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22 57 NPU ZhaoMing 1 目录绪论压气机涡轮燃烧室尾喷管总体结构受力分析 航空发动机结构分析 西北工业大学 22 57 NPU ZhaoMing 2 概论发动机是飞机上的动力装置 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 只是在使用了活塞式内燃机以后 才在20世纪初把第一架飞机送上蓝天 二战后 由于喷气发动机的迅速发展 活塞式发动机逐渐被淘汰 20世纪60年代 由于涡扇发动机的问世 大大降低了耗油率 才有可能设计制造成大型喷气飞机 大幅度提高载重量和航程 燃气涡轮发动机大大提高了战斗机的性能 使其飞行速度达到2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 22 57 NPU ZhaoMing 3 航空发动机研究工作的特点技术难度大一台发动机内有十几个部件和系统及数万个零件研制一种新的发动机需要1万小时的整机试验和10万小时的部件和系统试验 周期长先进发动机的研制周期为9 15年 F119从1986年开始到2005年投入使用 前后达19年 费用高F119的研制费用超过20亿美元 发动机的研究和发展费用占航空总费用的1 4 22 57 NPU ZhaoMing 4 军用发动机设计要求A性能要求 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 加减速性能 引气量 功率提取和过载 B适用性要求 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 C结构和安装要求 包括安装节位置 外廓尺寸 重量和重心位置 22 57 NPU ZhaoMing 5 D可靠性要求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 E维修性要求 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发动机时间等 F其他要求 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矢量推力 22 57 NPU ZhaoMing 6 航空发动机分类 在过去的一个航空百年里 人类所使用的主要的航空发动机 可分为两大类 1 活塞式发动机冷却方式 液冷式 气冷式 气缸排列方式 星形 V形 直列式 对列式 X形 2 空气喷气式发动机无压气机 冲压式发动机 脉动式发动机 有压气机 涡轮喷气发动机 涡轮风扇发动机 涡轮螺旋桨发动机 涡轮轴发动机 浆扇发动机 22 57 NPU ZhaoMing 7 22 57 NPU ZhaoMing 8 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涡轮喷气发动机 涡喷 WP 涡轮螺浆发动机 涡浆 WJ 涡轮风扇发动机 涡扇 WS 涡轮轴发动机 涡轴 WZ 螺浆风扇发动机 浆扇 JS 22 57 NPU ZhaoMing 9 1 WP主要部件 进气装置 压气机 燃烧室 燃气涡轮 尾喷管 加力燃烧室 特点 1 涡轮只带动压气机压缩空气 2 发动机的全部推力来自高速喷出的燃气所产生的反作用力 22 57 NPU ZhaoMing 10 2 WJ主要部件 压气机 燃烧室 燃气涡轮 尾喷管 减速器特点 涡轮不仅带动压气机压缩空气 还带动螺浆产生拉力 发动机推力来自两个部分 一部分是由高速喷出的燃气所产生的反作用力 10 一部分涡轮带动螺浆产生前进的拉力 90 22 57 NPU ZhaoMing 11 3 WS主要部件 风扇 外涵道 内涵道 压气机 燃烧室 涡轮 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 涵道比 流量比 外 内涵道空气流量之比 22 57 NPU ZhaoMing 13 4 WZ发动机主要部件 进气道 压气机 燃烧室 动力涡轮 自由涡轮 尾喷管特点 通常带有自由涡轮 而其他形式的涡轮喷气发动机一般没有自由涡轮 22 57 NPU ZhaoMing 14 5桨扇发动机螺桨风扇发动机是一种介于涡扇发动机和涡桨发动机之间的一种发动机形式 它既可看作带除去外涵道的大涵道比涡扇发动机 又可看作高速先进螺桨的涡桨发动机 因而兼有前者飞行速度高和后者耗油率低的优点 目前正处于研究和实验阶段 桨扇发动机的概念研究始于70年代中期 80年代后半期已完成地面和飞行验证试验 基本达到预期目标 由于航空公司的综合经济因素和公众接受心理等种种原因 桨扇发动机尚未进入实用阶段 22 57 NPU ZhaoMing 15 桨扇发动机的关键部件是先进高速螺桨 它带有多个宽弦 薄叶型的后掠桨叶 能在飞行马赫数0 8下保持较高的效率 见图1 6 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 22 57 NPU ZhaoMing 16 使用最广泛的燃气涡轮发动机 加力的涡喷发动机加力的涡扇发动机燃气涡轮发动机的共同特点 获得高温高压燃气 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 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 22 57 NPU ZhaoMing 17 核心发动机 燃气发生器 发生燃气的部件 即压气机 燃烧室和涡轮称为燃气发生器 由于它处于发动机的核心部位 故又称为核心发动机 