轴流式压气机(扭曲的叶片：关于喷气发动机压气机的详细设计)

轴流式压气机

本文中我们将讨论喷气发动机压气机的设计，进而得出大约的性能参数的定义。小型发动机会选择使用离心式压气机（CF），因为相比轴流式压气机，它们在低流量条件下工作效率更高，而且结构紧凑。然而，轴流式压气机优点在于，给定流量条件下，其迎风面积较小，因此，大流量条件下，选用轴流式压气机工作效率会较高。至于民用航空使用的大型燃气轮机，轴流式的压气机和涡轮将会是最好的选择。早期的轴流式压气机压比约为5，然而，现如今的涡扇发动机，其压比可达到30。
 

Olympus BOl.1涡轮喷气发动机低压轴流压气机示意图

由于气流沿流向压力升高，当来流面临逆压梯度时，压气机叶片边界层会发生严重分离。当这种现象发生时，压气机的性能急剧下降，我们称这种情况为压气机失速。正是由于这个原因，轴流压气机选择分级进行压缩，这样每级压力升高的不多，从而在不失速的前提下，使整个压气机合在一起获得更大的压比。一级压气机包含一圈旋转的叶片，名为转子，和一圈静止的叶片，名为静子。每圈叶片数目30-100不等，压气机进口到出口最多可以有20级增压级。转子的作用是使来流加速，提高气流的动能。经过静子，气流会减速，进而增压。压力和密度逐级增加，叶尖高度逐级降低，进而气流流速相对保持不变。因此，压气机出口截面积要小于进口截面积。

为使压气机结构更加紧凑，我们努力减少压气机级数，并最大化的提高每级的压比。每级压比R用下式表示：
 
η8为级等熵效率，T01是总温，U为压气机转速，Ca是气流轴向速度，Cp是定压比热系数，b1和b2是转子叶片前缘和尾缘与轴向的夹角。
 

轴流压气机图解。

单级压比的最大化可以通过以下措施实现：增加压气机转速U，增加转子中气流的转折角tanb1-tanb2，以及增加压气机轴向流速Ca。然而这三个参数的增加都要有一定的限制。

1. 叶尖转速U要受到叶根处承受应力的限制。如果假设风扇横截面积不变，则叶根处离心应力由下式给出：

Ut是叶尖转速，ρb是叶片的密度，τr /τt为叶片叶根与叶尖应力比。为了防止叶片从轮毂处分离打坏发动机，叶根处的应力不允许超过规定的范围。由公式可以看出叶根处的应力与压气机叶尖转速的平方成正比，并随着叶片长度的降低而减小。由于第一级压气机的叶片最长，因此叶尖最大转速以及压气机的效率都得到一定的限制，也正因为这个原因，压气机通常分为双转子或三转子，比如大型的风扇，中间级压气机和高级压气机会分别按三个转速去工作。这样，大直径的风扇可以在较低的转速工作，从而满足应力的限制，同时，高压压气机短叶片也可以在很高的转速下进行工作。

然而风扇的转速受更严苛的应力的限制。在涡扇发动机中，大直径的风扇将来流分为两股，绝大部分来流通过风扇进入外涵道产生推力，只有一小部分会进入核心区域。当发动机撞鸟时，风扇叶片叶根处受到的应力更大，由于机械原因，τr /τt的比值通常取为0.35。由于客机巡航速度接近0.83，所以风扇前来流马赫数也很高。压气机中，超音速来流不可避免的会产生激波，导致压力的增加和熵增。由于激波会导致叶表附面层分离，所以压气机的效率也将降低。此外，这些激波会导致风扇叶片的振动，进而使压气机效率更低，还会产生噪音。因此，受效率、降噪及防撞鸟等因素的限制，风扇叶尖转速将受到限制，尤其是叶尖相对马赫数最多不能超过1.6。

2. 轴向气流速度Ca也要尽量最大，进而提高增压比并降低发动机迎风面积。与前文约束相近，轴向流速也受到来流超声速对可压缩性的影响的限制。由于压力和静温的变化，声速会随压气机级逐级升高，第一级压气机气流可压缩性最差。对于压气机第一级，气流轴向进入，我们用V2=U2+Ca2得到来流相对叶片的相对速度V。现在的发动机，V可能处于跨音速阶段，会造成极大的损失。在这方面，双转子发动机的优点就显现出来了，低压压气机在低转速下工作，减少了上述问题发生的可能。

3. 气流在转子中转向的角度b受边界层厚度增长的限制。压气机叶片呈翼型，与机翼工作原理相同。所以，随着叶片攻角或弧度的增加，气流在转子叶片中的转角也会加大，吸力面的逆压梯度也会增加，直到某一点出边界层发生分离。当边界层分离时，有效转角b就会减小，使级间总压增加量降低。

Ut，Ca和b1-b2都会限制压气机的最大压比。典型的情况即U≈350m/s，Ca=200m/s，b1-b2<45°。

压气机叶片很窄，由像铝和钛这样的轻质量合金制成。作用在气流上的离心力与高压气流作用在叶尖上的力平衡。为了获得叶尖处的高压气流，叶片叶根到叶尖是扭的，进而不断改变气流的入射角，进而控制整个叶片的压力变化。

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此文由周志宇编译，整理
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