第3章 压气机

1、第第3章章 压气机压气机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、外廓尺寸和主要指标：增压比、效率、可靠性、维修性、外廓尺寸和重量等。重量等。压气机基本类型：压气机基本类型：轴流式轴流式WP6，WP8，WP7， WP13，斯贝，斯贝 离心式离心式WP5 混合式混合式ALF502 根据转子的数目：根据转子的数目： 单转子单转子WP6，WP8 双转子双转子WP7，WP13，斯

2、贝，斯贝 三转子三转子 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。式只做一般介绍。3.1 概述轴流式压气机轴流式压气机n转子转子:高速旋转对气流做功的组合件。高速旋转对气流做功的组合件。l低压转子低压转子 双转子涡扇发动机中，低压转子就是风扇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或风扇转子和低压压气机转子的组合l高压转子高压转子n静子静子l包括机匣和整流器包括机匣和整流器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

3、中：进气装置、整流器机匣、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 分流机匣分流机匣（） 中介机匣中介机匣 3.2 轴流式压气机转子3.2.1 转子的基本结构形式转子的基本结构形式转子设计的基本矛盾转子设计的基本矛盾n尺寸小、重量轻尺寸小、重量轻n转速高、负荷大转速高、负荷大n惯性力和力矩、气体力（轴向力和扭矩）惯性力和力矩、气体力（轴向力和扭矩）要求要求n可靠的强度和结构刚性可靠的强度和结构刚性n 良好的定心、定位良好的定心、定位n传力、传扭可靠传力、传扭可靠n良好的平衡性良好的平衡性基本结构形式：鼓式、盘式、鼓盘式基本结构形式：鼓式、盘式、鼓盘式 3.2 轴流式压气机转子

4、3.2.1 转子的基本结构形式转子的基本结构形式1.鼓式转子鼓式转子3.2 轴流式压气机转子3.2.1 转子的基本结构形式转子的基本结构形式1.鼓式转子鼓式转子3.2 轴流式压气机转子5.2.1 转子的基本结构形式转子的基本结构形式2.盘式转子盘式转子3.2 轴流式压气机转子5.2.1 转子的基本结构形式转子的基本结构形式2.盘式转子盘式转子加强盘式转子中盘与轴的联接（定心）加强盘式转子中盘与轴的联接（定心） 发夹型结构发夹型结构 门型结构门型结构 轴向梯形套齿等轴向梯形套齿等 端面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转子的基本结构形式3.鼓盘式转子鼓

5、盘式转子3.2.1 转子的基本结构形式转子的基本结构形式3.鼓盘式转子鼓盘式转子3.2 轴流式压气机转子3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子 鼓盘式转子兼有鼓式转子的抗弯刚性和盘式转子承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。代涡扇发动机的高压压气机上。 分类分类 1. 不可拆卸的转子不可拆卸的转子 2. 可拆卸的转子可拆卸的转子 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 鼓盘式转子鼓盘式转子 1. 不可拆卸的鼓盘式转子

6、不可拆卸的鼓盘式转子3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子 1. 不可拆卸的鼓盘式转子不可拆卸的鼓盘式转子n级间联接：圆柱面紧度配合级间联接：圆柱面紧度配合+径向销钉，焊接径向销钉，焊接 ，整体加，整体加 工成型工成型n圆柱面紧度配合圆柱面紧度配合+径向销钉法径向销钉法l定心定心：圆柱面加径向销钉：圆柱面加径向销钉 传扭传扭：径向销钉和配合面的摩擦力：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缺点：转子的零件较多，制造偏差会影响转子的定心和平衡和平衡 解决方法解决方法：焊接法焊接法 ，整体加工成型法，

7、整体加工成型法 3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子 1. 不可拆卸的鼓盘式转子不可拆卸的鼓盘式转子 3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子 1. 不可拆卸的鼓盘式转子不可拆卸的鼓盘式转子n刚度研究：鼓筒与轮盘的位置刚度研究：鼓筒与轮盘的位置 恰当半径内恰当半径内：鼓径向：鼓径向变形小，盘大；鼓加变形小，盘大；鼓加强盘强盘恰当半径外恰当半径外：盘径向：盘径向变形小，鼓大；盘加变形小，鼓大；盘加强鼓强鼓3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子 1. 不可拆卸的鼓盘式转子不可拆卸的鼓盘式转子n装配紧度研究装配紧度研究 恰当半径内恰当半径内：鼓径向变形小，盘大；盘压入鼓：鼓径向变形小，盘大；盘压入鼓恰当半径外恰当半径

8、外：盘径向变形小，鼓大；鼓压入盘：盘径向变形小，鼓大；鼓压入盘3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子 1. 不可拆卸的鼓盘式转子不可拆卸的鼓盘式转子n装配定心：径向销钉原理装配定心：径向销钉原理 3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子2. 可拆卸的鼓盘式转子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。损分解的转子。 分类分类 （1）用拉杆联接）用拉杆联接 JT3D （2）短螺栓联接）短螺栓联接 JT9D高压高压 （3）长轴螺栓联接）长轴螺栓联接 低压低压 KY303.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子2. 可拆卸的鼓盘式转子可

