淺析航空壓氣機(jī)及其發(fā)展趨勢(shì)
壓氣機(jī)(compressor)：燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(wú)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(jī)葉輪一般將導(dǎo)輪與工作葉輪制成一體。壓氣機(jī)的葉輪出口有擴(kuò)壓器，使氣體在葉輪中獲得的動(dòng)能盡可能多地轉(zhuǎn)化為壓力。擴(kuò)壓器分為葉片式和縫隙式兩種。壓氣機(jī)的外殼有氣流的進(jìn)口和出口。進(jìn)口一般呈軸向布置，流道略呈漸縮，以減小進(jìn)氣阻力。出口一般設(shè)計(jì)成流道沿圓周漸擴(kuò)的蝸殼狀，使高速氣流在那里繼續(xù)擴(kuò)壓，提高增壓器的總效率。壓氣機(jī)由渦輪驅(qū)動(dòng)，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(dòng)機(jī)的核心部件之一，壓氣機(jī)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(jī)，本文系統(tǒng)地介紹了壓氣機(jī)的分類、性能指標(biāo)以及發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);高溫、高壓;性能指標(biāo);壓氣機(jī)
一、壓氣機(jī)分類
1.1 離心式壓氣機(jī)
離心式壓氣機(jī)由進(jìn)氣系統(tǒng)、葉輪、擴(kuò)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(jìn)氣量，葉輪采用雙面進(jìn)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(duì)運(yùn)動(dòng)的速度方向，葉輪的進(jìn)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(jìn)入擴(kuò)壓器。擴(kuò)壓器與葉輪之間存在較大縫隙，氣流在縫隙中也起到擴(kuò)壓作用，故該擴(kuò)壓器也稱縫隙擴(kuò)壓器。從擴(kuò)壓器出來(lái)的氣體進(jìn)入集氣管進(jìn)一步減速擴(kuò)壓，然后進(jìn)入燃燒室。
1.2 軸流式壓氣機(jī)
通過壓氣機(jī)的空氣基本上沿軸向流動(dòng)，因此叫做軸流壓氣機(jī)。軸流壓氣機(jī)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(jī)匣和整流器。在單轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓氣機(jī)機(jī)匣由進(jìn)氣裝置、整流器機(jī)匣和擴(kuò)壓器機(jī)匣組成。在雙轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)中，在風(fēng)扇和壓氣機(jī)之間還有一個(gè)分流機(jī)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(gè)中間機(jī)匣，將氣流由低壓壓氣機(jī)順利引到高壓壓氣機(jī)中。轉(zhuǎn)子是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)對(duì)氣流做功的組合件。在雙轉(zhuǎn)子渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓氣機(jī)又分為低壓轉(zhuǎn)子和高壓轉(zhuǎn)子，在雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)的一個(gè)級(jí)。在某些壓氣機(jī)第一級(jí)前面裝有預(yù)旋的導(dǎo)流葉片，其目的是使氣流在進(jìn)入第一級(jí)時(shí)獲得所需的流場(chǎng)分布。空氣通過軸流壓氣機(jī)時(shí)不斷受到壓縮，空氣比容減小、密度增加。因而軸流式壓氣機(jī)的通道截面積逐漸減小，呈收斂性，壓氣機(jī)出口截面比進(jìn)口截面積要小的多。
軸流式壓氣機(jī)的流動(dòng)特點(diǎn)使其在結(jié)構(gòu)上容易組織多級(jí)壓縮，以每一級(jí)都較低的增壓壓力比獲得較高的壓氣機(jī)總增壓壓力比。一般每級(jí)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(shí)無(wú)需急劇的改變方向，這樣就減少了流動(dòng)損失，因而壓氣機(jī)效率高，特別是大流量時(shí)，軸流式壓氣機(jī)較離心式壓氣機(jī)更容易獲得較高的效率，一般軸流式壓氣機(jī)的效率可達(dá)87%以上，而離心式壓氣機(jī)的效率最高可達(dá)85%，與離心式壓氣機(jī)相比，多級(jí)軸流壓氣機(jī)還具有大流量，高效率，小迎風(fēng)面積等優(yōu)點(diǎn)。因此，近代大功率燃?xì)廨啓C(jī)大多數(shù)都采用多級(jí)軸流壓氣機(jī)來(lái)壓縮氣體。
二、壓氣機(jī)的功能和主要性能指標(biāo)
壓氣機(jī)的功能是用來(lái)提高進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的空氣動(dòng)力，供給發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)所需的壓縮空氣，也可為座艙增壓、渦輪散熱和其他發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)提供壓縮空氣。
評(píng)定壓氣機(jī)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(fèi)用。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，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(lái)衡量，即通過發(fā)動(dòng)機(jī)單位面積的空氣質(zhì)量流量來(lái)決定。
對(duì)于壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)要求：滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)提出的各項(xiàng)要求;具有足夠的強(qiáng)度、適宜的剛度和更小的振動(dòng);結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕;工作可靠，壽命長(zhǎng);維修性、檢測(cè)性好，性能制造成本低等五個(gè)基本要求。
三、壓氣機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及趨勢(shì)
隨著飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比、能量利用率及其他方面的要求不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)壓氣機(jī)也提出了更高的要求。而材料、工藝、試驗(yàn)技術(shù)、氣動(dòng)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算流體力學(xué)的巨大進(jìn)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(jī)近一段時(shí)間的基本趨勢(shì)和未來(lái)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(jí)加功的有效途徑。現(xiàn)代軍用發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和低壓壓氣機(jī)的切向速度為400-500m/s。某國(guó)為研制用于未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)壓氣機(jī)和風(fēng)扇進(jìn)行了大量的遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)役機(jī)種水平的先期性設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究，其切向速度可達(dá)577-630m/s，單級(jí)壓氣機(jī)的增壓比為3.2，雙級(jí)壓氣機(jī)達(dá)4.57，三級(jí)壓氣機(jī)可達(dá)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(jī)的壓比。
(3)更高級(jí)的氣動(dòng)負(fù)荷和單級(jí)壓比：提高級(jí)的氣動(dòng)負(fù)荷一直是設(shè)計(jì)人員所追求的目標(biāo)，為此采用更完善的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和造型;采用低展弦比、高稠密度的葉片設(shè)計(jì)及更大的葉片安裝角等等。
(4)更高的效率。
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