航空发动机结构的课件

1、21:00NPU-ZhaoMing1目录目录绪论绪论压气机压气机涡轮涡轮燃烧室燃烧室尾喷管尾喷管总体结构总体结构受力分析受力分析航空发动机结构分析航空发动机结构分析西北工业大学西北工业大学21:00NPU-ZhaoMing2概论概论 发动机是飞机上的发动机是飞机上的动力装置动力装置。自从人类尝试进行。自从人类尝试进行有翼飞行器飞行以来，经历了无数次失败，只是在使有翼飞行器飞行以来，经历了无数次失败，只是在使用了用了活塞式内燃机活塞式内燃机以后，才在以后，才在2020世纪初把第一架飞机世纪初把第一架飞机送上蓝天。送上蓝天。 二战后二战后, ,由于喷气发动机的迅速发展由于喷气发动机的迅速发展, ,

2、活塞式发动活塞式发动机逐渐被淘汰。机逐渐被淘汰。 20 20世纪世纪6060年代，由于年代，由于涡扇发动机涡扇发动机的问世，大大降的问世，大大降低了耗油率，才有可能设计制造成大型喷气飞机，大低了耗油率，才有可能设计制造成大型喷气飞机，大幅度提高载重量和航程。幅度提高载重量和航程。 燃气涡轮发动机燃气涡轮发动机大大提高了战斗机的性能，使其大大提高了战斗机的性能，使其飞行速度达到飞行速度达到2 2倍以上的音速。直到现在还被广泛应倍以上的音速。直到现在还被广泛应用于各种类型的飞机上。用于各种类型的飞机上。21:00NPU-ZhaoMing3 航空发动机研究工作的特点航空发动机研究工作的特点技术难度大

3、技术难度大一台发动机内有一台发动机内有十几个部件十几个部件和系统及和系统及数万个零件数万个零件研制一种新的发动机需要研制一种新的发动机需要1 1万小时的整机试验和万小时的整机试验和1010万小万小时的部件和系统试验。时的部件和系统试验。周期长周期长先进发动机的研制周期为先进发动机的研制周期为9-159-15年年，F119F119从从19861986年开始年开始到到20052005年投入使用，前后达年投入使用，前后达1919年。年。费用高费用高F119F119的研制费用超过的研制费用超过2020亿美元亿美元；发动机的研究和发展；发动机的研究和发展费用占航空总费用的费用占航空总费用的1/41/4。

4、21:00NPU-ZhaoMing4军用发动机军用发动机设计要求设计要求 A A 性能要求性能要求，包括地面台架性能和空中飞行，包括地面台架性能和空中飞行性能（推力和耗油率）、起动性能、加减速性性能（推力和耗油率）、起动性能、加减速性能、引气量、功率提取和过载；能、引气量、功率提取和过载； B B 适用性要求适用性要求，包括发动机在飞行包线内稳，包括发动机在飞行包线内稳定工作和油门杆使用不受限制，加力接通、切定工作和油门杆使用不受限制，加力接通、切断不受限制，飞行状态变化、极限机动状态等断不受限制，飞行状态变化、极限机动状态等时的发动机稳定工作；时的发动机稳定工作； C C 结构和安装要求结构

5、和安装要求，包括安装节位置、外廓，包括安装节位置、外廓尺寸、重量和重心位置；尺寸、重量和重心位置； 21:00NPU-ZhaoMing5 D D 可靠性要求可靠性要求 包括发动机寿命和工作循环、包括发动机寿命和工作循环、发动机各状态连续工作时间和平均故障时间；发动机各状态连续工作时间和平均故障时间； E E 维修性要求维修性要求，包括发动机外场可更换件的，包括发动机外场可更换件的更换时间、每飞行小时的平均维修工时和更换更换时间、每飞行小时的平均维修工时和更换发动机时间等；发动机时间等； F F 其他要求其他要求，如满足飞机隐身要求的红外信如满足飞机隐身要求的红外信号和雷达反射特性以及飞行控制的

6、矢量推力。号和雷达反射特性以及飞行控制的矢量推力。21:00NPU-ZhaoMing6航空发动机分类：航空发动机分类： 在过去的一个在过去的一个航空航空百年里，人类所使用的百年里，人类所使用的主要的航空发动机，可分为两大类主要的航空发动机，可分为两大类: :1 1、活塞式发动机、活塞式发动机冷却方式（液冷式、气冷式）。冷却方式（液冷式、气冷式）。气缸排列方式气缸排列方式( (星形、星形、V V形、直列式、对列式、形、直列式、对列式、X X形形) )2 2、空气喷气式发动机、空气喷气式发动机无压气机（冲压式发动机、脉动式发动机）。无压气机（冲压式发动机、脉动式发动机）。有压气机（涡轮喷气发动机、

7、涡轮风扇发动机有压气机（涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、浆扇发、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、浆扇发动机）动机）。21:00NPU-ZhaoMing721:00NPU-ZhaoMing8 航空燃气涡轮发动机的基本类型航空燃气涡轮发动机的基本类型按照做功方式分五种基本类型按照做功方式分五种基本类型涡轮喷气发动机（涡轮喷气发动机（涡喷涡喷）（）（WPWP）涡轮螺浆发动机（涡轮螺浆发动机（涡浆涡浆）（）（WJWJ）涡轮风扇发动机（涡轮风扇发动机（涡扇涡扇）（）（WSWS）涡轮轴发动机（涡轮轴发动机（涡轴涡轴）（）（WZWZ）螺浆风扇发动机（螺浆风扇发动机（浆扇浆扇）

8、(JS)(JS)21:00NPU-ZhaoMing9 1 1、WPWP主要部件：进气装置、主要部件：进气装置、压气机，燃烧室，燃气压气机，燃烧室，燃气涡轮，尾喷管涡轮，尾喷管,(,(加力燃加力燃烧室烧室) )特点：特点：(1)(1)涡轮只带动压气机涡轮只带动压气机压缩空气。压缩空气。(2)(2)发动机的全部推力发动机的全部推力来自高速喷出的燃气所来自高速喷出的燃气所产生的反作用力。产生的反作用力。21:00NPU-ZhaoMing10 2 2、WJWJ主要部件：主要部件：压气机压气机, ,燃烧室燃烧室, ,燃气涡轮燃气涡轮, ,尾喷管尾喷管, ,减速器减速器特点：特点： 涡轮不仅带动压气机压缩