9、拆卸的鼓盘式转子（1）用拉杆联接）用拉杆联接 JT3D刚度：拉杆的拉紧力刚度：拉杆的拉紧力传扭：端面摩擦传扭：端面摩擦定心：圆柱面定心：圆柱面流道变化，多根拉杆联接流道变化，多根拉杆联接 3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子2. 可拆卸的鼓盘式转子可拆卸的鼓盘式转子（2）短螺栓联接）短螺栓联接 JT9D高压高压 刚性：螺栓预紧力刚性：螺栓预紧力 定心、传扭：螺栓定心、传扭：螺栓 3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子2. 可拆卸的鼓盘式转子可拆卸的鼓盘式转子 （3）长轴螺栓联接）长轴螺栓联接 低压转子低压转子 KY30定心、传扭：端面圆弧齿定心、传扭：端面圆弧齿3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子2. 可拆

10、卸的鼓盘式转子可拆卸的鼓盘式转子 关键件：拉杆关键件：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。级件联接的可靠性和整体刚度。n影响因素影响因素n 计算截面的弯矩值计算截面的弯矩值n拉杆所在半径大小拉杆所在半径大小n转子上的气体轴向力转子上的气体轴向力n所选材料（应与鼓筒、轮盘尽量一致）所选材料（应与鼓筒、轮盘尽量一致）n装配方法装配方法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。零件数目少且不可拆卸的、

11、整体式的或混合式的结构方案。3. 混合式的鼓盘转子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；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。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。求。目前，现代发动机的高压转子中，较多采用混合式转子目前，现代发动机的高压转子中，较多采用混合式转子3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子3、 混合式的鼓盘转子混合式的鼓盘转子（1） 的低压压气机转子的低压压气机转子31AJI三大段，焊接或整体制造，三大段

12、，焊接或整体制造，再用短螺栓联接再用短螺栓联接3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子3、 混合式的鼓盘转子混合式的鼓盘转子（2） CFM56和和V2500的高压压气机转子的高压压气机转子两大段，短螺栓联接两大段，短螺栓联接三大段，三大段，12级钛合金焊接，级钛合金焊接，49级不锈钢焊接，与级不锈钢焊接，与3级短螺级短螺栓联接栓联接3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式转子3 、混合式的鼓盘转子、混合式的鼓盘转子（3） 的高压压气机转子的高压压气机转子31AJI三大段，一段（三大段，一段（13级），二段（级），二段（46级），三段（级），三段（79级）级） 短螺栓短螺栓 长螺栓长螺栓3.2.2 鼓盘式转子鼓盘式

13、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工作叶片及其与轮盘的联接 转子叶片转子叶片构造构造：叶身：叶身+榫头榫头工作可靠性：工作可靠性：叶身本身和其与轮盘的联接有足够的强度、适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。宜的刚性和较小的应力集中。1、叶身的构造特点、叶身的构造特点 （1）要求：）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；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，厚度比根部的为减轻重量，叶尖

14、的弦长要比根部的短，厚度比根部的薄。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工作叶片及其与轮盘的联接1、叶身的构造特点、叶身的构造特点 （2） 特点特点n 减震凸台减震凸台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工作叶片及其与轮盘的联接1、叶身的构造特点、叶身的构造特点 （2） 特点特点n宽弦风扇叶片（宽弦风扇叶片（V2500）n优点：没有增重、减震特性好、叶栅通道优点：没有增重、减震特性好、叶栅通道 面积大、面积大、 喘振裕度宽、级效率高等喘振裕度

15、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工作叶片及其与轮盘的联接1、叶身的构造特点、叶身的构造特点 （2） 特点特点n可控扩散叶型（亚音速的叶型设计中）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。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工作叶片及其与轮盘的联接1、叶身的构造特点、叶身的构造

16、特点 （2） 特点特点n端部过弯叶身的叶片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。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工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造、榫头的构造 （1） 要求要求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工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造、榫头的构造 （2） 分类分类 a. 燕尾形榫头燕尾形榫头依靠槽侧面定位、传力依靠槽侧面

17、定位、传力榫头和榫槽可以过渡配合、也可以小间隙配合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）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工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造、榫头的构造 （2） 分类分类 a. 燕尾形榫头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工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造、榫头的构造 （2） 分类分类 a. 燕尾形榫头燕尾形榫头槽向固定：防止在叶片槽向固

18、定：防止在叶片气动力和离心力的槽向气动力和离心力的槽向分力下沿槽向移动，或分力下沿槽向移动，或振动脱落。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工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造、榫头的构造 （2） 分类分类 a. 燕尾形榫头燕尾形榫头大流量比涡扇发动大流量比涡扇发动机：能单个拆除带机：能单个拆除带冠叶片的锁紧结构。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工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造、榫头的构造 （2） 分类分类 b. 销钉式榫头销钉式榫头简单，但是承简单，但是承载能力有限，载能力有限，尺寸和重量大尺寸和重量大3

