国外斜流压气机设计技术的发展

蔡 旭 黄生勤

（中航工业航空动力机械研究所，湖南 株洲 412002）

国外斜流压气机设计技术的发展

蔡 旭 黄生勤

（中航工业航空动力机械研究所，湖南 株洲 412002）

斜流压气机兼有离心压气机高压比，工作范围广和轴流压气机流量大、高效率、迎风面积小的特点，在未来小推力级军用涡扇、高功重比军用/民用涡轴发动机上具有广阔的应用前景。必须尽快开展高负荷高效率斜流压气机设计与试验技术的研究。文章通过国外斜流压气机设计技术发展的回顾，总结了其技术特点和关键技术难点，展望了未来斜流压气机设计技术发展的新机遇。

斜流压气机；设计技术；发展；前景

1 引言

斜流压气机是介于离心压气机与轴流压气机之间的压气机形式，兼有离心压气机高压比，工作范围广和轴流压气机流量大、高效率、迎风面积小的特点，在小型涡扇发动机研究领域重新得到高度重视。

基于斜流压气机的诸多优点，及其在未来小推力级军用涡扇、高功重比军用/民用涡轴发动机上广阔的应用前景，有必要尽快开展高负荷高效率斜流压气机设计与试验技术的研究。为了学习欧、美等国在先进中、小航空发动机压气机方面的设计经验，本文通过国外斜流压气机设计技术发展的回顾，总结了其技术特点和关键技术难点，为我们发展自己的斜流压气机技术提供了依据。

2 斜流压气机的早期发展

传统的离心式压气机由于叶轮出口气流需要经过 90度的折转才能回到轴向方向，气动损失较大。1942年，King和Glodeck研究了一种从叶轮出口到轴向的流道变化比较平缓的压气机，也就是第一台斜流式压气机，如图1所示。试验分析结果表明：该压气机的级效率最高可达0.80，叶轮的峰值效率可达 0.9，比同时期的任何一个涡轮增压器的效率都高，且载荷系数也很高。斜流式压气机初步展现了它的良好工作特性。

1948年，Goldstein将轴向进气，径向出气的单级离心叶轮改型设计为轴向进气，轴向出气的单级斜流叶轮。图 2为该叶轮的子午轮廓图，该斜流叶轮的设计性能参数见表1。

图1 King与Glodeck所研究的斜流压气机

图2 Goldstein设计的斜流叶轮

图3 MFI-1A斜流叶轮的子午面视图

表1 Goldstein斜流叶轮设计性能参数

表2 Goldstein斜流叶轮试验性能

随后，Wilcox，Robbins 试验验证了Goldstein所设计的斜流叶轮，所得斜流叶轮性能参数见表2。比较表1与表2，可知斜流叶轮在设计点上的试验值与设计值的偏差较大，这与Goldstein设计方法中的无粘假设有关。

3 斜流压气机的近现代发展时期

从上世纪80年代开始，随着轴流、离心压气机设计方法的发展，以及对旋转叶轮机械内部可压流动特性的进一步认识，斜流压气机也迎来了快速发展的新时期。

1986年，Dodge设计了如图4所示的跨音速斜流压气机，表3为该压气机斜流叶轮的部分设计参数。从表3可知，该斜流叶轮设计绝热效率接近 0.9，效率较高。而叶轮经试验验证后，在设计点，该斜流叶轮压比达到 3.36，效率达到0.866，仅比设计目标低了3%。

图4 Dodge跨音速斜流式压气机

图5 Musgrave斜流压气机子午面视图

表3 Dodge跨音速斜流叶轮相关设计参数

1987年，Musgrave与Plehn发表了单级总压比为3.02的斜流式压气机。

表4为该压气机叶轮的部分设计参数，该叶轮是一个高轮毂比（0.686）、低展弦比的跨音速斜流叶轮。图5为该压气机的子午面视图，图6为压气机的试验特性曲线。由图6可知，Musgave斜流压气机的特性线平坦，稳定工作裕度大，设计点级效率为 0.84。其中试验测得的斜流叶轮效率为0.91，达到了很高的水平。

表4 Musgrave斜流式压气机叶轮部分设计参数

图6 Musgrave斜流压气机试验特性线

1984年，德国Aachen 科技大学开始研究超声速斜流式压气机。作为基础研究的成果，1987年，Mönig 发表了总压比5:1，流量8.2kg/s的斜流叶轮设计结果。1993年，Mönig发表了该斜流叶轮的试验特性。图7为该斜流叶轮的子午面视图，表5列出了该斜流叶轮的设计参数，图8为该斜流叶轮的试验特性。由图8可知，Mönig斜流叶轮的工作线比较陡，在设计转速下，设计点性能的试验值接近设计值。

图7 Mönig斜流叶轮（左）叶轮子午面视图；（右）叶轮实体图

表5 Mönig斜流叶轮设计点目标

图8 Mönig斜流叶轮试验特性曲线

1995年，Wolfgang设计了与Mönig斜流叶轮匹配的扩压器，见图 9。该扩压器将叶轮出口气流直接从斜流向扭转到轴向，为插入式串列叶栅结构。设计点扩压器进口绝对马赫数约1.47。

图9 Wolfgang设计的斜流扩压器

图10 为匹配扩压器后该压气机的整级试验特性曲线。匹配扩压器后的斜流压气机工作线比较陡，稳定工作范围小。同时由于扩压器进口激波的堵塞作用，设计转速下，压气机的工作流量减小，设计转速下的最大总压比为 4.656，绝热效率为0.69。与Mönig的单叶轮性能相比，效率和压比下降较为剧烈。

图10 Wolfgang匹配扩压器后的斜流压气机试验特性曲线

早期的斜流压气机，由于压比较低，叶轮出口的绝对马赫数相对较低，对扩压器的匹配要求不高；到了80～90年代后，随着斜流压气机的级压比越来越高，转子出口的绝对马赫数也越来越高，甚至是超音速，在这种情况下，叶轮与扩压器的匹配设计就显得很重要，匹配不好将导致整级性能降低。

4 结论

本文回顾了国外斜流压气机设计技术发展，结论如下：

（1）单级斜流压气机正不断的向着高压比和高效率的方向发展。单级压比已接近6，单叶轮的效率则不断逼近0.9，整级效率逼近0.8以上；

（2）随着斜流压气机级压比的越高，转子出口的绝对马赫数也越来越高。叶轮与扩压器的匹配成为了斜流压气机性能提高的重要瓶颈；

（3）斜流-离心压气机是未来高功重比涡轴发动机压气机的主要气动布局形式，为了迎接新的发展机遇，必须尽快开展高负荷高效率斜流压气机设计与试验技术的研究。

Development of foreign diagonal flow compressor design technology

In order to learn to the advanced design experience on the medium and small aircraft engine compressorin Europe, the U.S. and other countries,in this paper,through the technical review of the development of foreign diagonal flow compressor design, and summarized the technical characteristics and the key technical difficulties, looked to new opportunities of the future diagonal flow compressor design technology development opportunies.

Diagonal flow compressor; Design techniques; Development prospect

TM45

A

1008-1151(2012)06-0162-03

2012-05-02

蔡旭，供职于中航工业航空动力机械研究所。