第3章压气机.ppt

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1、第3章 压气机,3.1 概述3.2 轴流式压气机转子3.3 轴流式压气机静子3.4 压气机防喘系统3.5 压气机附属装置3.6 压气机主要零件的常用材料3.7 离心式压气机,3.1 概述,功用：给气体做功，提高气体压力主要指标：增压比、效率、可靠性、维修性、外廓尺寸和重量等。压气机基本类型：轴流式WP6，WP8，WP7，WP13，斯贝 离心式WP5 混合式ALF502 根据转子的数目：单转子WP6，WP8 双转子WP7，WP13，斯贝 三转子 本课程主要研究轴流式压气机结构，对离心式和混合式只做一般介绍。,3.1 概述,轴流式压气机转子:高速旋转对气流做功的组合件。低压转子 双转子涡扇发动机中

2、，低压转子就是风扇转子 或风扇转子和低压压气机转子的组合高压转子静子包括机匣和整流器单转子涡喷发动机中：进气装置、整流器机匣和扩压器机匣双转子压气机中：进气装置、整流器机匣、扩压器机匣 分流机匣（将内、外涵道的气流分开）中介机匣（将气流由低压引入高压）,3.2 轴流式压气机转子,3.2.1 转子的基本结构形式转子设计的基本矛盾尺寸小、重量轻转速高、负荷大惯性力和力矩、气体力（轴向力和扭矩）要求可靠的强度和结构刚性 良好的定心、定位传力、传扭可靠良好的平衡性基本结构形式：鼓式、盘式、鼓盘式,3.2 轴流式压气机转子,3.2.1 转子的基本结构形式1.鼓式转子,3.2 轴流式压气机转子,3.2.1

3、 转子的基本结构形式1.鼓式转子,3.2 轴流式压气机转子,5.2.1 转子的基本结构形式2.盘式转子,3.2 轴流式压气机转子,5.2.1 转子的基本结构形式2.盘式转子,加强盘式转子中盘与轴的联接（定心）发夹型结构 门型结构 轴向梯形套齿等 端面梯形套齿等,3.2 轴流式压气机转子,3.2.1 转子的基本结构形式3.鼓盘式转子,3.2.1 转子的基本结构形式3.鼓盘式转子,3.2 轴流式压气机转子,3.2.2 鼓盘式转子 鼓盘式转子兼有鼓式转子的抗弯刚性和盘式转子承受大离心力载荷的能力，因此得到广泛的应用，特别在现代涡扇发动机的高压压气机上。分类 1.不可拆卸的转子 2.可拆卸的转子 3.

4、部分不可拆卸部分不可拆卸的混合式转子,3.2.2 鼓盘式转子 1.不可拆卸的鼓盘式转子,3.2.2 鼓盘式转子 1.不可拆卸的鼓盘式转子级间联接：圆柱面紧度配合+径向销钉，焊接，整体加 工成型圆柱面紧度配合+径向销钉法定心：圆柱面加径向销钉 传扭：径向销钉和配合面的摩擦力优点：结构简单，工作可靠，加工方便缺点：转子的零件较多，制造偏差会影响转子的定心和平衡 解决方法：焊接法，整体加工成型法,3.2.2 鼓盘式转子 1.不可拆卸的鼓盘式转子,3.2.2 鼓盘式转子 1.不可拆卸的鼓盘式转子刚度研究：鼓筒与轮盘的位置,恰当半径内：鼓径向变形小，盘大；鼓加强盘恰当半径外：盘径向变形小，鼓大；盘加强鼓

