压缩压缩还是压缩，大发部件设计之压气机篇（八）
前情提要
前几期小编们向大家介绍了飞翔的秘密和发动机的魔力，相信求知好学的小伙伴们一定迫不及待想“拆开”发动机这个大家伙一探究竟。所以，本期就由小丫做向导，带您进入大涵道比涡扇发动机压气机部件的魔法世界。
MAGIC NOW!
小丫主播新闻联播
故事开始前，小丫先给您播报一段新闻：2015年6月23日，俄罗斯航空公司一架波音767-300客机在起飞时发动机突然起火，发生爆炸，碎片散落一地。飞机在辛菲罗波尔19右跑道起飞时，右侧发动机（PW4060）遭遇鸟击。目击者称，飞机起飞时被鸟群包围，随着飞机升高，一只鸟被吸入右引擎，引发事故。
▲ 发动机吸鸟事故，图片源自网络
天呐！这些图片实在太吓人了，原来熊熊烈火竟是一只小小鸟惹的祸，原来看上去无比结实的“大钢片们”也能被打成钉耙……
为什么鸟撞了发动机会着火呢？因为飞机在爬升时，发动机处于最大或者接近最大功率状态。发动机叶片转速相当之高，它在空中与鸟相撞时，相撞的能量和速度的平方成正比，巨大能量极有可能导致发动机叶片损坏或断裂，而断裂的叶片被吸入内涵道，损坏压气机、燃烧室等内部部件，引发发动机着火。
如此看来发动机这个大家伙也不好伺候啊，自它登上历史舞台以来，偶尔发发脾气、闹闹别扭，机匣被脱落叶片击穿、压气机喘振、以及吸鸟起火事故等等。
▲ 部分发动机事故，图片源自网络
如何避免这些情况的再次发生，就是我们攻城狮必须考虑的问题啦~
机匣被脱落叶片击穿，高压压气机喘振导致叶片损伤，图片源自网络
看到这里，小丫表示作为一名航空发动机工程师，扎实的专业知识和靠谱的工作态度实在太重要了，谁让我们肩负广大人民的期望和……绳命呢！
那么，上述事故的受害者到底是谁呢？没错，就是涡扇发动机中的大块头——风扇增压级和高压压气机。他们两兄弟占据整个发动机约55%-60%的长度，近40%的制造成本，30%的维护成本，40%的重量，当之无愧成为涡扇发动机的研制难点。
不过，大块头都有大智慧，发动机约70%-80%的推力都是由风扇部件和压气机部件提供。
实属高调、奢华、有内涵。
压气机工作原理知多少
所以，它们究竟是怎么工作的呢？
在具体介绍之前，大家可以先通过南航同学们制作的一段短片了解一下~~
http://v.qq.com/iframe/player.html?vid=j01622s88lp&width=500&height=375&auto=0
对于大涵道比涡扇发动机来说，当发动机启动后，位于前端的风扇叶片快速转动，每分钟4000转都不在话下（这可比它们的祖先家用电风扇转得快多了），当然，与电风扇不同的是，涡扇发动机的风扇部件可不是吹风，而是吸入大量的空气。发动机每秒钟吸入的空气质量甚至可达近1吨！分分钟把一整个封闭体育馆的空气抽吸干净，造成建筑塌陷！
▲ 酷炫程度完胜！图片源自网络
随后，吸入的空气分成两股，一股气流压缩后通过外涵道直接排出。另一股气流由内涵道经过增压级部件、高压压气机部件进一步压缩（需要强调的是，高压压气机叶片每分钟甚至可达16000转！根本停不下来！）。然后进入燃烧室加温，再进入涡轮降压，最后由尾喷管排出。
本是同根生的两股空气流殊途同归，喷薄而出，从而产生巨大推力，助力大飞机“扶摇直上九万里”。
用简单的一句话描述涡扇发动机压气机部件的工作原理，就是压缩空气，压缩空气，压缩空气，重要的事说三遍！
▲ 工作原理示意图，图片源自网络
那么，压气机的压缩能力到底如何呢？请看下图。
▲ 风扇/增压级和高压压气机压缩能力示意图，小丫DIY
额，小丫的画风是……野兽派的，还是数据说话吧！经过风扇、增压级、高压压气机轮番压缩后的气体，压力可达约40倍以上大气压！
AMAZING！
