航空发动机有没有用多级离心式压气机的？
航空发动机用多级离心式压气机吗？这个问题，其实是个很有趣的技术视角切入点。简单来说，答案是：很少，几乎不用，至少在现代主流的喷气发动机设计中是如此。
我们得先明白，航空发动机的核心功能是“吸进空气，然后狠狠地压缩它，再和燃料一起燃烧，最后把高温高压的气体喷出去产生推力”。而压气机就是干这个“狠狠压缩”的活儿的。
说到“压气机”，大家最熟悉的可能就是离心式和轴流式这两大类型。
离心式压气机： 顾名思义，它的工作原理是靠叶轮的旋转，把空气甩出去，通过离心力将其加速，然后在导流叶片的作用下将动能转化为压力能。就像你高速旋转水桶，水会被甩到桶壁上一样。它结构相对简单，制造容易，在高比转速下效率不错，而且对进气条件不太敏感，比较皮实。早期的一些飞机发动机，比如很多活塞式发动机的增压器，以及一些早期的涡轮喷气发动机，都采用过离心式压气机，甚至有些直升机涡轴发动机也用过单级或两级的离心式压气机。
轴流式压气机： 这个就更常见了，你看到的绝大多数现代喷气发动机，尤其是民航客机和军用战斗机上的涡轮风扇发动机，其前部那个大大的、一圈圈叶片的装置，就是轴流式压气机。它的原理是让空气沿着发动机的轴向（也就是发动机的“前后方向”）流动，通过一系列固定和旋转的叶片组，一层一层地提高空气的压力。旋转叶片（转子）加速空气，固定叶片（静子）则把速度转换为压力。
那么，为什么航空发动机很少用“多级离心式压气机”呢？
这里面有几个关键的制约因素：
1. 压比问题（Pressure Ratio）： 这是最核心的问题。一台高性能的喷气发动机，需要将空气的压力提高很多倍，这个倍数叫做“总压比”。离心式压气机，单级能实现的压比相对较低。虽然可以通过增加级数（也就是叶轮和导流叶片的数量）来叠加压比，但这种叠加是有极限的。
想象一下，每一级离心式压气机都需要把空气甩出去，再通过导流叶片减速增压。随着级数的增加，空气在流动过程中会经历多次加速、拐弯、再加速的过程。每一次流动都会有能量损失，而且离心式的设计本身在后期的流道设计上会面临越来越大的挑战，空气要如何在多级之间有效地传递并保持高效率，会变得非常困难。
相比之下，轴流式压气机通过精心设计的叶片轮廓，可以更平稳地引导空气流，每一级都能有效地将气流的动能转化为压力能，并且可以做到很高的单级压比。通过十几二十几级的串联，就能轻松实现非常高的总压比。
2. 效率问题： 即使能够勉强做到多级，效率也会是个大问题。离心式压气机在高压比下的效率通常不如轴流式。航空发动机对效率要求极高，因为效率直接关系到燃油消耗，而燃油消耗是飞行经济性的生命线。低效率意味着更多的燃料被浪费，推力也相应减少。
3. 体积和重量问题： 虽然单级离心式压气机结构紧凑，但要实现高总压比，你就需要很多级。多级的离心式压气机，每一级的叶轮和导流叶片都需要一定的空间和结构支撑。这样一来，整个压气机的长度和直径都会急剧增加，而且由于每一级都相对独立，整体结构的连接和支撑也会变得复杂笨重。与轴流式压气机相对扁平、沿着轴向紧凑布置的特点相比，多级离心式压气机在体积和重量上会非常不利于安装在飞机上。航空发动机的设计始终在追求“推重比”和“功率密度”，也就是在尽可能小的体积和重量下获得最大的推力或功率。
4. 气动设计复杂性： 要设计一个高效的多级离心式压气机，面临的气动设计挑战巨大。空气在每一级之间的传递，特别是从离心式叶轮的出口流向下一级导流叶片时，需要精准的动量和能量传递，同时还要尽量减少气流分离和损失。随着级数的增加，这种设计难度呈指数级增长。轴流式压气机虽然设计也复杂，但其流场相对规律，更容易进行计算流体力学（CFD）模拟和优化。
那么，有没有“变种”或者一些特殊的应用呢？
在某些特定的、对性能要求不那么极致，或者结构要求非常紧凑的领域，我们可能会看到一些“类离心式”或者结合了离心式特点的设计：
单级或两级离心式压气机： 如前所述，在一些涡轮增压器、微型涡轮发动机、无人机动力装置，或者是一些辅助动力单元（APU）中，为了简化结构、降低成本或优化特定工况下的性能，可能会使用单级或两级的离心式压气机。它们的总压比不高，但足够满足这些场景的需求。
混合式压气机（Hybrid Compressor）： 有一些前卫的研究或特定设计可能会尝试结合轴流和离心式的优点。例如，早期可能在轴流式压气机后面加一个离心式增压级，或者反过来。但这种设计往往是为了解决某个特定技术瓶颈，而且在整体效率、复杂性上要权衡。不过，目前主流的航空发动机设计并未广泛采用这种混合方案作为核心压气机。
总结一下：
对于现代主流的航空发动机，尤其是追求高推力、高效率、低油耗的涡轮风扇发动机和涡轮喷气发动机来说，它们的核心压气机几乎都是多级轴流式压气机。离心式压气机由于其单级压比低、难以实现高总压比、效率和体积重量等方面的劣势，在航空发动机的主压气机领域基本被淘汰，仅在一些特定应用或早期发动机上可见。
你可以理解为，轴流式就像是精密的“推土机队”，层层推进，步步为营；而离心式则像是一次性“甩出去”的力量，虽然简单粗暴，但在要达到极高的“压制”效果时，就显得力不从心了。