5、,3.2.2 鼓盘式转子 1.不可拆卸的鼓盘式转子装配紧度研究,恰当半径内：鼓径向变形小，盘大；盘压入鼓恰当半径外：盘径向变形小，鼓大；鼓压入盘,3.2.2 鼓盘式转子 1.不可拆卸的鼓盘式转子装配定心：径向销钉原理,3.2.2 鼓盘式转子,2.可拆卸的鼓盘式转子 在转配以后可以根据使用和维修的要求进行可以进行无损分解的转子。分类（1）用拉杆联接 JT3D（2）短螺栓联接 JT9D高压（3）长轴螺栓联接 低压,3.2.2 鼓盘式转子,2.可拆卸的鼓盘式转子（1）用拉杆联接 JT3D刚度：拉杆的拉紧力传扭：端面摩擦定心：圆柱面流道变化，多根拉杆联接,3.2.2 鼓盘式转子,2.可拆卸的鼓盘式转子

6、（2）短螺栓联接 JT9D高压 刚性：螺栓预紧力 定心、传扭：螺栓,3.2.2 鼓盘式转子,2.可拆卸的鼓盘式转子（3）长轴螺栓联接 低压转子,定心、传扭：端面圆弧齿,3.2.2 鼓盘式转子,2.可拆卸的鼓盘式转子 关键件：拉杆 预紧力：拉杆在装配时的拉紧力，用于保证压气机各级件联接的可靠性和整体刚度。影响因素 计算截面的弯矩值拉杆所在半径大小转子上的气体轴向力所选材料（应与鼓筒、轮盘尽量一致）装配方法3.2.2总结：在制造技术和装配工艺许可下，应尽量选择零件数目少且不可拆卸的、整体式的或混合式的结构方案。,3.混合式的鼓盘转子由若干大段组成；每一段由若干级焊接而成不可拆卸转子；每一大段通过短

7、螺栓联接组成可拆卸转子。可以分段式用不同材料制造，满足压气机前后温差大的需求。目前，现代发动机的高压转子中，较多采用混合式转子,3.2.2 鼓盘式转子,3、混合式的鼓盘转子（1）的低压压气机转子,三大段，焊接或整体制造，再用短螺栓联接,3.2.2 鼓盘式转子,3、混合式的鼓盘转子（2）CFM56和V2500的高压压气机转子,两大段，短螺栓联接,三大段，12级钛合金焊接，49级不锈钢焊接，与3级短螺栓联接,3.2.2 鼓盘式转子,3、混合式的鼓盘转子（3）的高压压气机转子,三大段，一段（13级），二段（46级），三段（79级）短螺栓 长螺栓,3.2.2 鼓盘式转子,3.2 轴流式压气机转子,3.

8、2.3 工作叶片及其与轮盘的联接 转子叶片构造：叶身+榫头工作可靠性：叶身本身和其与轮盘的联接有足够的强度、适宜的刚性和较小的应力集中。1、叶身的构造特点（1）要求：由适应亚声速和超声速工作的叶片型面，按照一定的扭向规律及型面重心分布规律，沿着叶高重叠而成；为减轻重量，叶尖的弦长要比根部的短，厚度比根部的薄。,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接1、叶身的构造特点（2）特点 减震凸台 较长叶片为避免发生危险共振或颤震在叶身中部的凸台,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接1、叶身的构造特点（2）特点宽弦风扇叶片（V2500）优点：没有增重、减震

9、特性好、叶栅通道 面积大、喘振裕度宽、级效率高等,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接1、叶身的构造特点（2）特点可控扩散叶型（亚音速的叶型设计中）对叶型表面速度分布进行优化，控制表面气流扩散，减少或消除附面层分离、消弱可能出现的激波损失，增加压气机有效流通面积，提高压气机效率。,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接1、叶身的构造特点（2）特点端部过弯叶身的叶片为了减少叶片两端壁附面层所造成的损失，而将叶身（包括静子叶片）尖端和根部前、后缘特别地加以弯曲，提高压气机效率。,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头

10、的构造（1）要求,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造（2）分类 a.燕尾形榫头,依靠槽侧面定位、传力榫头和榫槽可以过渡配合、也可以小间隙配合,结构简单、抗振性好、承载弱、尺寸大（重）,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造（2）分类 a.燕尾形榫头,平台包容叶根型面，中间叶根，圆角过渡减小应力,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造（2）分类 a.燕尾形榫头,槽向固定：防止在叶片气动力和离心力的槽向分力下沿槽向移动，或振动脱落。,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及