9、空气，还带动螺浆产涡轮不仅带动压气机压缩空气，还带动螺浆产生拉力。生拉力。发动机推力来自两个部分，一部分是由高速喷出的燃发动机推力来自两个部分，一部分是由高速喷出的燃气所产生的反作用力（气所产生的反作用力（10%10%），一部分涡轮带动螺浆），一部分涡轮带动螺浆产生前进的拉力（产生前进的拉力（90%90%）。）。 21:00NPU-ZhaoMing113 3、WSWS主要部件主要部件：风扇、外涵道、：风扇、外涵道、内涵道（压气机、燃烧室、内涵道（压气机、燃烧室、涡轮），涡轮），尾喷管尾喷管特点：发动机的推力是内外涵道气流反作用力的总和。特点：发动机的推力是内外涵道气流反作用力的总和。涵道比涵道

10、比（流量比）：外、内涵道空气流量之比。（流量比）：外、内涵道空气流量之比。21:00NPU-ZhaoMing124 4、WZWZ发动机发动机主要部件：进气道、压气机、燃烧室、动力涡主要部件：进气道、压气机、燃烧室、动力涡轮、自由涡轮、尾喷管轮、自由涡轮、尾喷管特点：特点：通常带有通常带有自由涡轮自由涡轮，而其他形式的涡轮，而其他形式的涡轮喷气发动机一般没有自由涡轮。喷气发动机一般没有自由涡轮。21:00NPU-ZhaoMing135 5 桨扇发动机桨扇发动机 螺桨风扇发动机是一种介于螺桨风扇发动机是一种介于涡扇发动机涡扇发动机和和涡桨涡桨发动机发动机之间的一种发动机形式。之间的一种发动机形式。

11、它既可看作带它既可看作带除去除去外涵道的大涵道比涡扇发动机外涵道的大涵道比涡扇发动机，又可看作，又可看作高速先进高速先进螺桨的涡桨发动机螺桨的涡桨发动机，因而兼有前者，因而兼有前者飞行速度高飞行速度高和后和后者者耗油率低耗油率低的优点。的优点。目前正处于研究和实验阶段。目前正处于研究和实验阶段。 桨扇发动机的概念研桨扇发动机的概念研究始于究始于7070年代中期。年代中期。8080年年代后半期已完成地面和飞代后半期已完成地面和飞行验证试验，基本达到预行验证试验，基本达到预期目标。由于航空公司的期目标。由于航空公司的综合经济因素和公众接受综合经济因素和公众接受心理等种种原因，桨扇发心理等种种原因，

12、桨扇发动机尚未进入实用阶段。动机尚未进入实用阶段。21:00NPU-ZhaoMing14 桨扇发动机的关键部件是先进桨扇发动机的关键部件是先进高速螺桨高速螺桨，它带有多个宽，它带有多个宽弦、薄叶型的后掠桨叶，能在飞行马赫数弦、薄叶型的后掠桨叶，能在飞行马赫数0.80.8下保持较高的效下保持较高的效率，见图率，见图1 16 6。桨扇桨扇由涡轮驱动，无涵道外壳，装有减速器，从这些来看它有一点象螺旋桨；但是它的直径比普通螺旋桨小，叶片数目也多（一般有6-8叶），叶片又薄又宽，而且前缘后掠，这些又有些类似于风扇叶片。 21:00NPU-ZhaoMing15使用最广泛的燃气涡轮发动机使用最广泛的燃气涡轮

13、发动机： 加力的涡喷发动机加力的涡喷发动机 加力的涡扇发动机加力的涡扇发动机燃气涡轮发动机的共同特点燃气涡轮发动机的共同特点： 获得高温高压燃气；获得高温高压燃气； 利用着部分燃气产生推力或机械功（在利用着部分燃气产生推力或机械功（在尾喷管内继续膨胀，高速喷出产生推力；尾喷管内继续膨胀，高速喷出产生推力；或者在后续涡轮内继续膨胀获得机械功，或者在后续涡轮内继续膨胀获得机械功，带动风扇、螺浆或其它装置）带动风扇、螺浆或其它装置） 21:00NPU-ZhaoMing16 核心发动机核心发动机（燃气发生器）：（燃气发生器）： 发生燃气的部件，即发生燃气的部件，即压气机、燃烧室和涡压气机、燃烧室和涡轮

14、称为燃气发生器轮称为燃气发生器。由于它处于发动机的核。由于它处于发动机的核心部位，故又称为心部位，故又称为核心发动机核心发动机。 对单转子发动机来讲，就是指压气机、主燃对单转子发动机来讲，就是指压气机、主燃烧室的带动压气机的涡轮；烧室的带动压气机的涡轮； 对双转子发动机来讲，就是指高压压气机、对双转子发动机来讲，就是指高压压气机、主燃烧室和高压涡轮。主燃烧室和高压涡轮。 以核心机为基础，增添不同类型的部件以核心机为基础，增添不同类型的部件就可以发展成不同类型的发动机。就可以发展成不同类型的发动机。21:00NPU-ZhaoMing17燃气涡轮发动机的主要性能参数燃气涡轮发动机的主要性能参数推力

15、推力 单位推力单位推力推重比推重比单位迎面推力单位迎面推力单位燃油消耗率单位燃油消耗率增压比涡轮前燃气温度增压比涡轮前燃气温度涵道比21:00NPU-ZhaoMing18 燃气涡轮发动机的基本机理燃气涡轮发动机的基本机理-喷气推进原理：喷气推进原理： 喷气推进是喷气推进是牛顿第三定律牛顿第三定律（作用在物体上的每一作用在物体上的每一个力都有一方向相反大小相等的反作用力个力都有一方向相反大小相等的反作用力）的实际应）的实际应用。用。 喷气式飞机飞行时，它向后高速喷出大量气体，喷气式飞机飞行时，它向后高速喷出大量气体，这表明发动机对喷出的气体作用了这表明发动机对喷出的气体作用了“力力”。根据牛顿。

