航空发动机会使用压气机“自我加压”

压力越大，动力越大！

大众对航空发动机最直观的认识，可能就是在搭乘民航客机时，机翼下方挂载的民用大涵道比涡轮风扇发动机。大直径叶片风扇、低压压气机和高压压气机共同组成航空发动机重要部件——压气机。

波音777宽体客机及在役最大涡扇发动机GE90-115B发动机

喷气飞行时代的来临

航空压气机设计体系初创

涡轮喷气发动机产生推力的基本原理是：发动机将速度较低的空气吸入，经压缩、燃烧、涡轮膨胀做功后，再以较高速度排出，通过空气在发动机进出口的动量差，形成推力。

JUMO 004发动机以及世界上第一款喷气式战斗机梅塞施密特Me-262

涡喷发动机在二战的炮火中诞生。战后，世界各国投入大量人力物力，开展涡喷发动机的研制工作。经研究发现，增大压气机增压比，能够有效提高发动机的热效率，各国开始逐步重视航空压气机设计技术的研究。

早期的航空压气机设计多基于原有的翼型理论以及螺旋桨理论，并逐步发展到孤立叶型理论，压气机的设计效率较低。后来，人们逐渐认识到压气机内部气体流动有其独有特点，发展了二维平面叶栅压气机设计体系。

美国NACA早期压气机试验设备以及八级轴流压气机试验

美国GE公司J79-GE-17发动机及其17级轴流压气机，总增压比达到13.4，使F-104战斗机飞行马赫数超过2

叶轮机械三元流动理论

中国人在压气机设计领域的杰出贡献

随着压气机结构更为紧凑和负荷不断提高，压气机中气体的实际流动与设计预想之间的偏差愈发增大。中国著名工程热物理学家吴仲华创立了全新的叶轮机械三元流动理论，开启了航空压气机设计技术的全新发展篇章。

吴仲华1940年毕业于清华大学机械工程系。通过对叶轮机械内部流动理论进行深入研究，吴仲华独立发展了基于流面模型的叶轮机械三元流动理论，将叶轮机械内部三维流动分解到两类相对流面上，从而将三维问题转化为求解两个流面上的二维问题。

吴仲华和其代表性著作《叶轮机械三元流动通用理论》（NASA-TN-2604）

自叶轮机械三元流动理论公开发表后，各大发动机研究机构开发出相应的压气机设计计算程序，建立起压气机准三维设计体系，并应用于工程实践。时至今日，“吴氏通用理论”仍然是压气机设计体系中最为重要的核心理论。

吴仲华提出的两类流面迭代求解思路

数值模拟仿真蓬勃发展

计算流体力学技术推动压气机气动设计发展

上世纪80年代，航空发动机设计人员逐步认识到，如果要在进一步提升压气机压比的同时保持较高的效率和宽广的喘振裕度，必须对压气机内部流动有更加清晰和准确地认识。

计算流体力学（CFD）是研究计算机数值求解流体力学非线性偏微分方程组的专门学科。早期CFD技术方法的研究多针对外流，然而压气机气体流动属于内流，模拟难度要高于外流。英国剑桥大学Denton教授开发了一套三维叶轮机械数值模拟程序，全球诸多航空发动机研究机构都曾采用该套程序对压气机进行数值模拟计算。

随着CFD技术发展，设计人员对压气机内部三维流动结构的认识愈发清晰，国际上各大研究机构都开展了大量的压气机全三维数值模拟工作，CFD技术为压气机设计提供了“数值风洞”，为设计人员快速评估设计结果、了解内部流场细节提供技术支撑。

压气机内流全三维数值模拟结果

美国普惠公司F119-PW-100发动机采用3级低压和6级高压的方案，有效减小了压气机轴向尺寸并降低了重量，其压气机总压比达到了26

喷气推进新时代

多学科交叉发展推动压气机设计进入新阶段

进入21世纪，高效、节能、环保、安静成为民用航空发动机的关键词，变循环、热管理、电磁红外隐身设计等全新设计概念也逐步应用于军用航空发动机的研发当中。航空发动机需求的全新变化，压气机设计也进入了全新阶段，比较有代表性的新设计技术如下：

先进优化算法寻优设计。工程技术人员将遗传算法、神经网络算法、响应面算法、伴随优化算法等大规模多目标多变量优化算法引入压气机设计体系。

多变量优化算法进行压气机叶片优化设计

高自由度叶片参数化几何造型方法。用参数化几何描述方法取代传统解析几何方法进行压气机设计。

复合弯掠压气机叶片及转子

三维粘性设计方法。采用三维粘性数值模拟方式，使叶型几何调整与流场数值模拟同步进行。

三维粘性设计改善叶片表面流动

复合材料叶片制造技术。复合材料叶片制造技术已成为当前研究热点，持续探索制造过程自动化以及材料力学性能提升。

GE公司GE90复合材料风扇叶片/罗罗公司UtralFan复合材料风扇叶片

多学科综合数值模拟技术。压气机数值模拟领域逐步出现了流、固、声、热等多物理场耦合综合数值模拟分析技术。

压气机叶片流固耦合应力分析

（中国航发涡轮院 刘昭威）