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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 n转子:高速旋转对气流做功的组合件。 l低压转子 双转子涡扇发动机中，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 l高压转子 n静子 l包括机匣和整流器 l单转子涡喷发动机中：进气装置、整流器机匣和扩压器机匣 l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、外涵道的气流分开将内、外涵道的气流分开） 中介机匣（将气流由低压引入高压）（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 n尺寸小、重量轻 n转速高、负荷大 n惯性力和力矩、气体力（轴向力和扭矩） 要求 n可靠的强度和结构刚性 n 良好的定心、定位 n传力、传扭可靠 n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 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. 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 n级间联接：圆柱面紧度配合+径向销钉，焊接 ，整体加 工成型 n圆柱面紧度配合+径向销钉法 l定心：圆柱面加径向销钉 传扭：径向销钉和配合面的摩擦力 l优点：结构简单，工作可靠，加工方便 l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 n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 3.2.2 鼓盘式转子 1. 不可拆卸的鼓盘式转子 n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 n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 （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 n 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。 n影响因素 n 计算截面的弯矩值 n拉杆所在半径大小 n转子上的气体轴向力 n所选材料（应与鼓筒、轮盘尽量一致） n装配方法 n3.2.2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 3.2.3 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： n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； n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 n 减震凸台 n 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 n宽弦风扇叶片（v2500） n优点：没有增重、减震特性好、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 n可控扩散叶型（亚音速的叶型设计中） n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 n端部过弯叶身的叶片 n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 l 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 n装配简单，容易选择整流器和转子的结构方案 n结合面的连接、定位和密封安装边和螺栓联接 n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 n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 n 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 n双层机匣 n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 3.3 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 n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。 n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 压气机的喘振 n基元级 n攻角 n落后角 n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。 n旋转失速：失速区向叶片旋转相反方向移动的现象。 n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 n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（ 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