南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 3压气机 3.1概述 (1)功用 利用涡轮传来的旋转机械功,提高流过气体的压力,以提供发动机工作时所 需要的压缩空气 (2)结构形式 1)按气体流动方向 轴流式 离心式 混合式(前轴后离) 2)按转子数目 单转子 多转子(双或叁)——前级可用作风扇和增压压气机—改善起动性与防 喘 (3)基本设计要求 1)在满足总体性能与可靠性(强刚度与耐久性)要求的条件下,力求紧凑、 轻(注意它们间的相对性,通过平衡、协调,以实现综合指标先进)。 2)具有较宽的工作范围 A.增设附属装置 B.改进参数选择(级压比) 3)工艺性与维护性(叶片多)。 (4)组成 转子、静子、附属装置(进气与防冰、封气、防喘)。 3.2轴流压气机转子 3.2.1功用与组成 *功用:利用高转速带动叶片高效率地对来流作功。 *组成:盘、鼓(轴)与叶片。 3.2.2设计要求(由转速高的特点引出) (1)构件强度、刚性应足够(不破坏、变形量小) (2)联接可靠(保证所需功率的传递) 传力、传扭、定心、定位(由图3-5受力概况引出)。 (3)平衡性好(对称性与定心),否则引起振动(工作时重要振源)。 3.2.3基本类型 (1)鼓式:(叶片可固定在鼓上) *结构简单,质量轻,零件数少;加工方便,成本低;抗弯刚性好(材料集 中在大直径处,故重量轻)。 *强度差。 (2)盘式:(叶片固定在盘上) *强度好(由鼓元分析推论)
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人:能源与动力学院 宋迎东 3 压气机 3.1 概述 (1) 功用 利用涡轮传来的旋转机械功,提高流过气体的压力,以提供发动机工作时所 需要的压缩空气。 (2) 结构形式 1)按气体流动方向 轴流式 离心式 混合式(前轴后离): 2)按转子数目 单转子 多转子(双或叁)── 前级可用作风扇和增压压气机── 改善起动性与防 喘 (3) 基本设计要求 1)在满足总体性能与可靠性(强刚度与耐久性)要求的条件下, 力求紧凑、 轻 (注意它们间的相对性,通过平衡、协调,以实现综合指标先进)。 2)具有较宽的工作范围: A.增设附属装置; B.改进参数选择 (级压比) 3)工艺性与维护性(叶片多)。 (4) 组成 转子、静子、附属装置(进气与防冰、封气、防喘)。 3.2 轴流压气机转子 3.2.1 功用与组成 * 功用:利用高转速带动叶片高效率地对来流作功。 * 组成:盘、鼓(轴)与叶片。 3.2.2 设计要求 (由转速高的特点引出) (1) 构件强度、刚性应足够(不破坏、变形量小) (2) 联接可靠 (保证所需功率的传递) 传力、传扭、定心、定位 (由图 3-5 受力概况引出)。 (3) 平衡性好(对称性与定心),否则引起振动(工作时重要振源)。 3.2.3基本类型 (1) 鼓式: (叶片可固定在鼓上) * 结构简单,质量轻,零件数少;加工方便,成本低;抗弯刚性好 (材料集 中在大直径处,故重量轻)。 * 强度差。 (2) 盘式:(叶片固定在盘上) * 强度好 (由鼓元分析推论)
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 *抗弯刚性差(仅由转轴承受);传递扭矩和定心困难(因为联接半径小,受 切力与相对变形大);盘轴结构易振动。 *适于单盘转子或小流量发动机;目前,加强盘式转子(定距环不传扭)运用 较广(spey、WP7、W15低压) (3)混合式(鼓盘混合):(叶片固定在盘上,盘间藉鼓相联) *综合鼓、盘式的特点,“取长补短”,运用广 3.2.4盘鼓(轴)间联接 *单个零件的强度与刚性计算由专门课程介绍。 *联接结构以传力、传扭、定位、定心为主。 为保证平衡性,“定心”结构为重点。 3.2.4.1定心联接结构 (1)“定心”的概念 (2)基本形式(不同联接形式,将会获得不同定心效果) A.“强制式”定心联接 B.“自主式”定心联接 C.径向补偿结构: (3)按“用途”分类 工艺定心—加工时采用(顶针孔) 装配定心—装配时采用(园柱面紧度配合) 工作(热)定心——工作(或受热)时,要求被联接件间的自由变形差不 致引起定心失效 3.2.4.2盘鼓(轴)所在半径位置分析 *上述定心结构引出的变形差与盘鼓(轴)所在半径密切相关。 *由盘、鼓径向位移分布看出:旋转时,在U盘=U鼓处对应的半径称为 恰当半径 R恰的特性 结构分析 传力、传扭、定位 先介绍图3-5受力概况) 轴流压气机系由串级而成。因此对于它的传力、传扭与定位均存在因串级累 积的现象,必须予以注意。 (1)J57 (4)CFM56 3.2.5工作叶片及其固定 3.2.5.1设计要求 特点:单薄、量多、尺寸形状复杂