说了那么多，相信小伙伴们对涡扇发动机压气机部件的工作原理已经有了一定了解。下面，小丫就要化身学术帝，为大家详细讲解压气机部件的具体结构啦，小伙伴们请注意，前方高能预警！
压气机结构有多复杂？
1）风扇/增压级结构
▲ 风扇/增压级
风扇/增压级部件由进气锥、风扇叶片、风扇轴、风扇包容机匣、增压级、中介机匣等组成。
进气锥起到抵抗一定的冲击载荷，避免外来物体进入核心机的作用，同时具备防冰功能，抗鸟撞的功能。
▲ 进气锥
图中白色螺旋线正是起到抗鸟撞的作用，据路边社透露，白色螺旋线在高速旋转的时候像极了老鹰的眼睛，所以鸟儿们就怕怕地躲远远啦。
风扇转子叶片在风扇增压级部件中块头最大。对于大涵道比涡扇发动机来说，风扇转子叶片直径甚至可达2-3米！姚明在它面前也相形见绌。
▲ Trent1000，图片源自网络
一片风扇叶片重量不到10公斤，却在工作时产生超70万N的离心力，轻轻松松在每个风扇叶尖上吊起好几辆公交车！肩负如此使命的风扇叶片经过一代代工程师们潜心研究，经历了由叶尖带冠，到叶身加凸台，再到目前较先进的复合弯掠宽弦叶片的一系列演变。
CFM56-2的风扇叶片是目前所见到唯一一种叶尖带冠的结构。带冠风扇叶片在减少叶尖漏气损失，抗振和抗外物击伤方面表现良好，但增加叶冠相当于在叶片直径最大处增加了质量（小伙伴们可以自行脑补头重脚轻的形象），从而高速旋转而产生的离心力对叶根强度带来了严重影响，于是这种“小萝卜头”式风扇惨遭淘汰。
取而代之的，是一种在距叶尖1/3处带凸肩的风扇叶片。这种风扇叶片抗外物击伤能力优于叶尖带冠风扇叶片，获得了广泛的应用。但是这种设计的加工制造工艺复杂，对风扇性能影响较大，于是又悲壮地淘汰了。
时间来到了20 世纪70 年代，英国RR公司成功研发了第1代风扇钛合金空心宽弦叶片，在有效降低发动机油耗的同时，也提高了叶片的抗外物击伤和减振的能力。20 世纪90 年代以来， GE 和SNECMA 等公司开始广泛研究复合弯掠转子叶片。这种设计能够降低跨声速风扇叶片叶尖法向相对马赫数，从而减少激波损失，提高效率。除了在性能提高的优势外，通过采用中上部后掠等设计，可以有效抑制激波强度，降低噪声。
说到噪声问题，小丫不禁要多说几句。夏天来了，家用电风扇也再度出山，小丫在享受它带来的凉爽的同时也烦恼着嗡嗡的噪音。于是，小丫作为航空发动机工程师，当然也要设身处地为萌萌哒的大发降噪减忧，要知道风扇叶片这个直径两三米的大家伙，每分钟转速可达4000转以上，叶尖处的噪声甚至可达总声压级150分贝！150分贝是什么概念呢？
声压级（dB） | 举例 |
150 | 喷气式飞机发动机 |
140 | 安全极限 |
120 | 痛阈 |
110 | 摩托车加速（5m外） |
100 | 风铲（2m外） |
90 | 吵闹工厂 |
80 | 吵闹街道交通 |
70 | 商业办公室 |
60 | 谈话 |
50 | 安静的饭馆 |
40 | 图书馆 |
30 | 卧室 |
20 | 风吹树叶 |
10 | 人的呼吸声（3m外） |
好吧，如此聒噪的大发！
不过不用担心，好在像小丫一样的航空发动机工程师们一直在为大发的降噪不懈努力，比如说采用弯掠风扇叶片、选取合适的转子静子数目、后掠的静子叶片、加大转子静子间距、短舱声衬降噪等等一系列降噪措施，所以小伙伴们在坐飞机的时候，听到的噪音也是在可耐受氛围内啦！当然，一切仍有进步空间，小丫们仍需不断努力。
▲ 后掠静子、leap-x风扇叶片
▲ 声衬降噪
哎呀，扯远了，我们来说回风扇叶片的发展史。目前，这种复合弯掠风扇叶片已应用在GE 公司的GE90- 115B、GENX 等发动机上，减重和提高性能双丰收，具有广阔的市场前景，$_$！
小丫综观风扇叶片的发展过程，实质上是追求高性能、轻质量和高稳定性的过程。