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 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 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 22 57 NPU ZhaoMing 18 燃气涡轮发动机的主要性能参数推力单位推力推重比单位迎面推力单位燃油消耗率增压比涡轮前燃气温度涵道比 22 57 NPU ZhaoMing 19 燃气涡轮发动机的基本机理 喷气推进原理 喷气推进是牛顿第三定律 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 的实际应用 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 力 根据牛顿第三定律 就飞机推进而言 物体 是通过发动机时受到加速的大气中的空气 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 速度越大 所产生的推力也就越大 22 57 NPU ZhaoMing 20 燃气涡轮发动机的工作循环 22 57 NPU ZhaoMing 21 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缩空气 结构类型 轴流式离心式混合式 主要性能指标 增压比效率外廓尺寸和重量工作可靠性制造和维修费用 22 57 NPU ZhaoMing 22 轴流式压气机的特点 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 22 57 NPU ZhaoMing 23 离心式压气机的特点 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 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用混合式压气机 22 57 NPU ZhaoMing 24 轴流式压气机的构成 由转子和静子组成 转子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 从受力的角度分析 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 静子是静子组合件的总称 包括机匣和整流器 静子所承受的负荷基本上是气体力和力矩 以及周期性的惯性力 22 57 NPU ZhaoMing 25 压气机的主要特点 从结构设计的角度来讲 转速高 每分钟达数千或数万转 如JT8D 9发动机高 低压转速分别为12250 8600r min 转速高的优点 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 满足发动机性能设计的最基本要求 转速高的缺点 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 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 转子结构设计的基本问题就是针对这些缺点而进行的 22 57 NPU ZhaoMing 26 压气机转子上的负荷 见图3 5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 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 良好的定心和平衡 足够的刚性 这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 22 57 NPU ZhaoMing 27 压气机转子的基本结构型式1鼓式转子2盘式转子3盘鼓式 混合式 转子 压气机转子的基本型式 22 57 NPU ZhaoMing 28 转子叶片与轮盘的连接转子叶片的组成 转子叶片是轴流式压气机最重要的零件之一 它主要由叶身和榫头组成 在有些长叶片上 或者在激振力比较强的区域内工作的叶片叶身上还带有阻尼台 22 57 NPU ZhaoMing 29 轴流式压气机转子叶片榫头的型式 1 销钉式榫头结构简单 工艺简单 尺寸重量大 承载能力低 2 燕尾形榫头尺寸小 重量轻 承载能力强 加工方便 根部有应力集中 3 枞树形榫头尺寸重量小 承载能力最强 应力集中最严重 加工精度高 22 57 NPU ZhaoMing 30 22 57 NPU ZhaoMing 31 22 57 NPU ZhaoMing 32 静子部件的组成 静子是压气机中不旋转的部分 整流器机匣 整流器 由机匣和静子叶片组成 机匣 静子叶片 22 57 NPU ZhaoMing 33 整流器机匣的结构 1 是一个圆柱形或圆锥形的薄壁圆筒 2 前后与其它机匣联接 3 内壁上有固定整流叶片的各种型式的构槽 4 发动机转子支承在机匣内 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 整流器机匣的负荷静子的重量 惯性力 内外空气压差 扭矩 轴向力 弯矩 热载荷 振动载荷 它是发动机的主要承力壳体之一 也是气流通道的外壁 22 57 NPU ZhaoMing 34 整流器机匣的结构设计的基本要求 1 重量轻 具有足够的强度 可靠承受各种载荷 2 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 3 保证各段机匣之间的同心和机匣与转子的同心 4 具有包容性 