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人:能源与动力学院 宋迎东 * 抗弯刚性差 (仅由转轴承受);传递扭矩和定心困难(因为联接半径小,受 切力与相对变形大);盘轴结构易振动。 * 适于单盘转子或小流量发动机;目前,加强盘式转子(定距环不传扭)运用 较广 (spey、WP7、WP15 低压)。 (3) 混合式(鼓盘混合): (叶片固定在盘上,盘间藉鼓相联) * 综合鼓、盘式的特点,“取长补短”,运用广。 3.2.4 盘鼓(轴)间联接 * 单个零件的强度与刚性计算由专门课程介绍。 * 联接结构以传力、传扭、定位、定心为主。 为保证平衡性,“定心”结构为重点。 3.2.4.1 定心联接结构 (1) “定心”的概念 (2) 基本形式 (不同联接形式,将会获得不同定心效果) A.“强制式”定心联接 B.“自主式”定心联接 C.径向补偿结构: (3) 按“用途”分类: 工艺定心── 加工时采用(顶针孔) 装配定心── 装配时采用(园柱面紧度配合) 工作(热)定心── 工作(或受热) 时,要求被联接件间的自由变形差不 致引起定心失效 3.2.4.2 盘鼓(轴)所在半径位置分析 * 上述定心结构引出的变形差与盘鼓(轴)所在半径密切相关。 * 由盘、鼓径向位移分布看出:旋转时,在U盘=U鼓处对应的半径称为 恰当半径。 (1) R恰 的特性 (2) 结构分析 3.2.4.3 传力、传扭、定位、定心: (先介绍 图 3-5 受力概况) 轴流压气机系由串级而成。因此对于它的传力、传扭与定位均存在因串级累 积的现象,必须予以注意。 (1) J57 (2) spey (3) WP6 (4) CFM56 3.2.5 工作叶片及其固定 3.2.5.1 设计要求 特点:单薄、量多、尺寸形状复杂
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 组成:叶身+榫头 (1)强度突出(拉断、疲劳、打伤与腐蚀) (2)刚性合理,尤其要注意振动特性; (3)工艺要求高、制造精度高; (4)便于维修与更换。 3.2.5.2叶身特点 (1)造型(叶型与扭曲规律,截面积与重心分布规律)——由专门课程讨论 (2)阻尼凸台(为抗振与抗外物用)与叶冠。 (3)增加前缘半径的可扩散叶型和宽弦比叶片(为抗外物)。 3.2.5.3榫头及其联接 (1)“销钉式”榫头 (2)“燕尾式”榫头: (3)“枞树式”榫头:(在涡轮章节介绍) 3.3轴流压气机静子 组成:机匣与整流器 特点:(1)系属承力、传力薄壁件 (2)构成气流通道; (3)与转子结构形式密切相关(装配与封严等)。 3.3.1设计要求 (1)在重量轻条件下,具有足够刚性与强度,通常指周向刚性均匀与局部强 度足够 (2)提高效率,减少漏气.通常指叶尖与级间封严。 (3)装配、维护与工艺 (4)包容性.防止二次损伤(破损安全设计)。 3.3.2机匣 3.3.2.1按结构方案划分 (1)不可分解式(整体式 *重量轻、结构简单;周向刚性均匀突出, *装配性差;中间级检查困难。 *转子与机匣至少有一为可分解的;对于多级者,通常不采用等外径机匣; (2)可分解式 *装配性获得明显改善。 *注意结合面气密性(注意安装边结构与螺栓密度,不许采用软质垫圈或垫 *重量稍有增加(因为有安装边)。 1.按剖分方向划分 i)横向剖分
