压气机的十八般武艺，小丫带你看“大发”之压气机篇（九）
啊~七夕~你比巴西少一夕
啊~七夕~你比无锡多两夕
啊~七夕~你比山西多四夕
啊~七夕~比起梅西全是夕
在李旦望为大家带来本期内容之前
先祝福天下有情人七夕快乐
也要代表我们的攻城狮们表个白
大发，我们也爱你哟！
前情提要
前几回说到航发江湖GE航空公司、罗罗公司、普惠公司三国鼎立，近半个世纪来风云际会，三分天下。而自古江湖多风雨，三大佬之间的暗潮涌动自不必多言，来势汹汹的后起之秀更是身怀绝技，摩拳擦掌，新一轮腥风血雨一触即发。
随着六年前中航工业商发横空出世，航发江湖平地风雷。商发独门武器长江系列“大发”近年来苦练内力，外修剑法，功力突飞猛进，剑指巅峰，实属江湖新秀之翘楚。
俗话说得好，知己知彼百战不殆，唯有熟悉江湖上各门各派武功的精髓所在，取其精华去其糟粕，“大发”才能更快地在江湖上占有一席之地，成为响当当的人物。
因此，继上一期小丫向广大读者介绍了大涵道比涡扇发动机压缩部件风扇/增压级和高压压气机的工作原理和结构后，本期将继续由小丫带领大家探索它们的十八般武艺。（然而本段显然已用尽小丫毕生所学成语，前方告急。）
钛合金空心风扇叶片，大发的倚天剑
“安得倚天剑，跨海斩长鲸”
倚天剑，金庸先生小说《倚天屠龙记》中的名剑，为玄铁重剑混合西方精金所铸。倚天剑锋锐无比，后成为宝剑之代称。而在历史上，倚天剑更是三国时曹操的佩剑，与青釭剑齐名并称绝世双剑。传为取宋玉的《大言赋》中的名句“长剑耿耿倚天外”命名。一代诗仙李白，亦对之仰慕不已，更是有《临江王节士歌》“安得倚天剑，跨海斩长鲸”的句子。
对于“大发”来说，传统的实心风扇叶片重量大，离心力大，颤振和振动问题突出，已无法满足大客发动机的设计和低油耗的要求。
于是聪明的攻城狮们很快想到一个绝妙的idea，实心太重？咱挖空它！
因此，钛合金空心风扇叶片应运而生，低质量、高效率，威力强大如上古神兵倚天剑。
·倚天剑VS钛合金空心风扇叶片，图片源自网络
早在上世纪60~70年代，航发江湖的三大佬就已经开始着手研制钛合金宽弦空心叶片，英国R & R公司研制的第一代宽弦空心风扇叶片用活化或液态扩散焊接法将两块热态叶片形状的钛板和一个内薄壁蜂窝夹芯连为一体，形成一个“三明治”式的整体叶片。随后，R & R公司研制了第二代空心叶片，采用先进的超塑成形／扩散连接工艺（SPF／DB）制造，芯部采用瓦伦结构代替原来的蜂窝结构，优点是结构整体性好，所有的连接界面都是扩散连接成为整体的，叶片重量更轻、成本更低。
·R & R公司第一代空心叶片、第二代空心风扇叶片，图片源自网络
上世纪80年代末，P& W公司为减轻PW4084发动机2.84m直径风扇的重量，研制了SPF／DB的钛合金宽弦无凸肩空心叶片。同样在上世纪90年代初，GE公司也研制成功了SPF／DB的空心叶片。当然，除了各位大佬的研究成果外，后起之秀商发公司在钛合金空心风扇叶片研制上也已取得阶段性成果。
·RR和PW公司空心风扇叶片内部结构
与带凸肩的窄弦实心风扇叶片相比，钛合金宽弦空心风扇叶片重量轻、叶片数量少。内部瓦伦芯板结构改善了叶片的抗振性能，提高了风扇效率，降低了发动机的燃油消耗率，增加了风扇叶片的喘振裕度。
复合材料风扇叶片，大发的屠龙刀
“武林至尊，宝刀屠龙，
号令天下，莫敢不从！”
屠龙刀，金庸先生小说《倚天屠龙记》中第一宝刀，因称“武林至尊”而被武林人视为宝物。与倚天剑同为玄铁重剑混合西方精金所铸，刀中藏有兵法《武穆遗书》。
对于“大发”来说，复合材料风扇叶片与钛合金空心风扇叶片就像屠龙刀和倚天剑，都是江湖人士追逐的热点，两者并称当世最锋利的神兵。
·屠龙刀VS GE复合材料风扇叶片，图片源自网络
（看罢此对比图，小丫真是为自己的找图能力点100个赞！）
任何一种独门武器的问世都有其深刻的历史原因，复合材料风扇叶片也不例外。话说这些年，航发江湖为实现新一代涡扇发动机高效率的要求，发动机设计涵道比不断增大（也就是身材越来越圆润，T_T），相应地，风扇叶片的尺寸和重量也逐渐增大，眼看着就要一步一步走向傻大个的不归路，好在风扇叶片这个爱美的姑娘趁早觉悟，积极瘦身减重，保住了女神的称号。
那么减重的秘诀呢？答案就是复合材料！对于大发来说，较之金属叶片，采用复合材料制造的风扇叶片，可以有效地降低发动机重量，还具有更好的疲劳性能。
