淺析航空壓氣機及其發(fā)展趨勢

　　壓氣機(compressor)：燃氣渦輪發(fā)動機中利用高速旋轉(zhuǎn)的葉片給空氣作功以提高空氣壓力的部件。壓氣機葉輪葉片的前端部分呈彎曲狀稱為導(dǎo)輪，起作用是將氣體無沖擊的導(dǎo)入工作葉輪，減小氣流沖擊損失。小型增壓器的壓氣機葉輪一般將導(dǎo)輪與工作葉輪制成一體。壓氣機的葉輪出口有擴壓器，使氣體在葉輪中獲得的動能盡可能多地轉(zhuǎn)化為壓力。擴壓器分為葉片式和縫隙式兩種。壓氣機的外殼有氣流的進口和出口。進口一般呈軸向布置，流道略呈漸縮，以減小進氣阻力。出口一般設(shè)計成流道沿圓周漸擴的蝸殼狀，使高速氣流在那里繼續(xù)擴壓，提高增壓器的總效率。壓氣機由渦輪驅(qū)動，其主要性能參數(shù)有：轉(zhuǎn)速、流量、空氣流量、增壓比和效率等。

　　摘要：作為航空發(fā)動機的核心部件之一，壓氣機的作用是給燃燒室提供經(jīng)過壓縮的高溫、高壓氣體。為了能夠全面了解航空壓氣機，本文系統(tǒng)地介紹了壓氣機的分類、性能指標(biāo)以及發(fā)展趨勢，進一步推動我國航空事業(yè)的發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機;高溫、高壓;性能指標(biāo);壓氣機

　　一、壓氣機分類

　　1.1 離心式壓氣機

　　離心式壓氣機由進氣系統(tǒng)、葉輪、擴壓器和集氣管等四部分組成，它通過中間軸與渦輪相連。為了增加進氣量，葉輪采用雙面進氣，這樣有利于平衡作用在軸承上的軸向力。為迎合氣流相對運動的速度方向，葉輪的進口部分做成旋轉(zhuǎn)方向前彎。工作輪葉片之間呈徑向輻射狀的通道，氣流通過工作輪增加速度和壓力。當(dāng)氣流從工作葉輪流出后，進入擴壓器。擴壓器與葉輪之間存在較大縫隙，氣流在縫隙中也起到擴壓作用，故該擴壓器也稱縫隙擴壓器。從擴壓器出來的氣體進入集氣管進一步減速擴壓，然后進入燃燒室。

　　1.2 軸流式壓氣機

　　通過壓氣機的空氣基本上沿軸向流動，因此叫做軸流壓氣機。軸流壓氣機主要由靜子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。靜子是靜子組合件的總稱，包括機匣和整流器。在單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機中，壓氣機機匣由進氣裝置、整流器機匣和擴壓器機匣組成。在雙轉(zhuǎn)子壓氣機中，在風(fēng)扇和壓氣機之間還有一個分流機匣，將內(nèi)涵道和外涵道的氣流分開，在高壓和低壓之間還有一個中間機匣，將氣流由低壓壓氣機順利引到高壓壓氣機中。轉(zhuǎn)子是一個高速旋轉(zhuǎn)對氣流做功的組合件。在雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動機中，壓氣機又分為低壓轉(zhuǎn)子和高壓轉(zhuǎn)子，在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機中，低壓轉(zhuǎn)子就是風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，或者是風(fēng)扇轉(zhuǎn)子和低壓壓氣機轉(zhuǎn)子的組合。一排轉(zhuǎn)子葉片和一排靜子葉片組成軸流壓氣機的一個級。在某些壓氣機第一級前面裝有預(yù)旋的導(dǎo)流葉片，其目的是使氣流在進入第一級時獲得所需的`流場分布�？諝馔ㄟ^軸流壓氣機時不斷受到壓縮，空氣比容減小、密度增加。因而軸流式壓氣機的通道截面積逐漸減小，呈收斂性，壓氣機出口截面比進口截面積要小的多。

　　軸流式壓氣機的流動特點使其在結(jié)構(gòu)上容易組織多級壓縮，以每一級都較低的增壓壓力比獲得較高的壓氣機總增壓壓力比。一般每級的增壓壓力比在1.15～1.35之間，使得空氣流經(jīng)葉片通道時無需急劇的改變方向，這樣就減少了流動損失，因而壓氣機效率高，特別是大流量時，軸流式壓氣機較離心式壓氣機更容易獲得較高的效率，一般軸流式壓氣機的效率可達87%以上，而離心式壓氣機的效率最高可達85%，與離心式壓氣機相比，多級軸流壓氣機還具有大流量，高效率，小迎風(fēng)面積等優(yōu)點。因此，近代大功率燃氣輪機大多數(shù)都采用多級軸流壓氣機來壓縮氣體。

　　二、壓氣機的功能和主要性能指標(biāo)

　　壓氣機的功能是用來提高進入發(fā)動機內(nèi)的空氣動力，供給發(fā)動機工作時所需的壓縮空氣，也可為座艙增壓、渦輪散熱和其他發(fā)動機的起動提供壓縮空氣。

　　評定壓氣機性能的主要指標(biāo)有增壓比、效率、外面尺寸和重量、工作可靠性、制造和維修所需的費用。對于航空發(fā)動機來說，最重要的指標(biāo)之一是外面的尺寸，它用單位質(zhì)量流量來衡量，即通過發(fā)動機單位面積的空氣質(zhì)量流量來決定。

　　對于壓氣機結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有以下幾個要求：滿足發(fā)動機性能設(shè)計提出的各項要求;具有足夠的強度、適宜的剛度和更小的振動;結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕;工作可靠，壽命長;維修性、檢測性好，性能制造成本低等五個基本要求。

　　三、壓氣機的發(fā)展動態(tài)及趨勢

　　隨著飛機對發(fā)動機的推重比、能量利用率及其他方面的要求不斷提高，發(fā)動機對壓氣機也提出了更高的要求。而材料、工藝、試驗技術(shù)、氣動設(shè)計理論和計算流體力學(xué)的巨大進步又為不斷提高的要求提供了必要的條件和技術(shù)支持。以下為壓氣機近一段時間的基本趨勢和未來的發(fā)展方向。

　　(1)更高的葉尖切向速度：提高葉尖的切向速度是提高單級加功的有效途徑。現(xiàn)代軍用發(fā)動機風(fēng)扇和低壓壓氣機的切向速度為400-500m/s。某國為研制用于未來戰(zhàn)斗機的發(fā)動機，對壓氣機和風(fēng)扇進行了大量的遠遠超過現(xiàn)役機種水平的先期性設(shè)計試驗研究，其切向速度可達577-630m/s，單級壓氣機的增壓比為3.2，雙級壓氣機達4.57，三級壓氣機可達8.07。

　　(2)更高的轉(zhuǎn)子亞比：一般不斷提高單轉(zhuǎn)子核心壓氣機的壓比。

　　(3)更高級的氣動負荷和單級壓比：提高級的氣動負荷一直是設(shè)計人員所追求的目標(biāo)，為此采用更完善的氣動設(shè)計和造型;采用低展弦比、高稠密度的葉片設(shè)計及更大的葉片安裝角等等。

　　(4)更高的效率。

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