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人:能源与动力学院 宋迎东 组成:叶身+榫头 (1) 强度突出 (拉断、疲劳、打伤与腐蚀); (2) 刚性合理,尤其要注意振动特性; (3) 工艺要求高、制造精度高; (4) 便于维修与更换。 3.2.5.2 叶身特点 (1) 造型 (叶型与扭曲规律,截面积与重心分布规律)── 由专门课程讨论。 (2) 阻尼凸台 (为抗振与抗外物用) 与叶冠。 (3) 增加前缘半径的可扩散叶型和宽弦比叶片(为抗外物)。 3.2.5.3 榫头及其联接 (1)“销钉式”榫头: (2) “燕尾式”榫头: (3) “枞树式”榫头:(在涡轮章节介绍) 3.3 轴流压气机静子 组成:机匣与整流器。 特点:(1) 系属承力、传力薄壁件; (2) 构成气流通道; (3) 与转子结构形式密切相关(装配与封严等)。 3.3.1 设计要求 (1) 在重量轻条件下,具有足够刚性与强度,通常指周向刚性均匀与局部强 度足够。 (2) 提高效率,减少漏气.通常指叶尖与级间封严。 (3) 装配、维护与工艺。 (4) 包容性.防止二次损伤(破损安全设计)。 3.3.2 机匣 3.3.2.1 按结构方案划分: (1) 不可分解式(整体式) * 重量轻、结构简单;周向刚性均匀突出。 * 装配性差;中间级检查困难。 * 转子与机匣至少有一为可分解的;对于多级者,通常不采用等外径机匣; (2) 可分解式 * 装配性获得明显改善。 * 注意结合面气密性(注意安装边结构与螺栓密度, 不许采用软质垫圈或垫 片)。 * 重量稍有增加(因为有安装边)。 1. 按剖分方向划分 i) 横向剖分:
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 *周向刚性均匀,且获加强 *重量较大,适于级数少,故而除风扇外,压气机采用不多 ii)纵向剖分: *装配性好,易于检查。 *周向刚性不均匀,必须注意之。 *工艺复杂 成对的半机匣不允许互换(防错设讠 ii)混合剖分: WP6纵(装配检査)横(材料不同)剖分结合 WP7整体分段与纵横剖分结合 2.按使用性质划分 i)装配剖分——保证装拆与工作定位 ii)工艺剖分—由材料不同与便于加工而设置 EX: WP6 3.3.2.2按材料与施工 (材料毛坯与施工方法密切相关) (2)锻造 (3)钣材 3.3.2.3风扇机匣特殊要求(具有强调作用) (1)包容性(环、筋与加强壁、外表面缠包数十层玻纤布组成包容机匣,以及 双层机匣等) (2)降噪音(内壁面装有玻纤和环氧泡沬塑料等吸音材料) 3)注意安置宜于外物排放的通道; (4)刚性强(直径大,且为主安装痤) 3.3.3整流器 功用:将气体动能高效地转化成压力能,且以一定方向排出 结构形式:主要取决于机匣、转子形式及叶片的长短。 3.3.3.1按叶片固定支点形式:(仅用示意图,暂不讲结构) (1)单支点——根部(外端)固定在机匣上,叶片呈悬臂式,其通道内壁由 转子构成。 (2)双支点一框式(暴露新矛盾) 3.3.3.2按固定形式:(讲结构) (1)T型(或燕尾型)榫头(SPEY) *结构简单,联接可靠,装拆方便(要有周向止动螺钉(块),适用于纵向剖 分机匣 *机匣厚,环形槽难加工与检査。 (2)柱形榫头(WP6)
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人:能源与动力学院 宋迎东 * 周向刚性均匀,且获加强。 * 重量较大,适于级数少,故而除风扇外,压气机采用不多。 ii) 纵向剖分: * 装配性好,易于检查。 * 周向刚性不均匀,必须注意之。 * 工艺复杂。 成对的半机匣不允许互换 (防错设计) iii) 混合剖分: WP6 纵(装配检查)横(材料不同)剖分结合 WP7 整体分段与纵横剖分结合 2. 按使用性质划分 i) 装配剖分── 保证装拆与工作定位 ii) 工艺剖分── 由材料不同与便于加工而设置 EX:WP6 3.3.2.2 按材料与施工 (材料毛坯与施工方法密切相关) (1) 铸造 (2) 锻造 (3) 钣材 3.3.2.3 风扇机匣特殊要求 (具有强调作用) (1) 包容性(环、筋与加强壁、外表面缠包数十层玻纤布组成包容机匣,以及 双层机匣等); (2) 降噪音(内壁面装有玻纤和环氧泡沫塑料等吸音材料); (3) 注意安置宜于外物排放的通道; (4) 刚性强(直径大,且为主安装痤)。 