我们得先明白，航空发动机的核心功能是“吸进空气，然后狠狠地压缩它，再和燃料一起燃烧，最后把高温高压的气体喷出去产生推力”。而压气机就是干这个“狠狠压缩”的活儿的。
说到“压气机”，大家最熟悉的可能就是离心式和轴流式这两大类型。
离心式压气机： 顾名思义，它的工作原理是靠叶轮的旋转，把空气甩出去，通过离心力将其加速，然后在导流叶片的作用下将动能转化为压力能。就像你高速旋转水桶，水会被甩到桶壁上一样。它结构相对简单，制造容易，在高比转速下效率不错，而且对进气条件不太敏感，比较皮实。早期的一些飞机发动机，比如很多活塞式发动机的增压器，以及一些早期的涡轮喷气发动机，都采用过离心式压气机，甚至有些直升机涡轴发动机也用过单级或两级的离心式压气机。
轴流式压气机： 这个就更常见了，你看到的绝大多数现代喷气发动机，尤其是民航客机和军用战斗机上的涡轮风扇发动机，其前部那个大大的、一圈圈叶片的装置，就是轴流式压气机。它的原理是让空气沿着发动机的轴向（也就是发动机的“前后方向”）流动，通过一系列固定和旋转的叶片组，一层一层地提高空气的压力。旋转叶片（转子）加速空气，固定叶片（静子）则把速度转换为压力。
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这里面有几个关键的制约因素：
1. 压比问题（Pressure Ratio）： 这是最核心的问题。一台高性能的喷气发动机，需要将空气的压力提高很多倍，这个倍数叫做“总压比”。离心式压气机，单级能实现的压比相对较低。虽然可以通过增加级数（也就是叶轮和导流叶片的数量）来叠加压比，但这种叠加是有极限的。
想象一下，每一级离心式压气机都需要把空气甩出去，再通过导流叶片减速增压。随着级数的增加，空气在流动过程中会经历多次加速、拐弯、再加速的过程。每一次流动都会有能量损失，而且离心式的设计本身在后期的流道设计上会面临越来越大的挑战，空气要如何在多级之间有效地传递并保持高效率，会变得非常困难。
相比之下，轴流式压气机通过精心设计的叶片轮廓，可以更平稳地引导空气流，每一级都能有效地将气流的动能转化为压力能，并且可以做到很高的单级压比。通过十几二十几级的串联，就能轻松实现非常高的总压比。
2. 效率问题： 即使能够勉强做到多级，效率也会是个大问题。离心式压气机在高压比下的效率通常不如轴流式。航空发动机对效率要求极高，因为效率直接关系到燃油消耗，而燃油消耗是飞行经济性的生命线。低效率意味着更多的燃料被浪费，推力也相应减少。
3. 体积和重量问题： 虽然单级离心式压气机结构紧凑，但要实现高总压比，你就需要很多级。多级的离心式压气机，每一级的叶轮和导流叶片都需要一定的空间和结构支撑。这样一来，整个压气机的长度和直径都会急剧增加，而且由于每一级都相对独立，整体结构的连接和支撑也会变得复杂笨重。与轴流式压气机相对扁平、沿着轴向紧凑布置的特点相比，多级离心式压气机在体积和重量上会非常不利于安装在飞机上。航空发动机的设计始终在追求“推重比”和“功率密度”，也就是在尽可能小的体积和重量下获得最大的推力或功率。
4. 气动设计复杂性： 要设计一个高效的多级离心式压气机，面临的气动设计挑战巨大。空气在每一级之间的传递，特别是从离心式叶轮的出口流向下一级导流叶片时，需要精准的动量和能量传递，同时还要尽量减少气流分离和损失。随着级数的增加，这种设计难度呈指数级增长。轴流式压气机虽然设计也复杂，但其流场相对规律，更容易进行计算流体力学（CFD）模拟和优化。
那么，有没有“变种”或者一些特殊的应用呢？
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单级或两级离心式压气机： 如前所述，在一些涡轮增压器、微型涡轮发动机、无人机动力装置，或者是一些辅助动力单元（APU）中，为了简化结构、降低成本或优化特定工况下的性能，可能会使用单级或两级的离心式压气机。它们的总压比不高，但足够满足这些场景的需求。
混合式压气机（Hybrid Compressor）： 有一些前卫的研究或特定设计可能会尝试结合轴流和离心式的优点。例如，早期可能在轴流式压气机后面加一个离心式增压级，或者反过来。但这种设计往往是为了解决某个特定技术瓶颈，而且在整体效率、复杂性上要权衡。不过，目前主流的航空发动机设计并未广泛采用这种混合方案作为核心压气机。
总结一下：
对于现代主流的航空发动机，尤其是追求高推力、高效率、低油耗的涡轮风扇发动机和涡轮喷气发动机来说，它们的核心压气机几乎都是多级轴流式压气机。离心式压气机由于其单级压比低、难以实现高总压比、效率和体积重量等方面的劣势，在航空发动机的主压气机领域基本被淘汰，仅在一些特定应用或早期发动机上可见。
你可以理解为，轴流式就像是精密的“推土机队”，层层推进，步步为营；而离心式则像是一次性“甩出去”的力量，虽然简单粗暴，但在要达到极高的“压制”效果时，就显得力不从心了。
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TPE-331
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