航空发动机结构与原理概论.doc

以航空发动机结构为例说明产品结构 前言CFM56-7是目前客机发动机中最先进的发动机（图1）图1航空发动机是飞机性能、可靠性和成本的决定性因素，发动机加燃油的重量占战斗机/轰炸机/运输机起飞总重量的40%60%，其寿命期费用站整个飞机的20%40%。特别是涡轮喷气发动机发明以后，推进技术的进展更是突飞猛进，是飞机的性能和任务能力取得了重大突破。美国人对航空发动机技术如是评价：“The aircraft engine is a technology intensive, making it difficult to enter a novice area, it needs adequate protection and use of the state results in the area, long-term data and experience, as well as national large investment. “United States” a joint vision for 2020 “in the proposed strategy for the future based on the composition of the nine U.S. advantage technology, aviation jet engines are listed in the second, on nuclear technology before, and now even the United States there are only two areas of government investment, one aerospace, and the other is the aircraft engine, the aircraft engine is a national strategic industry. ”如今，航空发动机技术也是制约我国航空工业发展的瓶颈。本文内容分为航空发动机基本类型、基本原理、基本结构和航空发动机共同工作三部分，并着重从概念介绍航空发动机的结构。一、航空发动机基本类型现今，无论是客机还是战斗机，以双转子轴流式涡扇发动机应用最广。航空发动机类型结构示意图双面进气单级离心式涡轮发动机单面进气双级离心式涡轮螺旋桨发动机双转子轴流式涡轮轴发动机单转子轴流式涡轮喷气发动机双转子涡轮轴发动机小涵道比双转子轴流式涡扇发动机大涵道比三转子轴流式涡扇发动机（来源：the jet engine.by Rolls-Royce Plc.1986）二、航空发动机基本原理通俗地讲，航空发动机通过燃烧燃料增加空气气流的内能，并把部分能量用于增加气流的动能，使气流出口速度大于进口速度。根据动量定理，可以明白发动机会受到一个气流的反作用力，从而产生向前的推力。工作过程示意图：热力循环过程为：三、航空发动机基本结构航空发动机的基本机构包括进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。不同类型的航空发动机还具有以下结构：风扇，外涵道，加力燃烧室，推力转向装置以及矢量喷管等。下面将分别介绍压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管以及加力燃烧室，其中每部分将从部件工作规律和某种型号结构两个方面展开。首先，以CFM56-2发动机为例说明发动机的支撑结构（见下图）和主要零件数目。CFM56-2发动机主要零件数目表发动机型号承力框架轴承风扇及增压级叶片高压压气机级数高压压气机可调级高压压气机叶片数高压涡轮级数高压涡轮叶片数低压涡轮叶片数叶片总数规定寿命的旋转件CFM56-22568494138011983387564920（1） 压气机工作规律1.定义：压气机是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，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的起动提供压缩空气。2.评定压气机性能的主要指标：增压比、效率、外廓尺寸和重量、工作可靠性、制造和维修费用。3.压气机分类：1)按燃气流动的方向分为：轴流式、离心式、混合式。特别地，CFM56-2系列的压气机均为轴流式。2)按压力相对值分为：低压压气机（增压级）、高压压气机3)按结构分为：转子部件、静子部件转子部件包括风扇、低压和高压压气机的轴、盘以及叶片；静子部件包括机匣和整流器。某种型号压气机结构（以CFM56-2为例，包括风扇、低压压气机和高压压气机）1.风扇CFM56-2风扇叶片根部结构如右图。由于叶冠做成平行四边形，各个叶片的叶冠相互抵住，单独拆换1片叶片是不可能的；但是风扇叶片往往会遭到外来物打伤，需在外场飞机上更换叶片，为此，轮盘上固定叶片的榫槽做得较深，叶片榫头下端与榫槽槽底间留有一间隙，在此间隙中插入特别的垫块，当需拆换叶片时，先将垫块取出，再将叶片向下压，使叶冠与相邻叶片叶冠脱开，这样就能方便地将叶片单个取出。在CFM56-2的风扇部件设计中有3处最为特别：1)工作叶片带冠，这是目前所见到的唯一一种在风扇叶片上带冠的结构。