航空发动机新技术第四章压气机风扇新技术解析课件

第四章压气机和风扇部件的新技术4.1，基准发动机要求据有关文献介绍，9000kg左右的发动机具有最大的推重比。我们为了对压气机进行改进，对级数较多的压气机，重点放在减轻叶片重量和减少压气机级数上。此外，压气机的稳定工作是设计中至关重要的性能指标，为了提高压气机性能，最有效的就是提高压气机的单级增压比，但级间增压比的提高往往要求转速的提高，从而导致压气机的稳定裕度下降第四章压气机和风扇部件的新技术4.1，基准发动机要4.2，压气机的选择目前为了提高压气机的稳定性，一般采用低载荷设计，即单级增压比比较低。通过大量的研究工作发现，采用先进的三维气动叶型技术后，叶片单级增压比可以明显提高，这样，对于同样增压比的压气机级数可以明显减少，从而大幅度降低压气机重量。4.2，压气机的选择目前为了提高压气机的稳定性，4.2.2性能与重量

大幅度提高压气机负荷必然要增压发动机转子转速，而转速提高必将加大部件的离心力，因此对压气机和涡轮盘的强度设计提出了新挑战。4.2.2性能与重量采用传统的设计方案是无法提高发动机转速的，因此，必须要采用新材料和新强度设计技术，才能满足新一代高性能转速的需要。采用传统的设计方案是无法提高发动机转速的，因此，4.3高载荷压气机设计技术由工热知道，压气机的压缩功越大，则压气机的级增压比越高。4.3高载荷压气机设计技术因此，由公式可以得出，提高压气机或风扇单级增压比的基本方法是：①提高压气机转速②采用先进的叶型设计因此，由公式可以得出，提高压气机或风扇单级增压比的基本方法是4.3.2先进的全三维计算流体力学设计方法（1）后掠叶片的作用：将压气机叶片沿径向设计成后掠形式，从而减小跨声速压气机和超声速压气机的激波损失，提高效率。压气机转子叶片进口的气流速度沿径向是不断增加的，为了使压气机内部基本不产生激波，发动机转速将受限。提高压气机单级压缩功，从而提高级增压比的一条途径是增加发动机的转速。4.3.2先进的全三维计算流体力学设计方法航空发动机新技术第四章压气机风扇新技术解析课件而转速的提高受叶尖气流超声速的限制，采用后掠叶片后，叶尖相对Ma数可以达到1.6，而压气机内部没有强烈激波，此时压气机单级增压比为2.2，单级增压比显著提高。缺点：容易造成风扇叶片叶尖部分气流的堆积。而转速的提高受叶尖气流超声速的限制，采用后掠叶片（2）前掠叶片设计技术前掠叶片很好的解决了转子转速提高后压气机或风扇叶片的激波损失和叶尖气流堆积问题，使压气机级间增压比大幅提高。试验完成的图4-9分隔式叶片压气机转子，单级风扇转子可超过3，是F100的三级风扇的增压比。（2）前掠叶片设计技术前掠叶片很好的解决了转子（3）其他的最新研究成果①带冠复合材料风扇转子此新概念的风扇在效率、稳定裕度、进口畸变下的使用性和非设计点运行方面性能均有明显改进。显然该设计方案在提高压气机性能和工作寿命的同时，能显著减少风扇和压气机的重量，并且能很好解决前掠叶片的强度和振动的问题。（3）其他的最新研究成果②四级先进技术高压压气机转子部分采用前掠叶片，利用全三维N-S方程计算设计的4级先进的高压压气机转子，相当于F100的9级高压压气机转子的增压比。显然，该高压压气机转子能大大缩短压气机长度，减轻发动机重量②四级先进技术高压压气机转子第四节金属基复合材料的应用由前面的知识可知，采用前掠或后掠式超声速风扇叶片和压气机叶片可以提高压气机的单级增压比，从而减少压气机级数，达到减重的目的。但从另一方面说，前后掠的采用不能减轻单级压气机叶片的重量，因此为进一步减轻压气机的重量，还需要采用一些新技术手段。如：采用复合材料，空心叶片等。第四节金属基复合材料的应用（1）MMC叶片的特点所谓MMC，即空心的，纤维加强的钛金属基复合材料叶片，与普通钛合金叶片相比，可以减重14%，并且在强度、可靠性、抗疲劳寿命和防鸟撞击能力方面均有一定的提高。见图4-14（1）MMC叶片的特点（2）MMC板件的加工首先对钛合金版面进行无损探伤。（3）叶片蒙皮的加工用钛合金控制纤维的间距（4）叶片燕尾锲的加工过程图4-17（5）成形加工图4-18（2）MMC板件的加工4.4.2用复合材料加强压气机轮盘采用非金属复合材料具有重量轻、抗拉强度高、不易疲劳破坏等特点。在高压压气机轮盘上缠绕非金属复合材料后可以大大减轻轮盘的厚度，减轻单级压气机重量的，同时提高轮盘的寿命。4.4.2用复合材料加强压气机轮盘第五节压气机转子减重设计1，轮盘一体化的设计思想安装转子叶片的轮盘不但在叶片安装处很厚，而且轮盘的内部中心孔也很厚，同时轮盘本身也不薄。压气机转子重量主要来源于安装压气机叶片的轮盘，若能采用轮盘一体化技术，减小转子内部轮盘的重量，必将对压气机减重作出重要贡献。第五节压气机转子减重设计1，轮盘一体化的设计思想由前知识知道，我们在叶片的重量上采用空心结构和复合材料减重，若能在叶盘上减重是最好的，故若能取消叶片和轮盘间的联接，采用焊接，可以减重。图4-21轮盘一体化后压气机工作范围扩大。图4-22采用各种减重设计后，压气机的减重收益如图由前知识知道，我们在叶片的重量上采用空心结构和复第四章压气机和风扇部件的新技术4.1，基准发动机要求据有关文献介绍，9000kg左右的发动机具有最大的推重比。我们为了对压气机进行改进，对级数较多的压气机，重点放在减轻叶片重量和减少压气机级数上。此外，压气机的稳定工作是设计中至关重要的性能指标，为了提高压气机性能，最有效的就是提高压气机的单级增压比，但级间增压比的提高往往要求转速的提高，从而导致压气机的稳定裕度下降第四章压气机和风扇部件的新技术4.1，基准发动机要4.2，压气机的选择目前为了提高压气机的稳定性，一般采用低载荷设计，即单级增压比比较低。通过大量的研究工作发现，采用先进的三维气动叶型技术后，叶片单级增压比可以明显提高，这样，对于同样增压比的压气机级数可以明显减少，从而大幅度降低压气机重量。4.2，压气机的选择目前为了提高压气机的稳定性，4.2.2性能与重量