保证在叶片折断或轮盘破裂不被击穿 5 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 6 装配方便 工艺性好 维修性好 具有可检测性 22 57 NPU ZhaoMing 35 整流器机匣的结构方案 1 整体式 2 分半式 纵剖结构 3 分段式 横剖结构 22 57 NPU ZhaoMing 36 整流器安装在机匣内 位于两级转子之间 因此转子和机匣的方案决定整流器的方案 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式的榫头直接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1 用榫头 2 用螺钉 3 通过焊接 22 57 NPU ZhaoMing 37 整流器的固定方式有些整流器是有内环的 双支点 有些则没有内环 单支点 有些整流器前几级为双支点 后几级则为单支点 作用在整流器叶片上的气动负荷是不大的 但是由于气流脉动导致叶片振动裂纹却往往是叶片损坏的一个主要原因 因此 将叶片内端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 22 57 NPU ZhaoMing 38 应用附属装置的原因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属装置和系统 主要的附属装置和系统 封气装置 防冰系统 防喘振系统 压气机气流控制系统 间隙控制装置 22 57 NPU ZhaoMing 39 封气装置原因 在压气机转子和静子之间 转子前 后端面与机匣间都存在着漏气损失 严重影响着压气机的效率 减少漏气量的方法 1 正确选择合适的间隙2 采用封气装置 22 57 NPU ZhaoMing 40 防冰系统原因 冰层会破坏发动机的性能 1 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 从而引起发动机性能损失并可能使发动机发生故障 2 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坏 防冰系统必须保证在飞机飞行范围内有效地防止结冰 22 57 NPU ZhaoMing 41 功能 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 气流在涡轮中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 22 57 NPU ZhaoMing 42 涡轮部件的基本构成转子部件转子叶片涡轮盘涡轮轴轴承系统 封严系统的构件 静子部件 导向叶片 又称静子叶片 简称导叶 涡轮机匣轴承座承力机匣及各种静子件 有叶片排的流道构成了涡轮的主燃气气流流道 一排导向叶片及紧跟其后的一排转子叶片构成一个涡轮级 多级涡轮是由多个涡轮级组成 含导向叶片排的组件称为导向器 含转子叶片的组件称为工作轮 22 57 NPU ZhaoMing 43 轴流式涡轮和向心 径向式 涡轮结构类型 按燃气流动的方向分为径向式涡轮与轴流式涡轮 径向式涡轮 又称向心式涡轮 燃气通常由外围流向中心 特点 级功率大 工作可靠性好 应用 小型航空发动机 小型燃气轮机等 轴流式涡轮特点 尺寸小 流量大 效率高 应用 大型航空发动机 大功率的动力装置等 22 57 NPU ZhaoMing 44 涡喷6发动机涡轮部件组成 单转子双级轴流式涡轮 由转子 静子两部分组成 涡轮转子是悬臂不可拆卸的鼓盘式转子 两级转子叶片借枞树形榫头安装在相应的轮盘上 并用锁片固定 涡轮静子由前后两段组成 前段为能传递负荷的一级导向器 后段为具有双层冷却机匣的二级导向器 图4 2涡喷6发动机涡轮部件 22 57 NPU ZhaoMing 45 盘与轴连接的方式 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 径向销钉优点 结构简单 加工方便 强度 刚度均较满意 具有一定的热节流作用 应用 WP6WP7 22 57 NPU ZhaoMing 46 组成 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设计要求 与压气机静子相比 设计中要解决以下特殊矛盾 1 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 又要保证工作时转子与静子不致碰坏 2 导向器承受高温燃气冲击 要处理好传力和自由膨胀的问题 3 在结构上不仅要满足导向器排气面积的变化 而且要考虑热应力 热疲劳 热变形以及热冲击等的影响 22 57 NPU ZhaoMing 47 涡轮机匣大多采用整体式 为了装配方便 采用轴向分段 近代发动机采用单元体结构设计 一般将高低压涡轮划分为两个单元 因此涡轮机匣按高低压段沿轴向划为两段 分段处采用圆柱面定心 有的发动机在装配时靠千万表调整所需的位置 再用精密螺栓固定 见图4 32 有的发动机靠安装边上的紧度销钉来定心 见图4 33 22 57 NPU ZhaoMing 48 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大 根据估计 一台先进的双级涡轮发动机若径向间隙增加1mm 则涡轮效率降低约2 5 将引起发动机耗油率增加约2 5 所以在进行涡轮机匣分析时 1 要保证涡轮的径向间隙沿圆周方向均匀分布 2 要尽量减小径向间隙 又不使转子与机匣发生碰撞事故 22 57 NPU ZhaoMing 49 影响涡轮的径向间隙的因素主要有 1 工作时由于离心力和热膨胀引起叶片和轮盘的伸长 