16、根据牛顿第三定律（就飞机推进而言，第三定律（就飞机推进而言，“物体物体”是通过发动机是通过发动机时受到加速的大气中的空气时受到加速的大气中的空气），该高速气体也必然会），该高速气体也必然会给发动机一个大小相等方向相反的反作用力，使飞机给发动机一个大小相等方向相反的反作用力，使飞机向前运动。高速喷出的气体给发动机的这一反作用力向前运动。高速喷出的气体给发动机的这一反作用力，就称为喷气发动机的推力，喷出的气体越多，速度，就称为喷气发动机的推力，喷出的气体越多，速度越大，所产生的推力也就越大。越大，所产生的推力也就越大。21:00NPU-ZhaoMing19 燃气涡轮发动机的工作循环燃气涡轮发动机的

17、工作循环 21:00NPU-ZhaoMing20压气机作用压气机作用：用来提高进入发动机内的空气压力，供给发动机工用来提高进入发动机内的空气压力，供给发动机工作时所需要的压缩空气。作时所需要的压缩空气。为座舱增压、涡轮散热和其它发动机的起动提供压为座舱增压、涡轮散热和其它发动机的起动提供压缩空气。缩空气。结构类型结构类型：p轴流式轴流式p离心式离心式p混合式混合式主要性能指标主要性能指标：增压比增压比效率效率外廓尺寸和重量外廓尺寸和重量工作可靠性工作可靠性制造和维修费用制造和维修费用21:00NPU-ZhaoMing21轴流式压气机的特点轴流式压气机的特点: : 增压比高、效率高、单位空气流量

18、大增压比高、效率高、单位空气流量大。在相同迎风面积下，轴流式比离心式吸入的空气多得多，产生的推力更大。通过增加级数就能增加增压比。高增压比有利于采用轴流式压气机，因为它改善了效率，并进而改善了给定推力下的耗油率。在大、中推力发动机上，普遍采用轴流式压气机。21:00NPU-ZhaoMing22 离心式压气机的特点离心式压气机的特点: :u结构简单、结实可靠，容易制造和发展，生存力强、结构简单、结实可靠，容易制造和发展，生存力强、特性比较平稳、级增压比高等优点特性比较平稳、级增压比高等优点。u应用在小型发动机采用。主要用于教练机、导弹、靶机上的小型动力装置和辅助动力装置。 在直升机的动力装置中采

19、用混合式压气机混合式压气机。 21:00NPU-ZhaoMing23轴流式压气机的构成：由转子和静子组成。轴流式压气机的构成：由转子和静子组成。转子转子是一个高速旋转对气流作功的组合件，是一个高速旋转对气流作功的组合件，包括轮盘、鼓筒、叶片等。包括轮盘、鼓筒、叶片等。从受力的角度分从受力的角度分析：转子都是在高速转速下工作，惯性负荷析：转子都是在高速转速下工作，惯性负荷（离心力很大，而气体力不大。（离心力很大，而气体力不大。静子静子是静子组合件的总称，包括机匣和整流是静子组合件的总称，包括机匣和整流器。器。静子所承受的负荷基本上是气体力和力静子所承受的负荷基本上是气体力和力矩，以及周期性的惯性

20、力。矩，以及周期性的惯性力。21:00NPU-ZhaoMing24压气机的主要特点压气机的主要特点: :从结构设计的角度来讲，从结构设计的角度来讲，转速高转速高，每分，每分钟达数千或数万转（如钟达数千或数万转（如JT8D-9JT8D-9发动机高、低压转速分别为发动机高、低压转速分别为1225012250、86008600r/minr/min）。）。转速高的优点转速高的优点：可以使压气机在尺寸小重量轻的条件下，得可以使压气机在尺寸小重量轻的条件下，得到所需的性能（即给定的空气流量和增压比），满足发动机到所需的性能（即给定的空气流量和增压比），满足发动机性能设计的最基本要求性能设计的最基本要求。转

21、速高的缺点转速高的缺点：在高转速条件下，转子零件及其连接处要承：在高转速条件下，转子零件及其连接处要承受巨大的惯性力、气体力、扭矩和复杂的振动负荷。若零件受巨大的惯性力、气体力、扭矩和复杂的振动负荷。若零件型面和传力方案设计不当，工作时就有破坏损坏的危险。若型面和传力方案设计不当，工作时就有破坏损坏的危险。若转子零、组件的定心方案不妥，转子装配不当，平衡不好，转子零、组件的定心方案不妥，转子装配不当，平衡不好，横向刚性不足，当压气机高转速工作时，转子就会发生剧烈横向刚性不足，当压气机高转速工作时，转子就会发生剧烈振动而影响发动机正常工作。振动而影响发动机正常工作。 转子结构设计的基本问题就是针

22、对这些缺点而进行的。转子结构设计的基本问题就是针对这些缺点而进行的。 21:00NPU-ZhaoMing25压气机转子上的负荷压气机转子上的负荷: :见图见图3 35 5转子结构设计所需要解决的基本矛盾：转子结构设计所需要解决的基本矛盾： 在考虑到尺寸小、重量轻、结在考虑到尺寸小、重量轻、结构简单、工艺性好的前提下，转子零、构简单、工艺性好的前提下，转子零、组件间其连接处应保证可靠的传力组件间其连接处应保证可靠的传力（对结构设计起决定作用的负荷是叶（对结构设计起决定作用的负荷是叶片和转子的离心力、弯矩和扭矩），片和转子的离心力、弯矩和扭矩），良好的定心和平衡、足够的刚性良好的定心和平衡、足够的

23、刚性。这这些就是压气机转子方案设计所应遵循些就是压气机转子方案设计所应遵循的基本原则，也是分析各种转子方案的基本原则，也是分析各种转子方案的基本原则。的基本原则。 21:00NPU-ZhaoMing26压气机转子的基本结构型式压气机转子的基本结构型式1 1 鼓式转子鼓式转子2 2 盘式转子盘式转子3 3 盘鼓式（混合式）转子盘鼓式（混合式）转子 压气机转子的基本型式 21:00NPU-ZhaoMing27转子叶片与轮盘的连接转子叶片与轮盘的连接转子叶片的组成转子叶片的组成：转子叶：转子叶片是轴流式压气机最重要片是轴流式压气机最重要的零件之一。它主要由的零件之一。它主要由叶叶身身和和榫头榫头组成