有了此本秘笈，航发界的武林高手们便按耐不住、磨刀霍霍。
1991年，美国GE公司和法国SNECMA公司成立CFMI合资公司CFAN，开始为GE90生产宽弦复合材料风扇叶片。
1995年，装载采用预浸料成型的第二代掠型大流量宽弦复合材料风扇转子叶片的GE90-94B发动机的波音777飞机正式投入航线运营使用。随后在综合考虑空气动力学、高低周疲劳循环等因素的基础上，GE公司为GE90-115B发动机研制了改进型复合材料风扇叶片。
与此同时，SNECMA公司与AEC公司合作，经过十二年的研发，为LEAP-X发动机研制了三维机织RTM成形宽弦复合材料风扇叶片，其预制体为一次编织成型，每片叶片使用的碳纤维长度约为322公里。
·典型的三维机织结构示意图
·SNECMA复合材料风扇叶片，图片源自网络
其他大佬们都在各显神通，R &R公司自然也不甘寂寞，在2012年范保罗航展上公开的资料表明，R &R公司的复合材料叶片将采用在ELF计划中进行了验证的自动铺丝（AFP）技术。在层间增强方面，R&R公司在ELF项目中验证了Tufting缝合增强和Z-pin两种层间增强模式。
·R&R复合材料风扇叶片，图片源自网络
因缘际会中，商发公司也得此秘笈，但由于复合材料风扇叶片研制在我国尚属首次，技术难度大，设计研发、试验验证和适航认证工作基本属于空白，因此大发的修炼之路荆棘密布。不过好在小丫们都具备航空人勤奋刻苦的优良传统，经过几年的闭关修炼，大发也已小有所成，实力不容小觑。
复合材料风扇机匣，大发金钟罩铁布衫
“硬功外壮，阳刚之劲”
金钟罩是少林寺四大神功之一，由少林寺始祖达摩禅师所创。金钟罩铁布衫是中国功夫中最负盛名的护体硬气功，练成金钟罩铁布衫可以承受拳打脚踢而丝毫无损，更甚者可达到罡气护体的程度。
对于“大发”来说，复合材料风扇机匣就是风扇和压气机的金钟罩铁布衫，质量轻、包容性好。
·金钟罩，图片源自网络
GE公司自上世纪90 年代开始研究碳纤维编织结构增强树脂基复合材料的风扇包容机匣，所用材料为TORAY的T700碳纤维和CYCOM 的PR520 环氧树脂。采用二维三轴编织技术制造编织预成型体，并应用于GEnx 发动机。当复合材料风扇叶片碎片撞击到包容机匣后，可以被有效包容，包容效率提高大约30%。在GEnx-1B70 中风扇段占发动机总重的33%，与金属结构相比，采用复合材料风扇包容机匣可使每台发动机减重160 kg。
·GEnx风扇包容机匣结构，图片源自网络
除此之外，CFMI 公司研发的Leap-X 发动机也将采用碳纤维三维编织预制体，通过RTM 工艺成型制备全复合材料风扇机匣。
R & R公司在芳纶纤维缠绕增强复合材料风扇机匣包容环的研制方面较为成熟，并将其应用于大多数的Trent 系列发动机上。如Trent700 发动机一般采用铝制的环形壳体上缠绕多层用Kevlar材料织成的条带，然后用环氧树脂包覆，为了减轻铝合金壳体的重量且保证壳体具有一定的刚性，壳体上纵横交错的铣出多道凹槽，形成具有格栅结构的薄机匣，称为“等格栅铝环”。这种复合材料包容环较RB2111-535E4 发动机轻35%，比RB211-22B 发动机轻55%。Trent 800 发动机采用与GE90 和PW4084 发动机相同结构的芳纶纤维缠绕风扇机匣包容环，用以替代原有的不锈钢结构，重量可以减轻35%-50%。
抗鸟撞设计，大发的十八铜人阵
“名动江湖、誉满天下”
十八铜人阵是少林寺的著名阵法之一。相传十八铜人起源于唐朝的十八棍僧救唐王的传说。隋朝末年，群阀争天下，秦王李世民身陷险境，被王世充的部属追杀。逃亡途中得到当时少林寺的武僧协助，终于逃出升天。后来李世民登基为帝之后，为了褒奖少林寺的练武强身，匡扶天下的事迹，铸造了以十八个武僧为原型的铜像。自此之后，十八铜人就成了少林弟子行侠仗义、救民保国的象征。武侠小说中十八铜人往往作为少林寺的守护者，护卫山门。
对于“大发”来说，飞鸟撞击是发动机最频繁遇到的安全威胁之一，位处发动机最前缘的18片风扇叶片正像是十八铜人阵，肩负抵挡鸟类撞击，保护核心机的重要使命。
·少林十八铜人阵，图片源自网络
鸟撞击事故经常发生在飞机起飞、降落和爬升阶段。据统计，发动机受鸟撞击的次数占总撞击次数的20.4%，适航条款则专门规定了吸鸟条款。