大幅度提高压气机负荷必然要增压发动机转子转速，而转速提高必将加大部件的离心力，因此对压气机和涡轮盘的强度设计提出了新挑战。4.2.2性能与重量采用传统的设计方案是无法提高发动机转速的，因此，必须要采用新材料和新强度设计技术，才能满足新一代高性能转速的需要。采用传统的设计方案是无法提高发动机转速的，因此，4.3高载荷压气机设计技术由工热知道，压气机的压缩功越大，则压气机的级增压比越高。4.3高载荷压气机设计技术因此，由公式可以得出，提高压气机或风扇单级增压比的基本方法是：①提高压气机转速②采用先进的叶型设计因此，由公式可以得出，提高压气机或风扇单级增压比的基本方法是4.3.2先进的全三维计算流体力学设计方法（1）后掠叶片的作用：将压气机叶片沿径向设计成后掠形式，从而减小跨声速压气机和超声速压气机的激波损失，提高效率。压气机转子叶片进口的气流速度沿径向是不断增加的，为了使压气机内部基本不产生激波，发动机转速将受限。提高压气机单级压缩功，从而提高级增压比的一条途径是增加发动机的转速。4.3.2先进的全三维计算流体力学设计方法航空发动机新技术第四章压气机风扇新技术解析课件而转速的提高受叶尖气流超声速的限制，采用后掠叶片后，叶尖相对Ma数可以达到1.6，而压气机内部没有强烈激波，此时压气机单级增压比为2.2，单级增压比显著提高。缺点：容易造成风扇叶片叶尖部分气流的堆积。而转速的提高受叶尖气流超声速的限制，采用后掠叶片（2）前掠叶片设计技术前掠叶片很好的解决了转子转速提高后压气机或风扇叶片的激波损失和叶尖气流堆积问题，使压气机级间增压比大幅提高。试验完成的图4-9分隔式叶片压气机转子，单级风扇转子可超过3，是F100的三级风扇的增压比。（2）前掠叶片设计技术前掠叶片很好的解决了转子（3）其他的最新研究成果①带冠复合材料风扇转子此新概念的风扇在效率、稳定裕度、进口畸变下的使用性和非设计点运行方面性能均有明显改进。显然该设计方案在提高压气机性能和工作寿命的同时，能显著减少风扇和压气机的重量，并且能很好解决前掠叶片的强度和振动的问题。（3）其他的最新研究成果②四级先进技术高压压气机转子部分采用前掠叶片，利用全三维N-S方程计算设计的4级先进的高压压气机转子，相当于F100的9级高压压气机转子的增压比。显然，该高压压气机转子能大大缩短压气机长度，减轻发动机重量②四级先进技术高压压气机转子第四节金属基复合材料的应用由前面的知识可知，采用前掠或后掠式超声速风扇叶片和压气机叶片可以提高压气机的单级增压比，从而减少压气机级数，达到减重的目的。但从另一方面说，前后掠的采用不能减轻单级压气机叶片的重量，因此为进一步减轻压气机的重量，还需要采用一些新技术手段。如：采用复合材料，空心叶片等。第四节金属基复合材料的应用（1）MMC叶片的特点所谓MMC，即空心的，纤维加强的钛金属基复合材料叶片，与普通钛合金叶片相比，可以减重14%，并且在强度、可靠性、抗疲劳寿命和防鸟撞击能力方面均有一定的提高。见图4-14（1）MMC叶片的特点（2）MMC板件的加工首先对钛合金版面进行无损探伤。（3）叶片蒙皮的加工用钛合金控制纤维的间距（4）叶片燕尾锲的加工过程图4-17（5）成形加工图4-18（2）MMC板件的加工4.4.2用复合材料加强压气机轮盘采用非金属复合材料具有重量轻、抗拉强度高、不易疲劳破坏等特点。在高压压气机轮盘上缠绕非金属复合材料后可以大大减轻轮盘的厚度，减轻单级压气机重量的，同时提高轮盘的寿命。4.4.2用复合材料加强压气机轮盘第五节压气机转子减重设计1，轮盘一体化的设计思想安装转子叶片的轮盘不但在叶片安装处很厚，而且轮盘的内部中心孔也很厚，同时轮盘本身也不薄。压气机转子