24、。在有些长组成。在有些长叶片上，或者在激振力比叶片上，或者在激振力比较强的区域内工作的叶片较强的区域内工作的叶片叶身上还带有叶身上还带有阻尼台阻尼台。21:00NPU-ZhaoMing28轴流式压气机转子叶片榫头的型式轴流式压气机转子叶片榫头的型式（1 1）销钉式榫头销钉式榫头结构简单、工艺简单；尺寸重量大，承载能力低结构简单、工艺简单；尺寸重量大，承载能力低（2 2）燕尾形榫头燕尾形榫头尺寸小、重量轻，承载能力强，加工方便，根部有尺寸小、重量轻，承载能力强，加工方便，根部有应力集中。应力集中。（3 3）枞树形榫头枞树形榫头尺寸重量小，承载能力最强。应力集中最严重，加尺寸重量小，承载能力最强。

25、应力集中最严重，加工精度高工精度高21:00NPU-ZhaoMing2921:00NPU-ZhaoMing3021:00NPU-ZhaoMing31静子部件的组成静子部件的组成：静子是压气机中不旋转的部分。静子是压气机中不旋转的部分。整流器机匣，整流器整流器机匣，整流器（由（由机匣机匣和和静子叶片静子叶片组成）组成）机匣机匣静子叶片静子叶片21:00NPU-ZhaoMing32整流器机匣的结构整流器机匣的结构（1）是一个是一个圆柱形或圆锥形的薄壁圆筒圆柱形或圆锥形的薄壁圆筒（2）前后与其它机匣）前后与其它机匣联接联接，（3）内壁上有固定整流叶片的各种型式的）内壁上有固定整流叶片的各种型式的构槽

26、构槽，（4）发动机转子）发动机转子支承支承在机匣内，有些发动机的安在机匣内，有些发动机的安装节以及一些附件和导管还固定在机匣外壁上。装节以及一些附件和导管还固定在机匣外壁上。整流器机匣的负荷整流器机匣的负荷n静子的重量、惯性力静子的重量、惯性力、内外空气压差、扭、内外空气压差、扭矩、轴向力、弯矩、矩、轴向力、弯矩、热载荷、振动载荷。热载荷、振动载荷。n它是发动机的主要承它是发动机的主要承力壳体之一，也是气力壳体之一，也是气流通道的外壁。流通道的外壁。21:00NPU-ZhaoMing33整流器机匣的结构设计的基本要求整流器机匣的结构设计的基本要求（1 1）重量轻，具有足够的强度，可靠承受各种载

27、荷；）重量轻，具有足够的强度，可靠承受各种载荷；（2 2）具有足够的刚度，保证在各种载荷作用下，机匣具有足够的刚度，保证在各种载荷作用下，机匣的径向、横向变形在允许范围之内的径向、横向变形在允许范围之内；（3 3）保证各段机匣之间的同心和机匣与转子的同心；）保证各段机匣之间的同心和机匣与转子的同心； （4 4）具有包容性，保证在叶片折断或轮盘破裂不被击具有包容性，保证在叶片折断或轮盘破裂不被击穿；穿；（5 5）采取措施减少漏气损失和与转子之间的径向间隙，）采取措施减少漏气损失和与转子之间的径向间隙，提高压气机效率；提高压气机效率；（6 6）装配方便装配方便, ,工艺性好工艺性好, ,维修性好维

28、修性好, ,具有可检测性具有可检测性。 21:00NPU-ZhaoMing34整流器机匣的结构方案整流器机匣的结构方案(1)(1)整体式整体式(2)(2)分半式分半式( (纵剖结构纵剖结构) )(3)(3)分段式分段式( (横剖结构横剖结构) )21:00NPU-ZhaoMing35整流器整流器安装在机匣内，位于两级转子之间，因此安装在机匣内，位于两级转子之间，因此转转子和机匣的方案决定整流器的方案子和机匣的方案决定整流器的方案。在铸造的分半。在铸造的分半机匣内，由于机匣壁较厚，整流叶片可以用不同形机匣内，由于机匣壁较厚，整流叶片可以用不同形式的榫头直接固定在机匣内壁的特制环槽内。式的榫头直接

29、固定在机匣内壁的特制环槽内。整流叶片在机匣上的直接固定形式整流叶片在机匣上的直接固定形式1 1、用榫头；、用榫头；2 2、用螺钉；、用螺钉；3 3、通过焊接。、通过焊接。21:00NPU-ZhaoMing36整流器的固定方式整流器的固定方式有些整流器是有内环的有些整流器是有内环的（双支点双支点）；）；有些则没有内环有些则没有内环（单支点单支点）；）；有些整流器前几级为双支点，后几级则为单支有些整流器前几级为双支点，后几级则为单支点。点。 作用在整流器叶片上的作用在整流器叶片上的气动负荷是不大气动负荷是不大的，的，但是由于但是由于气流脉动导致叶片振动裂纹气流脉动导致叶片振动裂纹却往往是却往往是叶

30、片损坏的一个主要原因。因此，将叶片损坏的一个主要原因。因此，将叶片内端叶片内端联接起来组成双支点整流器，是提高叶片自振联接起来组成双支点整流器，是提高叶片自振频率的一个基本措施频率的一个基本措施。21:00NPU-ZhaoMing37应用附属装置的应用附属装置的原因原因 为保证压气机正常而有效地工作，除主为保证压气机正常而有效地工作，除主要组合件外，在轴流式压气机上还有一些附要组合件外，在轴流式压气机上还有一些附属装置和系统。属装置和系统。主要的附属装置和系统主要的附属装置和系统 封气装置封气装置 防冰系统防冰系统 防喘振系统防喘振系统 压气机气流控制系统压气机气流控制系统 间隙控制装置间隙控

31、制装置21:00NPU-ZhaoMing38封气装置封气装置 原因原因：在压气机转子和静：在压气机转子和静子之间，转子前、后端面子之间，转子前、后端面与机匣间都存在着漏气损与机匣间都存在着漏气损失，严重影响着压气机的失，严重影响着压气机的效率。效率。减少漏气量的方法减少漏气量的方法：1 1、正确选择合适的间隙、正确选择合适的间隙2 2、采用封气装置、采用封气装置21:00NPU-ZhaoMing39防冰系统防冰系统原因：冰层会破坏发动机的性能。原因：冰层会破坏发动机的性能。（1 1）冰层会引起发动机进气面积缩小，减小了通过发冰层会引起发动机进气面积缩小，减小了通过发动机的空气流量，从而引起发动

