4級壓氣機中屬于中間級的第2級，在整個工作范圍內(nèi)攻角變化相對較小，考慮到其馬赫數(shù)為跨聲速（最高為1.2），經(jīng)比較分析后將其轉(zhuǎn)子的雙曲線葉型和靜子的BC-6葉型均更換為更適合當?shù)亓鲃訔l件的雙圓弧葉型。

（2）合理選取攻角和落后角。在葉型確定后，攻角和落后角選擇的正確與否對性能影響至關(guān)重要，不僅要考慮葉型，還要考慮所處流場及在整個工作范圍內(nèi)攻角的變化趨勢。

在第2級壓氣機的改進設(shè)計中，攻角、落后角的確定采用了理論分析計算、統(tǒng)計分析、經(jīng)驗選取相結(jié)合，互相校核的方法，使確定值更加合理和可靠。與原設(shè)計相比，轉(zhuǎn)子根部攻角減小7.8°，中徑處增大2°，尖部減小1.7°，靜子攻角在尖部減小6.3°，中徑處增大5.6°，葉根減小5.2°，落后角相應(yīng)也有較大改變，如圖3所示。

圖3 改進設(shè)計前后壓氣機攻角的變化

（3）改變?nèi)~型彎度。由于葉型和攻角、落后角與原設(shè)計有很大差別，使葉型彎度與原設(shè)計相比亦有較大差別：轉(zhuǎn)子根部葉型彎度增大12.8°，中徑近似不變，尖部增大3.4°；靜子根部增大4.7°，中徑減小4.2°，尖部增大8.9°，如圖4所示。此時必須作合理性分析：葉型彎度是否在合理范圍之內(nèi)；是否由此引起下游流場的較大變化，其影響趨勢怎樣；是改善還是惡化了下游流場與葉型的匹配。本設(shè)計有意識考慮了改善下游流場與葉型的匹配。

圖4 改進設(shè)計前后壓氣機葉型彎度的變化

（4）采用端彎技術(shù)控制端區(qū)流動。在多級壓氣機中，端區(qū)流動損失占相當大的比例。因此，如何控制端區(qū)流動、降低損失，在現(xiàn)代壓氣機研制中備受關(guān)注。而合理地應(yīng)用端彎技術(shù)是控制端區(qū)流動的行之有效的技術(shù)手段。在改進設(shè)計時，在參數(shù)的選擇匹配上采用端彎理論對端區(qū)進行了處理，使尖、根區(qū)域攻角比常規(guī)小得較多，以達到控制端區(qū)流動的目的。此外，除第2級轉(zhuǎn)、靜子自己進行端區(qū)處理外，還有意識地通過第2級靜子參數(shù)的合理選擇，給第3級轉(zhuǎn)子葉片造成端彎效果，使第3級轉(zhuǎn)子葉片尖部攻角減小0.63°，根部攻角減小1.58°，中徑增大0.5°左右，且使尖部相對馬赫數(shù)減小。

（5）措施的實施。以上措施通過設(shè)計體系1具體實現(xiàn)。該體系當時已經(jīng)過壓氣機設(shè)計實踐考驗，證明了其有效性，但該體系當時尚沒有S1、S2及3維正問題分析程序進行校核計算，屬初級體系。1個可靠有效的設(shè)計體系是設(shè)計措施落實的保證。

（6）設(shè)計結(jié)果綜合分析。設(shè)計結(jié)果包括氣動流場計算結(jié)果和幾何設(shè)計結(jié)果。最后要對這些結(jié)果的合理性進行系統(tǒng)的綜合分析，看所采取的措施是否在結(jié)果中得到反映，反映是否合理；流場和幾何是否存在“怪異”或不光滑的地方，如果存在，是否有合理解釋，否則必須修改。應(yīng)當注意，除非采取了特別措施，否則擴散因子、彎度等限制參數(shù)不能離經(jīng)驗數(shù)據(jù)太遠。

2.1.4 試驗過程和試驗結(jié)果綜合分析

試驗是檢驗設(shè)計是否達到設(shè)計目標的手段，其結(jié)果的可靠性和真實性十分重要，取決于試驗設(shè)備的能力、測試手段的可靠性和試驗過程的正確性。每種設(shè)備都有其有效范圍，利用某設(shè)備做過某項試驗并得到正確結(jié)果，就認為用該設(shè)備做另1項試驗一定有效，結(jié)果正確，并不可靠，因為忽略了該試驗也許已超出了設(shè)備的有效范圍，得出的結(jié)果可能是無效的。本文實例設(shè)計的初期試驗就遇到了類似情況，給后續(xù)工作及應(yīng)用決策帶來了許多不確定性。因此，在試驗前對試驗設(shè)備的能力和測試手段、在試驗后對試驗過程和試驗結(jié)果的可靠性進行綜合分析是十分必要的。

經(jīng)過多次部件試驗和整機試車驗證，改進設(shè)計取得的效果如下：

（1）級平均特性明顯改善，效率改善高于預(yù)期值；其尖部特性在各轉(zhuǎn)速明顯改善，第2級轉(zhuǎn)子尖部壓力脈動降低了接近50%，大大改善了發(fā)動機可靠性。