现在，较为成熟的宽弦叶片和掠形叶片技术已经成为提高风扇和压气机效率与级负荷的关键技术，攻城狮们也在不断努力，向着“更轻、更强、更好”的目标奋进。
▲ GE公司掠形风扇叶片演变史，图片源自网络
说完了高调的转子叶片，下面小丫为大家隆重推出低调的静子叶片。风扇静子叶片位于外涵道，对风扇后气流进行整流。通过对风扇静子叶片的后掠优化，可以达到降低风扇转静干涉噪声的作用。
▲ 风扇外涵静子
俗话说人靠衣装马靠鞍。夸完了大发的心灵美，也要给大发的美颜点赞。风扇包容机匣作为大发的“美艳皮囊”，在大发的工作过程中也具有重要作用，不仅为通过风扇的外来空气提供进入的通道，而且为防止风扇叶片失效断裂甚至飞出，还要求对风扇叶片碎片有包容作用。
早期的风扇包容机匣全部采用高强度和高韧性的金属结构。这种风扇机匣架构较厚，重量很大，直接影响装配成本和油耗，于是乎，减重势在必行。看来在航发界，减肥也是王道啊~
随着复合材料的发展，GE公司自20世纪90年代着手研究碳纤维编织结构增强树脂基复合材料机匣。GEnx-1B70发动机采用这种复材风扇包容机匣后，每台发动机减重约160kg。瘦身成功的大发收到了广泛的美誉，朝着迎娶白富美，走上人生巅峰的至高目标一路狂奔！
▲ 复材机匣，图片源自网络
除了美颜之外，大发的骨骼也异常强韧。分流机匣和中介机匣便是其中之一。分流机匣位于内外涵道之间，顾名思义将风扇吸入的气流分成两股，分别送入内外涵道。中介机匣是发动机重要的承力机构，位于增压级出口和高压压气机之间，将内涵气流由增压级顺利引入高压压气机。
刚才小丫也为大家介绍了，被大风扇吸入的空气绝大部分经由外涵道直接排出，但还有一小部分空气收到增压级蛊惑，引入内涵道，随后进入高压压气机进一步“受虐”，所以下面我们就来聊聊增压级和高压压气机，探寻那一小撮空气分子的轨迹。
现在主流的民用大涵道比涡扇发动机的增压级一般为3-5级，所谓1级就是1排转子叶片加上1排静子叶片。对于增压级来说，通常在第1级转子叶片前还有1排进口导流叶片作为“门迎”，起到整流的作用。较之大块头风扇叶片来说，增压级叶片的尺寸就相当袖珍了，个头不到10厘米。
增压级的英文名唤作“Booster”，顾名思义就是“狂热的支持者、助力者”，作为风扇的小跟班，增压级除了压缩空气的本职工作外，最重要的存在意义是将风扇老大哥招来的空气分子选取一小撮突击部队引入内涵道，交给背后的大Boss高压压气机。
2）高压压气机结构：
▲ 高压压气机
压缩空气哪家强，高压出马一胜俩！
说到压缩空气的能力，比起略显温顺的增压级和体型庞大的风扇，多达8-10级的高压压气机就是个火爆脾气了，每分钟工作上万转，多级转子你追我赶，肆意压缩，使得通过层层关卡的气流，压力达到20倍以上，后面级温度可达800k以上，小丫掐指一算，这可是500多℃啊！更令人叹为观止的是，高压压气机末级叶片尺寸甚至不到2cm（成人指甲盖的长度），而叶尖间隙则远远小于1mm（约三四根头发丝的直径）。
说到这儿，小丫不禁回头看了看老大哥大风扇，看来还是俗话说得好，浓缩都是精华啊！
（此处为画外音，风扇：长得大块头怪我咯？术业有专攻懂不懂！）
麻雀虽小，五脏俱全。对于高压压气机来说，俱全一词显然已经无法描述它的复杂程度。要知道，高压压气机部件的零件种类可达300多种，而零件数目更是高达6000多个！（话至此处，风扇老大哥唯有默默走开）。
高压压气机具体由转子组件、前机匣组件、后机匣组件和调节机构组件等组成。前机匣通常采用对开机匣，拆装性好，并呈向后扩张形，以便与延伸机匣进行连接。后机匣通常采用整环双层结构，保证机匣刚度，易于控制叶尖间隙。
转子组件通常包括轴颈、整体叶盘、轮盘、鼓筒轴、转子叶片、减涡器和螺栓螺母等，一般为盘鼓混合式结构。对于前几级叶片，尺寸相对较大，通常采用整体叶盘以减少零件数，节省材料，提高可靠性。