32、机性能损失并可能使动机的空气流量，从而引起发动机性能损失并可能使发动机发生故障发动机发生故障。（2 2）由于发动机振动，冰层可能破裂，破裂的冰块可由于发动机振动，冰层可能破裂，破裂的冰块可能被吸入发动机内，打伤叶片，甚至使整台发动机破能被吸入发动机内，打伤叶片，甚至使整台发动机破坏。坏。 防冰系统必须保证在飞机飞行范围内有效地防冰系统必须保证在飞机飞行范围内有效地防止结冰。防止结冰。21:00NPU-ZhaoMing40功能功能：涡轮是将高温高压燃气的能量转变为动能和机涡轮是将高温高压燃气的能量转变为动能和机械能的叶轮机械械能的叶轮机械。 气流在涡轮中转弯膨胀产生机械功从而带动压气气流在涡轮中

33、转弯膨胀产生机械功从而带动压气机、风扇、螺旋桨、直升机旋翼及附件传动系统等。机、风扇、螺旋桨、直升机旋翼及附件传动系统等。21:00NPU-ZhaoMing41涡轮部件的基本构成涡轮部件的基本构成转子部件转子部件转子叶片转子叶片涡轮盘涡轮盘涡轮轴涡轮轴轴承系统、封严系统的构件轴承系统、封严系统的构件。 静子部件静子部件 ：导向叶片（又称静子叶片、简称导叶）导向叶片（又称静子叶片、简称导叶）涡轮机匣涡轮机匣轴承座轴承座承力机匣及各种静子件；承力机匣及各种静子件；有叶片排的流道构成了涡轮的有叶片排的流道构成了涡轮的主燃气气流流道主燃气气流流道；一排导向叶片及紧跟其后的一排转子叶片构成一排导向叶片及

34、紧跟其后的一排转子叶片构成一个涡轮级；一个涡轮级；多级涡轮多级涡轮是由多个涡轮级组成。是由多个涡轮级组成。含导向叶片排的组件称为含导向叶片排的组件称为导向器导向器；含转子叶片的组件称为含转子叶片的组件称为工作轮工作轮。21:00NPU-ZhaoMing42轴流式涡轮和向心（径向式）涡轮轴流式涡轮和向心（径向式）涡轮结构类型：结构类型：按燃气流动的方向分为径向式涡轮与轴流式涡轮。按燃气流动的方向分为径向式涡轮与轴流式涡轮。径向式涡轮（又称向心式涡轮）：径向式涡轮（又称向心式涡轮）：燃气通常由外围流向中心燃气通常由外围流向中心。特点：特点：级功率大，工作可靠性好级功率大，工作可靠性好。应用：应用：

35、小型航空发动机、小型燃气轮机等小型航空发动机、小型燃气轮机等。 轴流式涡轮轴流式涡轮特点：特点：尺寸小，流尺寸小，流量大，效率高。量大，效率高。应用：应用：大型航空发大型航空发动机、大功率的动动机、大功率的动力装置等。力装置等。 21:00NPU-ZhaoMing43涡喷涡喷6 6发动机涡轮部件发动机涡轮部件组成：组成：单转子双级轴流单转子双级轴流式涡轮，由转子、静子式涡轮，由转子、静子两部分组成。两部分组成。涡轮转子涡轮转子是悬臂不可拆是悬臂不可拆卸的鼓盘式转子，两级卸的鼓盘式转子，两级转子叶片借枞树形榫头转子叶片借枞树形榫头安装在相应的轮盘上，安装在相应的轮盘上，并用锁片固定。并用锁片固定

36、。涡轮静子涡轮静子由前后两段组由前后两段组成，前段为能传递负荷成，前段为能传递负荷的一级导向器，后段为的一级导向器，后段为具有双层冷却机匣的二具有双层冷却机匣的二级导向器。级导向器。图4-2 涡喷6发动机涡轮部件21:00NPU-ZhaoMing44盘与轴连接的方式盘与轴连接的方式：不可拆式、可拆式：不可拆式、可拆式不可拆式：焊接、径向销钉、盘轴锻制成整体件不可拆式：焊接、径向销钉、盘轴锻制成整体件 径向销钉径向销钉优点优点：结构简单、：结构简单、加工方便，强度、加工方便，强度、刚度均较满意，刚度均较满意，具有一定的热节具有一定的热节流作用。流作用。应用应用：WP6WP6WP7WP7 21:0

37、0NPU-ZhaoMing45组成组成：涡轮机匣（涡轮外环或涡轮壳体）、导向器、涡轮机匣（涡轮外环或涡轮壳体）、导向器、涡轮的支承及传力系统涡轮的支承及传力系统设计要求设计要求：( (与压气机静子相比与压气机静子相比) )设计中要解决以下特殊矛盾设计中要解决以下特殊矛盾(1)(1)涡轮机匣除要求刚性均匀，不产生翘曲变形外，还涡轮机匣除要求刚性均匀，不产生翘曲变形外，还要保证尽可能小的叶尖间隙，以提高涡轮部件的效率，要保证尽可能小的叶尖间隙，以提高涡轮部件的效率，又要保证工作时转子与静子不致碰坏。又要保证工作时转子与静子不致碰坏。(2)(2)导向器承受高温燃气冲击，要处理好传力和自由膨导向器承受

38、高温燃气冲击，要处理好传力和自由膨胀的问题。胀的问题。( (3 3) )在结构上不仅要满足导向器排气面积的变化在结构上不仅要满足导向器排气面积的变化, ,而且而且要考虑热应力、热疲劳、热变形以及热冲击等的影响。要考虑热应力、热疲劳、热变形以及热冲击等的影响。 21:00NPU-ZhaoMing46涡轮机匣涡轮机匣大多采用大多采用整体式整体式。为了装配方便，采用。为了装配方便，采用轴向分段轴向分段。近代发动机采用近代发动机采用单元体结构设计单元体结构设计，一般将高低压涡轮划分为，一般将高低压涡轮划分为两个单元，因此两个单元，因此涡轮机匣按高低压段沿轴向划为两段涡轮机匣按高低压段沿轴向划为两段。分