2 工作时机匣受热膨胀及不均匀变形 3 高温工作带来转子的蠕变伸长等4 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 5 结构型式带来的工作中径向间隙的变化 6 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 特别是当发动机过渡工作时 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 22 57 NPU ZhaoMing 50 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 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 开式回路闭式回路 感受间隙 调节间隙开式回路 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 以控制机匣的膨胀 机械式 为RB211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 以调整叶尖间隙 22 57 NPU ZhaoMing 51 涡轮导向器功能 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 组成 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 高温燃气作用下 不作为承力件热变形不协调 自由热补偿交变温度 热冲击 热疲劳 加温冷却设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 可分解的 便于制造和更换 材料 高温合金结构 实心叶片 铸造方便 但叶片内热应力较大 空心叶片 精铸工艺复杂 但叶片的工作温度较低 热应力较小 22 57 NPU ZhaoMing 52 第一级导向器设计要求 1 采用有效的冷却措施 因为第一级导向器紧接在燃烧室的出口 工作温度最高 温度最不均匀 通常都采用有效的冷却措施 2 支承形式 为了保证叶片具有足够的刚性 采用了两端与机匣 即双支点 的结构 3 可调排气面积 第一级导向器的排气面积对发动机的性能影响较大 因此要求较严 结构上通常允许调整 导向叶片的联接方式1 两端自铰支2 一端固定 一端铰支3 叶片组 由两片或更多片导向叶片固接在一起形成叶片组 22 57 NPU ZhaoMing 53 涡轮是发动机中热负荷和动力负荷最大的部件 随着推重比的逐年提高 涡轮前进口燃气温度也逐年提高 不仅由于高温材料性能的改进 更重要的是冷却技术的提高 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热应力 以及它们与冷却措施间的关系 据统计 涡轮前温度平均每年升高大约25 其中15 左右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 22 57 NPU ZhaoMing 54 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 计算法和试验法 转子叶片的温度分布由图可见 当燃气温度沿径向不变时 沿大部分叶高 温度都是不变的 只有从距叶根1 3处开始 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 22 57 NPU ZhaoMing 55 涡轮盘温度的分布燃气中的热量由转子叶片经过榫头传到涡轮盘 因此轮盘边缘温度高 中心温度低 当燃气温度 820 900度 采用径向吹风冷却的轮盘 轮缘温度为500 600度 轮心温度为200 400度 温度随半径的变化规律大致按二次抛物线规律变化 轮缘处的温度由叶片根部的温度和榫头中的温降决定 22 57 NPU ZhaoMing 56 涡轮部件冷却的目的1 提高涡轮前的温度 进而提高发动机的性能2 降低零件工作温度3 使零件温度分布均匀 减小热应力涡轮部件冷却原则1 需要冷却的部件 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 榫头处必须冷却 榫头吹风 热节流 轴承必须冷却 2 从什么地方引入冷却空气 3 冷却空气最后的排出 下面对涡轮部件的冷却系统 涡轮盘与叶片的冷却方式分别进行分析 22 57 NPU ZhaoMing 57 涡轮部件的空气冷却系统主要冷却对象是榫头 轮盘 承力环 第一级导向叶片 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出 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 如烧毁叶身 叶身因蠕变过大形成缩颈 叶身进 排气边缘裂纹等现象 22 57 NPU ZhaoMing 58 引用冷却空气应考虑的因素压力 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 流阻 的影响 而且要考虑排放冷却空气处的空气压力 流量 冷却空气的流量由冷却的要求决定 温度 冷却空气温度应该低于冷却对象的工作温度 清洁 冷却空气必须是干净的 整个冷却系统的设计要求 1 冷却的有效性 2 对发动机的主流道的流动影响尽可能小 3 构造简单 工作可靠 4 转子轴向力的调整 22 57 NPU ZhaoMing 59 WP6发动机涡轮部件冷却系统图冷却涡轮的空气由燃烧室两股气流中分两路引来 