上世纪70年代中期，美国率先开展叶片抗外物损伤研究，他们依托空军基地在试验方面的优势, 进行了大量的理论与试验研究。其后，日本航空宇航技术研究所与英国牛津大学等也相继开展了鸟撞击理论与试验的研究工作。80 年代中期后，德国、加拿大、法国等国的一些研究机构也从不同方面开展了相关研究工作。
·鸟撞风扇叶片示意
发动机鸟撞数值模拟是航空发动机抗鸟撞设计重要手段。用接触冲击算法来处理鸟撞击叶片这种流固耦合问题，是目前最有效的方法。除了数值模拟外，进行鸟撞试验也是必不可少的。
https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=j01635jqjsa&width=500&height=375&auto=0
·鸟撞试验视频，视频源自网络
高压压气机高压比高效率的气动设计
大发的北冥神功
“吸入内力，以为己有”
北冥神功是金庸先生小说《天龙八部》中逍遥派的顶级武功之一，《笑傲江湖》中日月神教教主任我行的武功吸星大法的设定便为承继北冥神功正宗。北冥神功系引世人之内力而为我有，且吸力强劲，段誉、虚竹皆修习部分。
对于大发而言，高达20+压比的高压压气机像极了北冥神功，高速运转、超强吸力。而北冥神功博大精深，连虚竹和段誉两人均未尽得其真谛，自然高压比高效率的压气机设计也充满了挑战。
·北冥神功，图片源自网络
北冥神功第一式：叶片造型方法
随着二维和准三维设计体系成熟，可控扩散叶型（CDA）和定制叶型设计成为可能。通过控制叶片吸力面的气流扩压过程，使叶型在其工作范围内能避免或推迟附面层分离，当叶型用于跨音速条件时，使局部超声速区无激波地扩压到亚声速，或尽可能地减弱激波强度。GE公司的F110的风扇、压气机都是这种设计体系的成功产品。
北冥神功第二式：小展弦比叶片技术
小展弦比叶片在控制端壁附面层流动方面效果较好，可减少端壁上的轴向压力梯度，抑制失速的发生，更易获得较高的效率。因此，在重量和长度保持不变的情况下，降低展弦比可提高效率、喘振裕度和使用可靠性，并减少零件数目，降低成本。
北冥神功第三式：前掠转子叶片
轴流压气机设计中，掠形设计常作为重要扩稳及提高效率措施而广泛使用。采用前掠叶片可以达到更高的负荷，更高的效率，更大的喘振裕度和更好的抗流场畸变能力。
·前掠转子叶片
北冥神功第四式：端弯叶片。
端弯叶片在静子上得到了大量应用，对于改善端区流动具有明显的作用。采用端弯叶片后静子的二次流得到明显控制，避免了气流分离，性能得到显著改善。
当然，端弯叶片不但在静子叶片上应用，在转子叶片应用可以改善附面层的影响，提高效率和喘振裕度。普惠公司在V2500，PW4000上都采用了端弯叶片。
·端弯的转子叶片及静子叶片
北冥神功第五式：主动间隙控制技术
GE90压气机后几级采用了主动间隙控制技术，在巡航状态下用热空气对后几级轮盘进行加温，以保持较小的叶尖间隙。同时它还减小了级间静子内环与转子鼓环间的空腔，以减小气流回流损失。
高压压气机的级间匹配设计
大发的北斗七星阵
“各司其职，相互配合”
北斗七星阵全名天罡北斗七星剑阵，由《射雕英雄传》中全真教第一任教主王重阳所创。此阵法的编排结合道教一元、两仪、三才、四相、五行、六合、七星、八卦、九宫的流变规律。各个方位各司其职，相互配合，环环相扣，缺一不可。
对于“大发”来说，多级高压压气机之间的匹配就像是北斗七星阵的环环相扣。各级任务不同、分工有别，却又精巧设计、配合讲究。
·北斗七星阵，图片源自网络
级间匹配特性是多级轴流压气机的重要特性，其优劣直接影响压气机的总体性能，是设计工作的重中之重，也是最困难的部分。任意级的级间参数选择不合适将导致该级的性能降低，甚至影响其它多排叶片的运行状况，使其运行参数与设计参数偏离，从而导致压气机整机性能无法达到设计目标。因此，对于多级压气机设计，级间匹配是决定成败的最关键因素。在工程上往往要重点考虑各级出口流量、角度等参数与下一级进口的配合。
本期小丫给大家展示了压气机传说中的十八般武艺，行文至此，压气机的故事就要暂告一段落了，小丫也要回归江湖潜心修炼，争取早日飞天。
后面的故事就交给小丫的好朋友“小燃”、“小涡”们了。各位看官，欲知后事如何，且听下回分解。
作者：李旦望
责编：赵诗棋