39、段处分段处采用圆柱面定心采用圆柱面定心。 有的发动机在装配时靠千万表调整所需的位置，再用有的发动机在装配时靠千万表调整所需的位置，再用精密精密螺栓固定螺栓固定（见图（见图4-324-32），有的发动机靠安装边上的），有的发动机靠安装边上的紧度销钉紧度销钉来来定心（见图定心（见图4-334-33）。）。 21:00NPU-ZhaoMing47涡轮机匣结构分析的两个主要问题：涡轮机匣结构分析的两个主要问题： 涡轮机匣与工作叶片之间的径向间隙对涡轮效率影响很涡轮机匣与工作叶片之间的径向间隙对涡轮效率影响很大。根据估计，一台先进的双级涡轮发动机若径向间隙增加大。根据估计，一台先进的双级涡轮发动机若径向

40、间隙增加1 1mmmm，则涡轮效率降低约则涡轮效率降低约2 2. .5%5%，将引起发动机耗油率增加约，将引起发动机耗油率增加约2 2. .5%5%，所以在进行涡轮机匣分析时：，所以在进行涡轮机匣分析时：1 1、要保证、要保证涡轮的径向间隙沿圆周方向均匀分布涡轮的径向间隙沿圆周方向均匀分布；2 2、要要尽量减小径向间隙尽量减小径向间隙，又不使转子与机匣发生碰撞事故。，又不使转子与机匣发生碰撞事故。 21:00NPU-ZhaoMing48影响影响涡轮的涡轮的径向间隙的因素径向间隙的因素主要有：主要有：1 1、工作时由于离心力和热膨胀引起叶片和轮盘的伸长；、工作时由于离心力和热膨胀引起叶片和轮盘的

41、伸长；2 2、工作时机匣受热膨胀及不均匀变形工作时机匣受热膨胀及不均匀变形；3 3、高温工作带来转子的蠕变伸长等、高温工作带来转子的蠕变伸长等4 4、转子和静子的偏心度（由于加工误差、机匣刚性、支点径转子和静子的偏心度（由于加工误差、机匣刚性、支点径向间隙、转子重量造成下垂所引起）及椭圆和翘曲变形等；向间隙、转子重量造成下垂所引起）及椭圆和翘曲变形等；5 5、结构型式带来的工作中径向间隙的变化。、结构型式带来的工作中径向间隙的变化。6 6、发动机工作状态发动机工作状态。 径向间隙还随发动机工作状态的变化而变化径向间隙还随发动机工作状态的变化而变化. .特别是当发特别是当发动机过渡工作时，径向间

42、隙值取决于转子对转速和温度变化动机过渡工作时，径向间隙值取决于转子对转速和温度变化的响应及静子机匣对温度变化的响应速度。的响应及静子机匣对温度变化的响应速度。 21:00NPU-ZhaoMing49 根据发动机的工作状态，人为地控制机匣和转子的膨胀量，根据发动机的工作状态，人为地控制机匣和转子的膨胀量，使转子与静子的热响应达到较好的匹配，以保证径向间隙最小，使转子与静子的热响应达到较好的匹配，以保证径向间隙最小，这叫做主动间隙控制技术，这叫做主动间隙控制技术，主动间隙控制技术的两种形式：闭式回路、开式回路主动间隙控制技术的两种形式：闭式回路、开式回路闭式回路闭式回路：感受间隙、调节间隙：感受间

43、隙、调节间隙开式回路开式回路：间隙按照预先给定的程序进行调整，调节的精度取：间隙按照预先给定的程序进行调整，调节的精度取决于预先给定的指令与具体结构的措施。决于预先给定的指令与具体结构的措施。主动间隙控制装置：气动式、机械式主动间隙控制装置：气动式、机械式气动式气动式：通过环绕在机匣外面的几根导管向机匣喷射冷却空气，：通过环绕在机匣外面的几根导管向机匣喷射冷却空气，以控制机匣的膨胀。以控制机匣的膨胀。机械式机械式：为：为RB211RB211发动机可移动式叶尖间隙控制环，其特点是发动机可移动式叶尖间隙控制环，其特点是利用通道外壁的扩散形，通过一个摇臂使动叶外环做轴向移动，利用通道外壁的扩散形，通

44、过一个摇臂使动叶外环做轴向移动，以调整叶尖间隙。以调整叶尖间隙。 21:00NPU-ZhaoMing50涡轮导向器涡轮导向器功能功能：导向器的功用是使气流的部分热能变成动能，并以一：导向器的功用是使气流的部分热能变成动能，并以一定的方向流出，推动工作轮做功。定的方向流出，推动工作轮做功。组成组成：它是由内、外环和一组导向叶片组成的环形静止叶栅：它是由内、外环和一组导向叶片组成的环形静止叶栅主要问题：主要问题： 高温燃气作用下，不作为承力件高温燃气作用下，不作为承力件 热变形不协调，自由热补偿热变形不协调，自由热补偿 交变温度、热冲击、热疲劳、加温冷却交变温度、热冲击、热疲劳、加温冷却设计要求设

45、计要求 足够的强度与刚性；减小热应力；导向叶片不作传力件；足够的强度与刚性；减小热应力；导向叶片不作传力件；可分解的、便于制造和更换。可分解的、便于制造和更换。材料材料：高温合金：高温合金结构结构：实心叶片（铸造方便、但叶片内热应力较大）：实心叶片（铸造方便、但叶片内热应力较大） 空心叶片空心叶片( (精铸工艺复杂，但叶片的工作温度较低、精铸工艺复杂，但叶片的工作温度较低、热应力较小热应力较小) )21:00NPU-ZhaoMing51第一级导向器第一级导向器设计要求：设计要求：1 1、采用有效的冷却措施、采用有效的冷却措施：因为第一级导向器紧接在因为第一级导向器紧接在燃烧室的出口，工作温度燃