3.3.3 整流器 功用:将气体动能高效地转化成压力能,且以一定方向排出。 结构形式:主要取决于机匣、转子形式及叶片的长短。 3.3.3.1 按叶片固定支点形式:(仅用示意图,暂不讲结构) (1) 单支点── 根部(外端)固定在机匣上,叶片呈悬臂式, 其通道内壁由 转子构成。 (2) 双支点── 框式(暴露新矛盾) 3.3.3.2 按固定形式 :(讲结构) (1) T型(或燕尾型)榫头(SPEY) * 结构简单,联接可靠,装拆方便(要有周向止动螺钉(块), 适用于纵向剖 分机匣)。 * 机匣厚,环形槽难加工与检查。 (2) 柱形榫头 (WP6)
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 *加工方便(准确度易保证) 机匣薄(2.5mm) 机开北多工做度,刚继剧按多,不适于接 (3)焊接在中间环(WP6,J57)或机匣上(WP7) *生产率高 重量轻(叶片可用钣材) *更换叶片困难(死结构) 工艺要求高:WJ6—翼型孔冲压工艺(前后缘易磨损) J57—叶片作冲头时要先作硬化处理(先硬后退) WP7一由叶冠点焊能保证精度。 3.4防属装置 3.4.1进气装置 功用:为压气机提供良好的进气条件(流量与畸变度)。 1)要求(不同机种,有所侧重) (2)防冰措施 (3)防外物打伤措施 3.4.2防喘装置 3.4.2.1防喘原理 *现象:低转速、猛推油门、开炮废气以及进气畸变时,都可能出现整机不 稳定工作(低频喘振)∽>强烈振动和熄火,甚至叶片拆断 *功用:用于扩大稳定工作范围(尤其是高压比) *机理(原理):由前几级分离而引起的。 *防喘措施:(由速度三角形引出) 降低u一多转子(目前运用甚广,在此不作介绍)。 提高Ca-中间级放气、机匣处理(改善局部叶高分离)。 改变静叶角一可旋导叶与整流叶片。 4.2.2放气装置 *(优)一防喘;且能改善启动性。 *(缺)一有能量损失,因此额定工况不用;连续调节困难 (1)钢带式(WP6、SPEY) *放气均匀;结构简单;迎面积小。 *密封性差(注意W6的材料差异影响);放气量不可调;对机匣削弱较大 (故仅能用于一级)。 (2)活门(活塞)式 优、缺点与上述相反(可调量有限) 3.4.2.3可旋导叶与整流静叶 *连续可调、效率高、迎面积小
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人:能源与动力学院 宋迎东 * 加工方便(准确度易保证) 机匣薄(2.5mm) * 机匣开孔多─┬─ 强度、刚性削弱较多,不适于焊接 └─ 应有专门密封措施 (3) 焊接在中间环(WP6,J57)或机匣上(WP7) * 生产率高 重量轻(叶片可用钣材) * 更换叶片困难(死结构); 工艺要求高: WJ6─ 翼型孔冲压工艺(前后缘易磨损)。 J57─ 叶片作冲头时要先作硬化处理(先硬后退)。 WP7─ 由叶冠点焊能保证精度。 3.4 防属装置 3.4.1进气装置 功用:为压气机提供良好的进气条件(流量与畸变度)。 (1) 要求 (不同机种,有所侧重) (2) 防冰措施 (3) 防外物打伤措施 3.4.2 防喘装置 3.4.2.1 防喘原理 * 现象:低转速、猛推油门、开炮废气以及进气畸变时, 都可能出现整机不 稳定工作(低频喘振)─>强烈振动和熄火,甚至叶片拆断 * 功用:用于扩大稳定工作范围(尤其是高压比) * 机理(原理):由前几级分离而引起的。 * 防喘措施: (由速度三角形引出) 降低u─ 多转子(目前运用甚广,在此不作介绍)。 提高 Ca─ 中间级放气、机匣处理(改善局部叶高分离)。 改变静叶角─ 可旋导叶与整流叶片。 3.4.2.2 放气装置 * (优) ─ 防喘; 且能改善启动性。 * (缺) ─ 有能量损失,因此额定工况不用; 连续调节困难。 (1) 钢带式 (WP6、SPEY) * 放气均匀;结构简单;迎面积小。 * 密封性差 (注意 WP6 的材料差异影响);放气量不可调;对机匣削弱较大 (故仅能用于一级)。 (2) 活门(活塞)式 优、缺点与上述相反(可调量有限) 3.4.2.3可旋导叶与整流静叶 * 连续可调、效率高、迎面积小