19、.2 轴流式压气机转子3.2.3 工作叶片及其与轮盘的联接工作叶片及其与轮盘的联接2、榫头的构造、榫头的构造 （2） 分类分类 c. 枞树型榫头枞树型榫头周向尺寸小，重量周向尺寸小，重量轻，能承受较大的轻，能承受较大的载荷，但是多靠榫载荷，但是多靠榫齿传力，应力集中齿传力，应力集中严重，工艺性差。严重，工艺性差。3.3 3.3 轴流式压气机静子轴流式压气机静子组成：机匣和静子叶片（整流器）组成：机匣和静子叶片（整流器）3.3.1 整流器机匣整流器机匣 1. 作用在机匣上的负荷作用在机匣上的负荷3.3 轴流式压气机静子3.3.1 整流器机匣整流器机匣2. 对机匣的基本要求对机匣的基本要求3.3

20、轴流式压气机静子3.3.1 整流器机匣整流器机匣2. 整流器机匣的分类整流器机匣的分类 整体式整体式 分半式分半式 分段式分段式 转子可拆卸转子可拆卸 转子不可拆卸转子不可拆卸 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 整流器机匣整流器机匣3. 整流器机匣分类整流器机匣分类（1）分半式机匣）分半式机匣 WP6n装配简单，容易选择整流器和转子的结构方案装配简单，容易选择整流器和转子的结构方案n结合面的连接、定位和密封结合面的连接、定位和密封安装边和螺栓联接安装边和螺栓联接n工作受热时，机匣刚性不均工作受热时，机匣刚性不均增加纵向加强肋和采用增加纵向加强肋和采用横向加强肋横向加强

21、肋n整流器机匣后段整流器机匣后段双层机匣双层机匣 CFM56前段为钛合金锻件机械加工；前段为钛合金锻件机械加工； 后段为双层机匣后段为双层机匣 3.3 轴流式压气机静子3.3.1 整流器机匣整流器机匣2. 整流器机匣的方案整流器机匣的方案（1）分半式机匣）分半式机匣 CFM56 整流器机匣后段整流器机匣后段 双层机匣（外匣为承力件）双层机匣（外匣为承力件） 3.3 轴流式压气机静子3.3.1 整流器机匣整流器机匣2. 整流器机匣的方案整流器机匣的方案（2）分段式机匣）分段式机匣解决周向刚性不均解决周向刚性不均3.3 轴流式压气机静子3.3.1 整流器机匣整流器机匣2. 整流器机匣的方案整流器机

22、匣的方案（2）分段式机匣）分段式机匣n 机匣间的联接、定机匣间的联接、定位和密封位和密封安装边安装边和螺栓联接和螺栓联接3.3 轴流式压气机静子3.3.1 整流器机匣整流器机匣2. 整流器机匣的方案整流器机匣的方案（3）整体式机匣）整体式机匣3.3 轴流式压气机静子3.3.1 整流器机匣整流器机匣3. 整流器机匣的方案研究整流器机匣的方案研究 影响因素：转子和整流器的方案影响因素：转子和整流器的方案 机匣的材料和工艺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近代发动机机匣n双层机匣双层机匣n包容机匣包容机匣

23、3.3 轴流式压气机静子3.3.2 整流器整流器 1. 叶片与机匣的固定方案叶片与机匣的固定方案（1） 整流叶片的榫头固定整流叶片的榫头固定 3.3 轴流式压气机静子3.3.2 整流器整流器 1. 叶片与机匣的固定方案叶片与机匣的固定方案（2） 直接固定法直接固定法n螺帽联接螺帽联接 wp6的整流叶片的整流叶片 用螺纹轴颈和矩形板直接用螺纹轴颈和矩形板直接装在机匣内壁环槽内，用螺帽装在机匣内壁环槽内，用螺帽拧紧。拧紧。n焊接固定焊接固定 WP13 的的1,3,4,5级除了级除了1级级空心整流叶片用螺帽联接外，空心整流叶片用螺帽联接外，均用焊接固定均用焊接固定3.3 轴流式压气机静子3.3.2

24、整流器整流器1. 叶片与机匣的固定方案叶片与机匣的固定方案（3） 间接固定间接固定 wp7发动机第发动机第2级整流器级整流器 3.3 轴流式压气机静子3.3.2 整流器整流器2. 整流器的支点方案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。效率。3.3 轴流式压气机静子3.3.2 整流器整流器3. 整流器的方案总结整流器的方案总结3.4 压气机防喘系统3.4.1 压气机的喘振压气机的喘振n基元级基元级n攻角攻角n落后角落后角n失速失速：攻角过大时，气流从叶背分离，导致压气机效率降：攻角过大时，气流从叶背

25、分离，导致压气机效率降低、工作不稳定、旋转失速、喘振。低、工作不稳定、旋转失速、喘振。n旋转失速旋转失速：失速区向叶片旋转相反方向移动的现象。：失速区向叶片旋转相反方向移动的现象。n喘振喘振：在非设计状态下，压气机前面增压级和后面增加级：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。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，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