46、烧室的出口，工作温度最高，温度最不均匀，通最高，温度最不均匀，通常都采用有效的冷却措施；常都采用有效的冷却措施；2 2、支承形式、支承形式：为了保证：为了保证叶片具有足够的刚性，采叶片具有足够的刚性，采用了两端与机匣（即双支用了两端与机匣（即双支点）的结构；点）的结构；3 3、可调排气面积、可调排气面积：第一：第一级导向器的排气面积对发级导向器的排气面积对发动机的性能影响较大，因动机的性能影响较大，因此要求较严、结构上通常此要求较严、结构上通常允许调整。允许调整。导向叶片的联接方式导向叶片的联接方式1 1、两端自铰支、两端自铰支2 2、一端固定、一端铰支、一端固定、一端铰支3 3、叶片组：由两

47、片或更多片导向、叶片组：由两片或更多片导向叶片固接在一起形成叶片组。叶片固接在一起形成叶片组。21:00NPU-ZhaoMing52 涡轮是发动机中涡轮是发动机中热负荷热负荷和和动动力负荷力负荷最大的部件。随着最大的部件。随着推重比推重比的逐年提高，的逐年提高，涡轮前进口燃气温涡轮前进口燃气温度度也逐年提高，不仅由于也逐年提高，不仅由于高温材高温材料性能料性能的改进，更重要的是的改进，更重要的是冷却冷却技术技术的提高。的提高。 为了研究有效的冷却技术，为了研究有效的冷却技术，必须了解涡轮零件的温度分布与必须了解涡轮零件的温度分布与热应力，以及它们与冷却措施间热应力，以及它们与冷却措施间的关系。

48、的关系。 据统计，涡轮前温度平均每据统计，涡轮前温度平均每年升高大约年升高大约2525，其中，其中1515左右左右是依靠冷却技术的进步取得的。是依靠冷却技术的进步取得的。图4-4-1 燃气温度的逐年提高情况21:00NPU-ZhaoMing53典型零件的温度分布与热应力典型零件的温度分布与热应力 涡轮零件的工作温度及其分布是确定零件热应力大小、高涡轮零件的工作温度及其分布是确定零件热应力大小、高温零件危险断面位置和安全系数、高温材料选用等的重要依据。温零件危险断面位置和安全系数、高温材料选用等的重要依据。 确定零件温度分布的方法有两种：确定零件温度分布的方法有两种：计算法计算法和和试验法试验法

49、。转子叶片的温度分布转子叶片的温度分布 由图可见（当燃气温度沿径向不由图可见（当燃气温度沿径向不变时），沿大部分叶高，温度都是变时），沿大部分叶高，温度都是不变的，只有从距叶根不变的，只有从距叶根1/31/3处开始，处开始，温度才向叶根按立方规律下降温度才向叶根按立方规律下降。 叶根温度同轮盘的冷却方式有关。叶根温度同轮盘的冷却方式有关。 21:00NPU-ZhaoMing54涡轮盘温度的分布涡轮盘温度的分布 燃气中的热量由转子叶片经过燃气中的热量由转子叶片经过榫头传到涡轮盘，因此榫头传到涡轮盘，因此轮盘边缘温轮盘边缘温度高、中心温度低度高、中心温度低。 当燃气温度当燃气温度=820-900=

50、820-900度，采用度，采用径向吹风冷却的轮盘，轮缘温度为径向吹风冷却的轮盘，轮缘温度为500-600500-600度，轮心温度为度，轮心温度为200-400200-400度，度，温度随半径的变化规律大致按二次温度随半径的变化规律大致按二次抛物线规律变化。抛物线规律变化。 轮缘处的温度由叶片根部的温轮缘处的温度由叶片根部的温度和榫头中的温降决定。度和榫头中的温降决定。21:00NPU-ZhaoMing55涡轮部件冷却的目的涡轮部件冷却的目的1 1、提高涡轮前的温度，进而提高发动机的性能、提高涡轮前的温度，进而提高发动机的性能2 2、降低零件工作温度、降低零件工作温度3 3、使零件温度分布均匀

51、，减小热应力、使零件温度分布均匀，减小热应力涡轮部件冷却原则涡轮部件冷却原则1 1、需要冷却的部件需要冷却的部件（根据材料和工作环境决定，一般情况下，（根据材料和工作环境决定，一般情况下，第一级导向器叶片必须冷却，轮盘一般不需要冷却，榫头处必第一级导向器叶片必须冷却，轮盘一般不需要冷却，榫头处必须冷却（榫头吹风，热节流），轴承必须冷却）；须冷却（榫头吹风，热节流），轴承必须冷却）；2 2、从什么地方引入冷却空气从什么地方引入冷却空气；3 3、冷却空气最后的排出冷却空气最后的排出。下面对下面对涡轮部件的冷却系统、涡轮盘与叶片的冷却方式涡轮部件的冷却系统、涡轮盘与叶片的冷却方式分别进分别进行分析。

52、行分析。21:00NPU-ZhaoMing56涡轮部件的空气冷却系统涡轮部件的空气冷却系统主要主要冷却对象冷却对象是是榫头、轮盘、承力环、第一级导向叶榫头、轮盘、承力环、第一级导向叶片、涡轮外环片、涡轮外环。根据被冷却零件的工作温度和冷却系统的流动阻力确根据被冷却零件的工作温度和冷却系统的流动阻力确定从哪里引入冷却空气；定从哪里引入冷却空气；根据冷却后空气的压力和排气系统的阻力确定如何排根据冷却后空气的压力和排气系统的阻力确定如何排出。出。 尽管对涡轮部件采取了各种冷却和结构措施，但尽管对涡轮部件采取了各种冷却和结构措施，但在高温大负荷下，涡轮部件还出现较多的故障，如在高温大负荷下，涡轮部件还

53、出现较多的故障，如烧烧毁叶身、叶身因蠕变过大形成缩颈，叶身进、排气边毁叶身、叶身因蠕变过大形成缩颈，叶身进、排气边缘裂纹等现象缘裂纹等现象。 21:00NPU-ZhaoMing57引用冷却空气应考虑的因素引用冷却空气应考虑的因素压力压力：冷却空气通常是从压气机引出，不同级的空气：冷却空气通常是从压气机引出，不同级的空气压力是不同的。压力的选定不仅要考虑压力是不同的。压力的选定不仅要考虑“流阻流阻”的影的影响，而且要考虑排放冷却空气处的空气压力。响，而且要考虑排放冷却空气处的空气压力。流量流量：冷却空气的流量由冷却的要求决定。：冷却空气的流量由冷却的要求决定。温度温度：冷却空气温度应该低于冷却对