▲ 整体叶盘，图片源自网络
说到整体叶盘，可不能一笔带过。这是一种进一步提高发动机部件效率的新型结构，顾名思义是将叶片和盘采用一定的焊接方法连接成一体，或者在整块材料上加工出叶片和盘。整体叶盘技术省去了常规压气机盘连接的榫头和榫槽，大大简化结构和重量，避免了榫槽损伤等潜在的故障，从而使整台发动机推重比得到显著提高。整体叶盘的刚性好，平衡精度高，有利于提高结构的气动效率。因此在现代民用航空发动机上该技术已普遍使用。
当然，由于叶盘上的叶片是不可拆卸的，为避免叶片因外物损伤后使整个转子报废，整体叶盘通常不再与其他轮盘进行焊接。
▲ 整体叶盘在GE公司发动机上的使用，图片源自网络
对于高压压气机后几级，叶片尺寸非常小，使用整体叶盘带来的收益远不如前几级，而整体叶盘本身则存在较大的制造和维修风险。显而易见地，此类“收益小，风险大”的投资项目果断遭到了小丫们的弃用。
因此后几级转子通常采用多盘焊接+分离式叶片结构。叶片与轮盘榫接主要采用两种形式，轴向榫头连接和周向榫头连接。轴向榫头承载大，工艺成本较高，需要较多其他零件进行轴向定位，周向榫头所能承受的负荷较小，但结构简单，加工方便。
在叶片造型方面，宽弦（即小展弦比）的高压压气机工作叶片已逐渐取代常规的大展弦比工作叶片。采用小展弦比叶片后，不仅叶片在强度与振动方面有较好的特性，而且气动性能也较好。
除了在展弦比上作文章外，一种端弯设计叶片也被广泛采纳，端弯设计即将叶片叶尖与叶根前后缘稍作弯曲的一种设计，能消除端壁附面层的影响，可提高压气机的喘振裕度与效率。当然，端弯可不是直接将做好的常规叶片用夹具将其扳弯的（这么粗暴的方法小丫才不会采纳），而是通过机械加工将它从坯件上直接加工出来的。
此外，为了扩大压气机在不同转速下的裕度，提高压气机的稳定性，高压压气机的前几排静子叶片一般设计为可调叶片以改变其安装角，通过调节机构实现。
调节机构主要由摇臂、操纵环、拉杆、作动筒等构件组成。在设计过程中一方面必须保证各组件协同工作，不互相干涉，另一方面，通过摇臂的几何尺寸实现在相同行程下，各静子叶片满足自己的调节角度。
▲ 可调静子叶片
除了可调静子叶片设计，也可采用机匣处理、前掠转子叶片和弓形静子叶片等技术来提高发动机效率和稳定性。
机匣处理技术结构形式简单，可以有效地控制动叶叶尖流动，提高压气机的稳定裕度，机匣开槽（轴向缝、叶片角向缝、轴向倾斜缝、周向槽等）是常见的机匣处理方法。CF6-80C2、CFM56等发动机上都采用了机匣处理。
▲ 机匣开槽
前掠转子设计，可以降低对畸变的敏感性和在较小失速裕度下提高效率；弓形和倾斜设计静子，可以增强端壁附近低能流体和主流区的高能流体之间的掺混，滞后端壁失速，提高压气机稳定裕度。
▲ 前掠转子叶片，弓形静子叶片
当然，要实现高压压气机的超能力，材料的选择至关重要。应用于压气机部件的材料种类很多，有钛合金、高温合金、特种不锈钢等等。下图为CFM56-3型发动机的高压压气机选材方案，可以看出，根据不同部位的工作环境不同（温度、压力等），材料的选择也不尽相同。
▲ CFM56-3发动机高压压气机材料选择
本期总结
本期，小丫带领大家窥探了大发的压缩部件——风扇/增压级和高压压气机。关于大发的神奇之处还很多，关于压气机的奥秘也不是寥寥数语可以言明。
下期，小丫还会为您带来压气机部件的技术点和研制难点，作为一名航空发动机工程师，作为国之重器的研制者，小丫深知肩上的责任，也永不忘航空报国的初衷。
我们相信，一切关于压缩的奥妙，都将在我们手中一一解开……
责编：赵诗棋
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