航空發動機組合壓氣機設計 節選

第1章緒論 渦軸發動機是燃氣發生器中產生的燃氣通過動力渦輪驅動轉軸，從而輸出軸功率的燃氣渦輪發動機。從20世紀40年代美國成功研制出世界上**臺渦軸發動機T50開始，渦軸發動機不斷改進創新、更新換代，迄今已有四代投入使用。 **代，20世紀50～60年代，以T58GE10和寧巴斯發動機為代表；第二代，20世紀60年代末到70年代，以美國艾里遜（Allison）公司的T63A720渦軸發動機為代表；第三代，20世紀80年代，以美國通用電氣（General　Electric，GE）公司的T700GE701A、法國透博梅卡（Turbomeca）公司的TM333、英國羅爾斯羅伊斯（RollsRoyce，RR）公司和法國透博梅卡公司聯合研制的RTM322等發動機為代表；第四代，20世紀90年代，以德國MTU公司、法國透博梅卡公司及英國RR公司聯合推出的　MTR390　發動機以及美國艾里遜公司和蓋瑞特（Garrett）公司聯合推出的T800LHT800等發動機為代表；第五代正在研制之中。典型渦軸發動機圖片見圖1.1。 表1.1列出了國外各代典型渦軸發動機壓氣機的結構形式，從表中可以看出目前處于生產和使用高峰的第三代發動機均采用了軸流加離心的組合式壓氣機。 國內在軸流離心壓氣機的設計和試驗研究方面，早已走過了設計、加工、試驗、完善設計的全過程，積累了豐富的研制經驗，形成了一整套組合壓氣機研發體系，且具備進行各流量量級的軸流離心組合壓氣機試驗和測試條件。其中國內比較有代表性的是中國航發湖南動力機械研究所自主設計的第三代“玉龍”系列渦軸發動機，其采用了軸流加離心的組合式壓氣機。 本章將對組合壓氣機的結構形式、中小型渦軸發動機采用組合壓氣機的原因、組合壓氣機如何設計以及組合壓氣機設計的要求等內容進行宏觀介紹。 1.1組合壓氣機簡介 壓氣機是葉輪機械的一個分支，在燃氣渦輪發動機中則是三大核心部件之一，其基本功能是在運行與起動包線內及其他聯合限制的條件下為燃燒室及其他發動機部件提供一定壓力的氣流，令它們能夠穩定可靠地工作，不得喘振。 按空氣流動形式，壓氣機分為軸流壓氣機、離心壓氣機和斜流壓氣機。在大型航空發動機中主要采用的是軸流壓氣機，而在中小型航空發動機中，則有單級離心壓氣機、雙級離心壓氣機、軸流離心組合壓氣機或斜流離心組合壓氣機等多種結構形式，見圖1.2。本書所指的組合壓氣機是指軸流與離心的組合式壓氣機，而且是單軸結構的組合壓氣機。 圖1.2航空發動機中常見的壓氣機結構形式 1.2采用組合壓氣機的原因 通常，軸流壓氣機適宜作為大流量航空發動機的壓氣機部件，單級壓比低，但效率高；離心壓氣機適宜作為中小流量航空發動機的壓氣機部件，其單級壓比高，但效率偏低。軸流離心組合壓氣機兼顧了兩者的優點，具有相對較高的壓比和效率水平。 壓氣機設計點進、出口換算流量之間的關系既包含了壓氣機主要設計指標的綜合影響，也間接反映了其尺寸的大小以及可能的尺寸效應。由于尺寸效應的影響，以及軸流級和離心級對葉尖間隙敏感性的差異，通常根據壓氣機出口換算流量大小或進口換算流量和壓比大小，可以大致確定不同壓氣機結構布局的適用范圍，如圖1.3和圖1.4所示。壓氣機基本級的結構形式一般根據比轉速確定，見圖1.5和圖1.6。 圖1.3壓氣機流量對效率的影響 同時，壓氣機設計點進、出口換算流量取決于發動機的循環參數的選擇，決定了壓氣機流道幾何及葉尖相對間隙的大小量級，因而，渦軸發動機的功率等級也可大致反映出壓氣機的結構布局特點和趨勢。從統計上看，如圖1.7所示，對于750kW級以下的渦軸發動機，壓氣機構型經歷了從軸流+離心，到軸流+離心與單級離心并存的發展過程，尤其是500kW級以下更加普遍地采用單級離心壓氣機；對于750～1500kW級，經歷了從多級軸流到軸流+離心，再到軸流+離心與雙級離心并存的發展過程；對于1500kW級以上，經歷了從多級軸流到軸流+離心的發展過程；總體來看，在各功率等級下，壓氣機均朝著結構緊湊化方向發展，級數越來越少。 圖1.4壓氣機流量、壓比對壓氣機結構形式的影響 圖1.5比轉速對離心壓氣機效率的影響 航空發動機的研制是一項復雜的系統工程，其具有內在的規律性：　統籌策劃的系統性、自主研發的正向性、專業學科的綜合性、技術應用的成熟性、方案優化的迭代性、過程管控的科學性。壓氣機作為發動機的核心部件，其設計必須服從發動機整機設計的內在規律。發動機是否采用組合壓氣機結構形式，需根據發動機用途及功率或推力等級、整機的經濟性和可靠性、發動機對壓氣機部件性能參數和結構的具體要求、技術繼承性、產品改進改型發展空間、目前的軟硬件條件等因素進行綜合論證。如果采用組合壓氣機結構形式，則一定是從發動機整機角度綜合權衡的一種*優選擇，而不能是基于設計者個人經驗和片面認識的一種選擇。 圖1.6比轉速對壓氣機基本級結構形式的影響 圖1.7壓氣機結構形式變化趨勢示意圖