54、象的工作温度。：冷却空气温度应该低于冷却对象的工作温度。清洁清洁：冷却空气必须是干净的。：冷却空气必须是干净的。整个冷却系统的设计要求整个冷却系统的设计要求：1 1、冷却的有效性；、冷却的有效性；2 2、对发动机的主流道的流动影响尽可能小；、对发动机的主流道的流动影响尽可能小；3 3、构造简单、工作可靠；、构造简单、工作可靠；4 4、转子轴向力的调整。、转子轴向力的调整。 21:00NPU-ZhaoMing58WP6WP6发动机涡轮部件冷却系统发动机涡轮部件冷却系统图图冷却涡轮的空气由燃烧室两股气流冷却涡轮的空气由燃烧室两股气流中分两路引来。中分两路引来。1.1. 一路由后机匣（即燃烧室外壳）

55、一路由后机匣（即燃烧室外壳）及第一级导向器外环前安装边上及第一级导向器外环前安装边上的的180180个小孔个小孔A A引入，引入，一部分空气去冷却第一级导向器一部分空气去冷却第一级导向器叶片及其内腔的拉杆衬筒，叶片及其内腔的拉杆衬筒，另一部分空气冷却涡轮外环，并另一部分空气冷却涡轮外环，并对其起隔热作用；对其起隔热作用；2.2.另一路从轴承机匣及隔热筒之间另一路从轴承机匣及隔热筒之间引入，经承力腹板及导气盆上的引入，经承力腹板及导气盆上的通气孔去冷却第一、二级轮盘及通气孔去冷却第一、二级轮盘及第一、第二级叶片榫头。第一、第二级叶片榫头。冷却后的空气进入燃气流中冷却后的空气进入燃气流中。21:0

56、0NPU-ZhaoMing59涡轮盘的冷却涡轮盘的冷却 涡轮盘的受热主要来自燃气和转子叶片的热量，涡轮盘的受热主要来自燃气和转子叶片的热量，由轮缘传向轮毂。常用的冷却方式为：由轮缘传向轮毂。常用的冷却方式为：1 1）空气沿轮盘侧面径向吹风（气流的流动方向可分空气沿轮盘侧面径向吹风（气流的流动方向可分为由里向外、由外向里两种）。为由里向外、由外向里两种）。2 2）空气吹过叶片根部或榫头的装配间隙。）空气吹过叶片根部或榫头的装配间隙。21:00NPU-ZhaoMing60WP7WP7涡轮盘冷却气流图涡轮盘冷却气流图 冷却空气沿轮盘的前面冷却空气沿轮盘的前面由里向外径向吹风由里向外径向吹风，但前后端

57、面的，但前后端面的冷却空气是串联的，因此冷气产生较大温升，冷却效果减弱。冷却空气是串联的，因此冷气产生较大温升，冷却效果减弱。P29P29涡轮盘冷却气流图涡轮盘冷却气流图。 在在P29P29发动机中轮盘前后端发动机中轮盘前后端均采用均采用由外向里的空气冷却流由外向里的空气冷却流路路，形成两股并联的流路。这，形成两股并联的流路。这样可以减小轮缘与轮毂之间以样可以减小轮缘与轮毂之间以及盘孔前后端面之间的温差。及盘孔前后端面之间的温差。 21:00NPU-ZhaoMing6121:00NPU-ZhaoMing62涡轮叶片的冷却涡轮叶片的冷却 涡轮叶片的冷却按冷却空气在叶片内部的流动状况与流出涡轮叶片

58、的冷却按冷却空气在叶片内部的流动状况与流出方式的不同加以区分，通常有下列几种方式方式的不同加以区分，通常有下列几种方式 ；对流冷却对流冷却：冷却空气从叶片内若干专门的通道流过，通过与壁：冷却空气从叶片内若干专门的通道流过，通过与壁面的热交换，将热量带走，从而使叶片温度降低。面的热交换，将热量带走，从而使叶片温度降低。喷射式冷却喷射式冷却：使一股或多股冷却气流射流正对着被冷却的表面，：使一股或多股冷却气流射流正对着被冷却的表面，强化局部的换热能力，增强冷却效果，实质上还属于对流冷却。强化局部的换热能力，增强冷却效果，实质上还属于对流冷却。气膜冷却气膜冷却：在叶片表面形成一层气膜，将叶片表面与高温

59、燃气：在叶片表面形成一层气膜，将叶片表面与高温燃气隔开。隔开。发散冷却发散冷却：冷却空气从叶片内腔通过叶片壁面上无数微孔渗出，：冷却空气从叶片内腔通过叶片壁面上无数微孔渗出，一方面从壁面上带走热量，另一方面在叶片表面上形成一层气一方面从壁面上带走热量，另一方面在叶片表面上形成一层气膜，将叶片与燃气隔开达到冷却目的。（兼有对流冷却和气膜膜，将叶片与燃气隔开达到冷却目的。（兼有对流冷却和气膜冷却的效果）冷却的效果） 21:00NPU-ZhaoMing63主燃烧室的功能主燃烧室的功能：用来将燃油中：用来将燃油中化学能化学能转变为转变为热能热能，将压气机增压后的高压空气加热到涡轮前允许温度，将压气机增

60、压后的高压空气加热到涡轮前允许温度，以便进入涡轮和排气装置内膨胀做功。以便进入涡轮和排气装置内膨胀做功。燃烧室的设计要求燃烧室的设计要求1 1、在发动机正常工作状态下，保证混合气稳定而完全、在发动机正常工作状态下，保证混合气稳定而完全地燃烧；地燃烧；2 2、出口的燃气温度场沿圆周要均匀，沿叶高应保证按、出口的燃气温度场沿圆周要均匀，沿叶高应保证按涡轮要求的规律分布；涡轮要求的规律分布；3 3、足够的强度与刚性，良好的冷却，可靠的热补偿；、足够的强度与刚性，良好的冷却，可靠的热补偿；4 4、外壳尺寸和重量要小，有着高的容热强度；、外壳尺寸和重量要小，有着高的容热强度；5 5、结构要简单，有良好的