11、其与轮盘的联接2、榫头的构造（2）分类 a.燕尾形榫头,大流量比涡扇发动机：能单个拆除带冠叶片的锁紧结构。,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造（2）分类 b.销钉式榫头,简单，但是承载能力有限，尺寸和重量大,3.2 轴流式压气机转子,3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造（2）分类 c.枞树型榫头,周向尺寸小，重量轻，能承受较大的载荷，但是多靠榫齿传力，应力集中严重，工艺性差。,3.3 轴流式压气机静子,组成：机匣和静子叶片（整流器）3.3.1 整流器机匣 1.作用在机匣上的负荷,3.3 轴流式压气机静子,3.3.1 整流器机匣2.对机匣的

12、基本要求,3.3 轴流式压气机静子,3.3.1 整流器机匣2.整流器机匣的分类 整体式 分半式 分段式 转子可拆卸 转子不可拆卸 转子不可拆卸,3.3 轴流式压气机静子,3.3.1 整流器机匣3.整流器机匣分类（1）分半式机匣 WP6装配简单，容易选择整流器和转子的结构方案结合面的连接、定位和密封安装边和螺栓联接工作受热时，机匣刚性不均增加纵向加强肋和采用横向加强肋整流器机匣后段双层机匣 CFM56前段为钛合金锻件机械加工；后段为双层机匣,3.3 轴流式压气机静子,3.3.1 整流器机匣2.整流器机匣的方案（1）分半式机匣 CFM56 整流器机匣后段 双层机匣（外匣为承力件）,3.3 轴流式压

13、气机静子,3.3.1 整流器机匣2.整流器机匣的方案（2）分段式机匣解决周向刚性不均,3.3 轴流式压气机静子,3.3.1 整流器机匣2.整流器机匣的方案（2）分段式机匣,机匣间的联接、定位和密封安装边和螺栓联接,3.3 轴流式压气机静子,3.3.1 整流器机匣2.整流器机匣的方案（3）整体式机匣,3.3 轴流式压气机静子,3.3.1 整流器机匣3.整流器机匣的方案研究 影响因素：转子和整流器的方案 机匣的材料和工艺机匣的铸造工艺分：铸造，板料焊接，锻造后经机械加工近代发动机机匣双层机匣包容机匣,3.3 轴流式压气机静子,3.3.2 整流器 1.叶片与机匣的固定方案（1）整流叶片的榫头固定,3

14、.3 轴流式压气机静子,3.3.2 整流器 1.叶片与机匣的固定方案（2）直接固定法螺帽联接 wp6的整流叶片 用螺纹轴颈和矩形板直接装在机匣内壁环槽内，用螺帽拧紧。焊接固定 WP13 的1,3,4,5级除了1级空心整流叶片用螺帽联接外，均用焊接固定,3.3 轴流式压气机静子,3.3.2 整流器1.叶片与机匣的固定方案（3）间接固定 wp7发动机第2级整流器,3.3 轴流式压气机静子,3.3.2 整流器2.整流器的支点方案,双支点：提高叶片自身的自震频率，减少漏气损失，提高压气机 效率。,3.3 轴流式压气机静子,3.3.2 整流器3.整流器的方案总结,3.4 压气机防喘系统,3.4.1 压气

15、机的喘振基元级攻角落后角失速：攻角过大时，气流从叶背分离，导致压气机效率降低、工作不稳定、旋转失速、喘振。旋转失速：失速区向叶片旋转相反方向移动的现象。喘振：在非设计状态下，压气机前面增压级和后面增加级不匹配，导致气流的攻角变大，所产生的脉冲型的气流分离和堵塞。,3.4 压气机防喘系统,对于多级轴流式压气机，容易出现喘振的情况 在一定转速下工作时，若出口反压增大，使空气流量降低到一定程度时，就会产生共振。因为空气流量降低时，各级叶片上的气流攻角增加，容易产生气流分离和堵塞。当发动机偏离设计工作状态而降低转速时容易发生喘振。因为增压比的变化与流道变化不匹配。因此，低增压比（4）的压气机不容易产生

