浅析航空压气机及其发展趋势

　　压气机(compressor)：燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。压气机叶轮叶片的前端部分呈弯曲状称为导轮，起作用是将气体无冲击的导入工作叶轮，减小气流冲击损失。小型增压器的压气机叶轮一般将导轮与工作叶轮制成一体。压气机的叶轮出口有扩压器，使气体在叶轮中获得的动能尽可能多地转化为压力。扩压器分为叶片式和缝隙式两种。压气机的外壳有气流的进口和出口。进口一般呈轴向布置，流道略呈渐缩，以减小进气阻力。出口一般设计成流道沿圆周渐扩的蜗壳状，使高速气流在那里继续扩压，提高增压器的总效率。压气机由涡轮驱动，其主要性能参数有：转速、流量、空气流量、增压比和效率等。

　　摘要：作为航空发动机的核心部件之一，压气机的作用是给燃烧室提供经过压缩的高温、高压气体。为了能够全面了解航空压气机，本文系统地介绍了压气机的分类、性能指标以及发展趋势，进一步推动我国航空事业的发展。

　　关键词：航空发动机;高温、高压;性能指标;压气机

　　一、压气机分类

　　1.1 离心式压气机

　　离心式压气机由进气系统、叶轮、扩压器和集气管等四部分组成，它通过中间轴与涡轮相连。为了增加进气量，叶轮采用双面进气，这样有利于平衡作用在轴承上的轴向力。为迎合气流相对运动的速度方向，叶轮的进口部分做成旋转方向前弯。工作轮叶片之间呈径向辐射状的通道，气流通过工作轮增加速度和压力。当气流从工作叶轮流出后，进入扩压器。扩压器与叶轮之间存在较大缝隙，气流在缝隙中也起到扩压作用，故该扩压器也称缝隙扩压器。从扩压器出来的气体进入集气管进一步减速扩压，然后进入燃烧室。

　　1.2 轴流式压气机

　　通过压气机的空气基本上沿轴向流动，因此叫做轴流压气机。轴流压气机主要由静子和转子两部分组成。静子是静子组合件的总称，包括机匣和整流器。在单转子涡喷发动机中，压气机机匣由进气装置、整流器机匣和扩压器机匣组成。在双转子压气机中，在风扇和压气机之间还有一个分流机匣，将内涵道和外涵道的气流分开，在高压和低压之间还有一个中间机匣，将气流由低压压气机顺利引到高压压气机中。转子是一个高速旋转对气流做功的组合件。在双转子涡喷发动机中，压气机又分为低压转子和高压转子，在双转子涡扇发动机中，低压转子就是风扇转子，或者是风扇转子和低压压气机转子的组合。一排转子叶片和一排静子叶片组成轴流压气机的一个级。在某些压气机第一级前面装有预旋的导流叶片，其目的是使气流在进入第一级时获得所需的`流场分布。空气通过轴流压气机时不断受到压缩，空气比容减小、密度增加。因而轴流式压气机的通道截面积逐渐减小，呈收敛性，压气机出口截面比进口截面积要小的多。

　　轴流式压气机的流动特点使其在结构上容易组织多级压缩，以每一级都较低的增压压力比获得较高的压气机总增压压力比。一般每级的增压压力比在1.15～1.35之间，使得空气流经叶片通道时无需急剧的改变方向，这样就减少了流动损失，因而压气机效率高，特别是大流量时，轴流式压气机较离心式压气机更容易获得较高的效率，一般轴流式压气机的效率可达87%以上，而离心式压气机的效率最高可达85%，与离心式压气机相比，多级轴流压气机还具有大流量，高效率，小迎风面积等优点。因此，近代大功率燃气轮机大多数都采用多级轴流压气机来压缩气体。

　　二、压气机的功能和主要性能指标

　　压气机的功能是用来提高进入发动机内的空气动力，供给发动机工作时所需的压缩空气，也可为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的起动提供压缩空气。

　　评定压气机性能的主要指标有增压比、效率、外面尺寸和重量、工作可靠性、制造和维修所需的费用。对于航空发动机来说，最重要的指标之一是外面的尺寸，它用单位质量流量来衡量，即通过发动机单位面积的空气质量流量来决定。

　　对于压气机结构设计主要有以下几个要求：满足发动机性能设计提出的各项要求;具有足够的强度、适宜的刚度和更小的振动;结构简单，尺寸小，重量轻;工作可靠，寿命长;维修性、检测性好，性能制造成本低等五个基本要求。

　　三、压气机的发展动态及趋势

　　随着飞机对发动机的推重比、能量利用率及其他方面的要求不断提高，发动机对压气机也提出了更高的要求。而材料、工艺、试验技术、气动设计理论和计算流体力学的巨大进步又为不断提高的要求提供了必要的条件和技术支持。以下为压气机近一段时间的基本趋势和未来的发展方向。

　　(1)更高的叶尖切向速度：提高叶尖的切向速度是提高单级加功的有效途径。现代军用发动机风扇和低压压气机的切向速度为400-500m/s。某国为研制用于未来战斗机的发动机，对压气机和风扇进行了大量的远远超过现役机种水平的先期性设计试验研究，其切向速度可达577-630m/s，单级压气机的增压比为3.2，双级压气机达4.57，三级压气机可达8.07。

　　(2)更高的转子亚比：一般不断提高单转子核心压气机的压比。

　　(3)更高级的气动负荷和单级压比：提高级的气动负荷一直是设计人员所追求的目标，为此采用更完善的气动设计和造型;采用低展弦比、高稠密度的叶片设计及更大的叶片安装角等等。

　　(4)更高的效率。

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