（2）壓氣機整機工作點效率在設(shè)計轉(zhuǎn)速下提高了2.4%，遠遠超過預(yù)定值，在其他轉(zhuǎn)速下也有不同程度地提高，如圖5所示。

圖5 改進設(shè)計前后壓氣機總性能的變化

（3）全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的喘振裕度增加2%以上。

（4）流量增加了0.44 kg/s；壓氣機出口流場更加均勻，有利于高、低壓氣機的匹配。

總之，采用綜合設(shè)計技術(shù)，利用初級設(shè)計體系1進行多級壓氣機改進設(shè)計使壓氣機整機的性能得到了全面明顯地提高，證明該設(shè)計技術(shù)是可靠有效的，但對使用人員的綜合設(shè)計能力要求較高。

2.2 高性能5級低壓壓氣機設(shè)計

近年來，中航工業(yè)動力所采用綜合設(shè)計技術(shù)，運用設(shè)計體系2進行了某型燃氣輪機低壓壓氣機設(shè)計，由于設(shè)計者熟練地掌握并運用了設(shè)計體系，同時設(shè)計者具備良好的綜合設(shè)計能力。首先用1維優(yōu)化程序?qū)α髀愤M行初步設(shè)計，對各級的負荷進行初步分配,并利用設(shè)計者的經(jīng)驗知識對流路和負荷的合理性進行評估和調(diào)整;然后進行2維S2反問題設(shè)計，在該設(shè)計中，除合理使用程序外，設(shè)計者的經(jīng)驗和知識尤其重要，攻角、落后角的修正，各參數(shù)沿徑向的分布均需大量的知識積累；葉型的設(shè)計非常重要，對應(yīng)不同的來流條件和軸、徑向位置，不同設(shè)計要求采用的葉型也有所不同。設(shè)計者在設(shè)計中采用可控擴散葉型（CDA）和復(fù)合彎扭葉型設(shè)計技術(shù)并進行深入研究；對處理機匣擴穩(wěn)技術(shù)進行深入研究，使中低轉(zhuǎn)速的喘振裕度大幅提升而各狀態(tài)效率沒有降低；利用全3維正問題計算程序?qū)υO(shè)計進行了計算分析；采用3排可調(diào)葉片，計算研究了其調(diào)節(jié)規(guī)律，并在試驗過程中進行了優(yōu)化調(diào)整。試驗結(jié)果表明，在壓比為3.4的工作點，其絕熱效率達到了0.9的國際先進水平，而且高效率區(qū)變化平緩，其他參數(shù)和各轉(zhuǎn)速的性能均達到和超過了設(shè)計指標。無疑，這是設(shè)計體系2的1次成功運用和驗證。但是如上所述，這是設(shè)計者綜合研究和運用了多種設(shè)計技術(shù)取得的成功設(shè)計，而不是由設(shè)計體系自動完成的。5級壓氣機總性能對比如圖6所示。從圖中可見，3維計算的結(jié)果與試驗結(jié)果相比還有較大差別，在低轉(zhuǎn)速下尤為明顯，說明當

圖6 5級壓氣機總性能對比

前的3維計算分析能力仍不能真實地反映多級壓氣機的流動情況。

3 結(jié)束語

高性能多級壓氣機設(shè)計是1個相當復(fù)雜的過程，目前尚沒有1個設(shè)計體系能夠自動完成。多級壓氣機的3維計算會有較大誤差，而且級數(shù)越多誤差越大，同時，這種計算對設(shè)計者網(wǎng)格劃分的經(jīng)驗和湍流模型的選取經(jīng)驗依賴程度非常大。

設(shè)計實例表明：不管是過去還是現(xiàn)在，綜合設(shè)計技術(shù)是成功設(shè)計高性能壓氣機的靈魂，可靠有效的設(shè)計體系是完成設(shè)計的工具，二者相輔相成。綜合設(shè)計技術(shù)對設(shè)計者的要求較高，在不斷完善設(shè)計體系的同時，必須不斷提高設(shè)計者的綜合設(shè)計技術(shù)水平，才能提高高性能多級壓氣機的設(shè)計成功率。

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Integrated Design Technique of High Performance Multistage Compressors Based on Design System

LI Xiao-tang，CUI Ying-jun
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China）

The role of integrated design technique is very impotant in compressor design.Although much progress has been made on the design system,there is still not such a system that is able to perform a high performance multistage compressor design automatically. So the designer must master and use flexiblely the integrated design technique.Two successful design cases include overall adiabatic efficiency advancing 2.4 percent by modifying the second stage of a four stage axial compressor of the 1980s and adiabatic efficiency 0.90 obtained by five stages in 21st century.The analysis indicate that only if the designer master the integrated design technique and can use expertly the design system,the system can be made the best of in ideal high performance compressor design.

integrated design technique;design system;compressor;aeroengine

李孝堂（1961），男，自然科學研究員，主要從事燃氣輪機型號研制與科研管理工作，現(xiàn)任中航工業(yè)動力所副所長。

2013-01-04