16、喘振。喘振的现象：强烈的不稳定工作现象，即流过压气机的气流沿着压气机的轴线方向产生低频高振幅的强烈震荡，压气机出口平均压力急剧下降，出口总压、流量、流速产生大幅度脉动，并伴随有强烈放炮声。,3.4.1 压气机的喘振,3.4 压气机防喘系统,喘振机理 当多级轴流式压气机中的某些级产生旋转失速并进一步发展时，压气机整个通道受阻，阻碍前方气流流入，是气流拥塞在这些级的前方。与此同时，由于前方气流暂时堵塞，出口反压不断下降，当出口反压比较低是，压气机堵塞状况被解除，被拥塞的气流克服了气体惯性一拥而下，于是进入压气机的空气流量又超过了压气机后方所能排泄的流量，压气机后方空间里的空气又“堆积”起来，反压又

17、急剧升高，造成压气机内气流的再次分离堵塞。通过压气机的气流反复堵塞又畅通，是的通过压气机的流量大、流速高、可压缩的空气在本身惯量和压气机给予的巨大能量作用下产生了周期行的震荡。,3.4.1 压气机的喘振,3.4 压气机防喘系统,防喘措施：1、放气机构2、旋转一级或数级导流叶片3、机匣处理4、采用双轴或三轴结构,3.4.1 压气机的喘振,3.4 压气机防喘系统,防喘措施1、放气机构从压气机某一个或数个中间截面放气目的：避免气流堵塞，增加前几级压气机的空气流量，避免前几级因攻角过大而产生气流分离。放气机构类型：放气活门双转子发动机，WP7 放气带WP6，WP8 放气窗大涵道比涡扇发动机，低压压气机

18、出口放气 使用注意点：在发动机起动和低转速范围内打开，接近发动机设计状态时关闭；放气孔的位置和排出空气的数量需要根据具体情况经过试验进行选择；优缺点：比较简单 使用中不经济，需要吧已经压缩过的空气放到周围大气中 去，损失了压缩这部分空气的机械功。,3.4.1 压气机的喘振,3.4 压气机防喘系统,2、旋转一级或数级导流叶片（可调静子叶片）进口可转的导流叶片或变弯度导流叶片 目的：当压气机在非设计状态工作时，通过改变叶片角度（或叶身扭转）来使压气机进口预旋量相应改变，使第一级转子叶片进口气流的攻角恢复到接近设计状态的数值，消除了叶背上的气流分离，避免喘振。,3.4.1 压气机的喘振,3.4 压气

19、机防喘系统,2、旋转一级或数级导流叶片（可调静子叶片）进口可转的导流叶片或变弯度导流叶片,3.4.1 压气机的喘振,3.4 压气机防喘系统,2、旋转一级或数级导流叶片（可调静子叶片）多级可调静子叶片 可以使第一级后面的若干级转子叶片进口气流的攻角也接近设计状态的数值。,3.4.1 压气机的喘振,3.4 压气机防喘系统,3、机匣处理,3.4.1 压气机的喘振,3.4 压气机防喘系统,3、机匣处理,3.4.1 压气机的喘振,3.4 压气机防喘系统,4、采用双轴或三轴结构 将压气机分成两个或三个转子，分别由各自的涡轮来带动，使得一台高增压比的压气机成为两个或三个低增压比的压气机。,5.4.1 压气机