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 *结构复杂,应注意 a.干涉性(操纵环与叶片的轴线不同,其传动机构易干涉) b.密封性(机匣开孔,且有相对运动) c.同步性(同级与不同级间) 3.4.2.4处理机匣 其能改善首级叶尖的分离,使由旋转失速与进气畸变引起的喘振得以缓和。 (见图) 3.4.3封气装置 *封严装置用于静转子间需封严的相对运动部位。 *仅介绍气路系统中常用的非接触式结构——蓖齿封气装置 3.5材料 普遍存在的问题:不太懂一>不重视。 学习目的:了解它一〉选用它 3.5.1重要性 (1)发动机性能提高受到材料发展的制约。 *“产业革命”重要标志之一是新材料的出现; *钛、复合材料的出现,对压气机性能有着大幅度的提高。 (2)经济性、工艺性以及结构设计都与材料的选用密切相关。 *矿产资源、冶炼水平、成型技术 *结构设计(包括表面保护和热处理、粘结、机械联接等技术)受特定材料( 复合材料)的性能影响 (3)故障分析通常以材料分析(组织、元素与断口)为先导 3.5.2选材原则与要求 1)原则 (2)要求 5.3典型新材料 常用的有、铝、镁。可由图简介之,重点介绍如下 1)钛合金 *比强大,储量多,阻尼性好。 *温度介于钢、铝之间。 *加工困难,冷加工与不锈钢相近(质粘、硬度不高,刀具磨损)。 热加工易吸氮、氢、氧而发脆。 冷压加工易开裂( SIGMA0.2/ sigma b=0.80.9)。 对缺口敏感( SIGMA-1/ SIGMA b较低)。 导磁率、导热系数低。 减磨性差、易着火 (2)复合材料
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人:能源与动力学院 宋迎东 * 结构复杂,应注意: a.干涉性 (操纵环与叶片的轴线不同,其传动机构易干涉) b.密封性 (机匣开孔,且有相对运动) c.同步性 (同级与不同级间) 3.4.2.4处理机匣 其能改善首级叶尖的分离,使由旋转失速与进气畸变引起的喘振得以缓和。 (见图) 3.4.3封气装置 * 封严装置用于静转子间需封严的相对运动部位。 * 仅介绍气路系统中常用的非接触式结构── 蓖齿封气装置。 3.5材料 普遍存在的问题:不太懂─> 不重视。 学 习 目 的:了解它─> 选用它。 3.5.1重要性 (1) 发动机性能提高受到材料发展的制约。 * “产业革命”重要标志之一是新材料的出现; * 钛、复合材料的出现,对压气机性能有着大幅度的提高。 (2) 经济性、工艺性以及结构设计都与材料的选用密切相关。 * 矿产资源、冶炼水平、成型技术; * 结构设计(包括表面保护和热处理、粘结、机械联接等技术 )受特定材料( 复合材料)的性能影响。 (3) 故障分析通常以材料分析(组织、元素与断口)为先导。 3.5.2选材原则与要求 (1) 原则 (2) 要求 3.5.3典型新材料 常用的有、铝、镁。可由图简介之,重点介绍如下: (1) 钛合金 * 比强大,储量多,阻尼性好。 * 温度介于钢、铝之间。 * 加工困难,冷加工与不锈钢相近(质粘、硬度不高,刀具磨损)。 热加工易吸氮、氢、氧而发脆。 冷压加工易开裂 (SIGMA 0.2/SIGMA b=0.8 ̄0.9)。 对缺口敏感 (SIGMA -1/SIGMA b 较低)。 导磁率、导热系数低。 减磨性差、易着火。 (2) 复合材料
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案编写人:能源与动力学院宋迎东 *比强特大(可达钛的3.5倍),比刚度也大(频率);减振性好(多层阻尼), 抗疲劳性好(多层复合)。 *但温度低、抗冲击差(脱层)、质量不稳定(手工 *碳-铝纤维复合材料用于风扇机匣、压气机叶片(比强为钛合金1.5倍)
南京航空航天大学《航空发动机构造》教案 编写人:能源与动力学院 宋迎东 * 比强特大(可达钛的 3.5 倍),比刚度也大(频率);减振性好(多层阻尼) , 抗疲劳性好(多层复合)。 * 但温度低、抗冲击差(脱层)、质量不稳定(手工)。 * 碳-铝纤维复合材料用于风扇机匣、压气机叶片 (比强为钛合金 1.5 倍)