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的180个小孔A引入 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 另一部分空气冷却涡轮外环 并对其起隔热作用 2 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通气孔去冷却第一 二级轮盘及第一 第二级叶片榫头 冷却后的空气进入燃气流中 22 57 NPU ZhaoMing 60 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 由轮缘传向轮毂 常用的冷却方式为 1 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 2 空气吹过叶片根部或榫头的装配间隙 22 57 NPU ZhaoMing 61 WP7涡轮盘冷却气流图冷却空气沿轮盘的前面由里向外径向吹风 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 P29涡轮盘冷却气流图 在P29发动机中轮盘前后端均采用由外向里的空气冷却流路 形成两股并联的流路 这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 22 57 NPU ZhaoMing 62 22 57 NPU ZhaoMing 63 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方式的不同加以区分 通常有下列几种方式 对流冷却 冷却空气从叶片内若干专门的通道流过 通过与壁面的热交换 将热量带走 从而使叶片温度降低 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 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 在叶片表面形成一层气膜 将叶片表面与高温燃气隔开 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 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冷却的效果 22 57 NPU ZhaoMing 64 主燃烧室的功能 用来将燃油中化学能转变为热能 将压气机增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 燃烧室的设计要求1 在发动机正常工作状态下 保证混合气稳定而完全地燃烧 2 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 3 足够的强度与刚性 良好的冷却 可靠的热补偿 4 外壳尺寸和重量要小 有着高的容热强度 5 结构要简单 有良好的使用性能 6 在任何飞行条件下 应能迅速和可靠地起动点火 22 57 NPU ZhaoMing 65 工作条件 非常恶劣 燃烧是在高速气流及贫油混合气的条件下进行的 燃烧室的主要组件是在高温大负荷燃气流中工作的 如何保证燃烧室工作稳定且燃烧完全呢 1 采用 空气分股 或 火焰筒分区 的措施来解决稳定燃烧和涡轮前允许温度对混合气成分要求不一致的矛盾 即在燃烧室局部区域 火焰筒前段燃烧区 内造成适宜于稳定燃烧的条件 2 采用 扩压减速 和 反向回流 的措施来解决稳定燃烧和外廓对气流速度要求不一致的矛盾 在流速普遍大的区域内 造成局部的低速区 以保证稳定燃烧 3 在燃烧室内形成非均一的混合气 以适应飞行条件和工作状态的变化 22 57 NPU ZhaoMing 66 燃烧室的组成 进气装置 扩压器 壳体火焰筒燃油喷嘴点火器等燃烧室的基本类型 分管 单管 环管环形燃烧室 22 57 NPU ZhaoMing 67 22 57 NPU ZhaoMing 68 22 57 NPU ZhaoMing 69 排气装置 指涡轮或加力燃烧室以后组织排气的构件 其组成和结构方案取决于发动机和飞机的类别及用途 组成 尾喷管 发动机必不可少的一个部件 反推力装置 消音装置 根据发动机和飞机的特殊需求而设置 对于涡扇发动机来说有两种排气装置 分别排气 混合排气 内 外函分别排气装置又分长函道和短函道 采用混合排气一般可使风扇发动机的耗油率和噪音降低 22 57 NPU ZhaoMing 70 WP5发动机的尾喷管为不可调节的收敛型尾喷管中介管壳体4 整流锥5 和喷口主体11都用1mm厚的1Cr18Ni9Ti钢板焊成 外壳前段有一层夹壁 形成空气加温套6 22 57 NPU ZhaoMing 71 航空发动机总体结构发动机的总体结构是指发动机各大部件所受负荷的传递方案及具体结构 主要讨论发动机转子的支承和连接 以及静子承力系统和承力机匣及承力构件 具体来讲就是 转子支承方案转子之间的连接 联轴器静子承力系统及承力构件发动机在飞机上的固定发动机总体设计的主要要求 要保证各大部件承受负荷的方式和传递负荷的路线合理 在保证转子具有足够的刚度和强度的条件下 重量轻 尺寸小 结构简单 装配方便 单元体结构设计 22 57 NPU ZhaoMing 72 发动机转子 由压气机转子 涡轮转子和联接这些转子的零件 联接件 所组成 发动机转子上所受负荷 如气体轴向力 重力 惯性力及惯性力矩等 都由支点承受 并经过发动机的机匣传递到发动机的安装节 转子支承方案要解决的主要问题转子需要几个支点 支点如何配置 支点形式如何确定转子支承方案的设计要求保证转子的横向刚性 可靠地承受转子负荷 结构简单 装拆方便 单转子支承方案 四支点三支点两个支点 22 57 NPU ZhaoMing 73