20、的喘振,3.4 压气机防喘系统,4、采用双轴或三轴结构,3.4 压气机防喘系统,3.4.2 压气机气流控制系统压气机容易发生喘振的工作状态和外部条件 起动及低功率状态发动机转速（推力）下降过程民用飞机打开反推军机打开加力歼击机作大过载机动飞行使用操作不当 措施：中间级放气，双转子，进口可调导流叶片和多级可调整流叶片并用气流控制系统,3.4 压气机防喘系统,3.4.2 压气机气流控制系统一般组成：放气系统（起动放气，程序放气，打开反推放气）可变静子叶片系统,3.5 压气机附属装置,3.5.1 封气装置3.5.2 间隙控制装置3.5.3 防冰系统,3.4 压气机附属装置,3.5.1 封气装置 目的

21、：避免压气机转子和静子之间的级间漏气损失，提高压气机效率。有效措施：减少漏气面积和减少压力差密封装置分类接触式：涨圈式密封非接触式：篦齿封严蜂窝封严石墨篦齿刷式封严,3.4 压气机附属装置,3.5.1 封气装置,3.4 压气机附属装置,3.5.1 封气装置,3.5 压气机附属装置,各种不同的典型密封装置,3.5 压气机附属装置,各种不同的典型密封装置,3.5 压气机附属装置,蜂窝封严和刷式封严,3.5 压气机附属装置,3.5.2 间隙控制装置 目的：减少叶尖漏气，进一步提高发动机的性能和效率。分类主动间隙控制 高压压气机后段采用双层机匣，外层承力件，内层是压气机气流通道外廓，双层间形成环形腔。

22、在发动机不同状态下，向环形腔内通以不同温度和压力的空气，与转子内腔配合，使机匣与转子的径向变形协调一致，从而保证较小的间隙值。被动间隙控制 双层机匣采用特殊结构（悬臂式机匣，环形顶板缓冲器）隔热材料和隔热罩,3.5 压气机附属装置,3.5.3 防冰系统 常用防冰方法对零件表面加温热空气防冰WS9，WP6，WP7热滑油防冰电加热防冰 WJ 组合防冰减小零件表面水的附着力在零件表面涂憎水剂WP7整流罩,3.5 压气机附属装置,需要进行防冰的部位,3.5 压气机附属装置,热空气防冰,热空气、滑油和电加热混合型防冰,3.5 压气机附属装置,不需要采用防冰措施,3.6 压气机主要零件的常用材料,零件分类

23、 第一类零件：转子零件（轮盘、鼓筒、叶片）第二类零件：静子零件（静子叶片、机匣等）比强度：材料的持久极限或屈服极限与密度之比。温度对比强度的影响复合材料及其应用（金属基、非金属基）,3.6 压气机主要零件的常用材料,不同温度下部件的选材转子叶片、盘：200240度：LD8、LD7、LD5、LD10、LY2 240度：TA2、TA6、TA8、TC4、TC6 450度：30Cr、30CrMnSi、30CrMnSiNi2 Cr17Ni2、18CrNiWA、40CrNiMoA 13Cr14NiWVBA、0Cr3Mo等转子鼓轴、螺栓、拉杆：18CrNiWA、40CrNiMoA、0Cr3Mo前机匣：300

24、度：30CrMnSi、1Cr13、2Cr13、3Cr13静子叶片材料与转子叶片材料相同。,3.6 压气机主要零件的常用材料,发动机材料的发展趋势,3.7离心式压气机,3.7.1概述离心式压气机特点：单级增压比高、轴向尺寸短、特性稳定特点：适用于功率小于22002600KW涡轴 推力小于15000N涡扇、涡喷典型结构,典型结构,3.7离心式压气机,3.7.2 离心叶轮导风轮（早期）离心叶轮：直流式(JT15D)前弯式(WP5、WP11)后弯式(纺织机械)S型(现代发动机)单面叶轮，双面叶轮,3.7离心式压气机,3.7.2 离心叶轮,3.7离心式压气机,3.7离心式压气机,3.7.2 离心叶轮,3.7离心式压气机,5.7.1扩压器1.涡壳式（一般工业）2.叶片式（径向、轴向）3.管式扩压器（现代航空）,