2)为防外来物的击伤与抗振，CFM56-2还利用在冠上还作有三道封严篦齿，用以封严，提高效率，这是比不带冠叶片优越之处。3)但是，为减少带冠后带来的叶根强度问题，采取加多叶片数目，增加稠度，使叶冠面积减少的措施。 2.CFM56-2风扇机匣（包容机匣）机匣除了有足够的强度，可靠承受各种载荷外，还要具有包容性，保证在叶片折断或轮盘破裂时不被击穿。结构如下图，3.CFM56-2低压压气机（增压级）1) CFM56-2低压压气机（增压级属于3级轴流式压气机部件。2) 3级增压压气机转子采用了鼓式结构，直接与风扇轮盘后缘安装边用螺栓连接。由于增压压气机转子转速低，直径小，轮缘处的切向速度小，因此，在所有高涵遭比涡扇发动机中，均采用纵向刚性好、结构简单的鼓式转子。3) 在CFM56-2发动机中，3级转子固定叶片的燕尾棒槽是用拉刀一次拉出的，也即3级转子中，各级的叶片数完全一样，叶根处的直径也一样。这样，使结构设计与加工均较简单。4) 3级转子为整体钛合金锻件制成，出口处沿圆周均布12个可调放气活门，可于低功率状态将部分空气放放风扇通道。CFM56-2/-2A/-2B最大允许低压转子转速为5280r/min。4.CFM56-2高压压气机1) CFM56-2高压压气机属于9级轴流式压气机部件；2) 进口导流叶片和前3级静子叶片可调，静子机匣为对开式，69级机匣为双层结构，外层机匣上设有5级空气引出口，内层机匣为低膨胀合金制成并在5级引出空气包围中，起到了控制压气机后面级间隙的作用；3) 转子鼓筒12级为钛合金锻件惯性摩擦焊成，3级盘为钛合金锻件制成，49级为Rene95惯性摩擦焊成。转子叶片13级为钛合金制，49级为IN718制成，第1级转子叶片叶尖切线速度为400m/s，展弦比为1.49；4) 13级叶片固定于轮盘的轴向燕尾槽中，49级固定于环形燕尾槽中；5) 所有转子叶片可单独更换，各级均设孔探仪检查口。（2） 燃烧室工作规律目前，燃烧室的形式虽然很多，但是，为了满足燃烧室的基本功能和组织燃烧的需要，在结构上，燃烧室都是由扩压器、壳体、火焰筒、燃油喷嘴和点火器等基本构件组成。火焰筒是燃烧室的主要构件，是组织燃烧的场所。它由旋流器和火焰筒筒体等部分组成。火焰筒筒体按其功能可分为3段：头部，筒体和燃气导管。环形火焰筒由内壁和外壁两部分组成，可以分别与扩压器和涡轮机匣相连。燃油喷嘴的功用是将燃油雾化（或汽化），加速混合气形成，保证稳定燃烧和提高燃烧效率。航空发动机上采用的燃油喷嘴有：离心喷嘴、启动喷嘴、蒸发喷嘴（又称蒸发管）和甩油盘式喷嘴。点火器的作用是在起动、空中熄火或存在熄火危险时形成点火源。现代航空发动机要求点火器在3种条件下工作：地面启动时；发生空中停车时；当飞机在暴风雨中或做机动飞行时，防止燃烧室熄火。前两种点火方式点火时间短，点火能量大，采用高能点火器；后一种点火持续时间长，称之为“长明灯”式点火，点火能量小，采用低能点火器。点火性能直接影响发动机工作的安全可靠。当发动机在安全熄火后，压气机处于风车状态，燃烧室进口压力和温度都很低，但气流速度仍然很高。在这样的条件下，要保证可靠的再点火是不容易的。发动机的点火装置可分为间接点火和直接点火两种。根据主要构件结构形式的不同，燃烧室有分管（单管）、环管和环形3种基本类型。环形燃烧室的结构特点是：燃烧室的内、外壳体构成环形气流通道，通道内安装的是一个由内、外壁构成的环形火焰筒，因而燃烧是在环形的燃烧区和掺混区内进行。环形燃烧室的燃烧好，总压损失小，燃烧室出口流场及温度场分布均匀；燃烧室结构简单，重量轻，耐用性好；火焰筒表面积与容积之比较小，因而需要的冷却空气量比较少；燃烧室的轴向尺寸短，有利于减小转子的跨度和降低发动机的总体重量。某种型号结构（以环形燃烧室为例）（3） 涡轮 工作规律1.定义：把高温、高压燃气的部分热能、压力能转变成旋转的机械功，从而带动压气机与其他附件工作的旋转部件。2.评定涡轮性能的主要指标：涡轮前燃气温度、涡轮发出的级功率、单级落压比。3.涡轮的分类：1)按燃气流动的方向分为：轴流式、径向式。特别地，CFM56-2系列的压气机均为轴流式。2)按压力相对值分为：低压涡轮、高压涡轮3)按结构分为：转子部件、静子部件转子部件包括低压和高压涡轮的涡轮轴、涡轮盘、涡轮叶片；静子部件包括涡轮机匣和导向器、涡轮支承及传力构件。某种型号结构包括高压涡轮和低压涡轮。（4） 尾喷管使气流不断加速的管道称为喷管。为喷管的作用主要是使涡轮后的燃气持续膨胀，将燃气中剩余的热焓充分转变成动能，使燃气以高速从喷口中喷出。根据使用条件不同，发动机尾喷管依通道形状可以分为收敛型和收敛扩散型两种类型，喷口面积可做成可调或不可调的。 收缩喷管 拉伐尔喷管（收扩喷管）亚声速气流在截面积逐渐减小的管道内将不断加速，这种管道称为收缩喷管或收敛喷管。根据静压和总压比值的不同及其与临界压强比之间的关系，有亚临界、临界和超临界三种流动状态。使气流由亚声速加速到超声速的收缩扩张喷管称为拉伐尔喷管。当涡轮出口的气流压强较高时，若采用收缩喷管，则由于气流在喷管内不能得到完全膨胀而造成较大的推力损失，为提高发动机推力，故采用拉伐尔喷管，拉伐尔喷管共有七种流动状态。拉伐尔喷管在超声速及高超声速风洞喷管、超声速飞机、火箭的尾喷管上得到广泛应用。（5） 加力燃烧室工作规律1.功用：保持发动机最大转速和涡轮前温度不变的情况下，将燃油喷入涡轮后的燃气轮中，利用燃气中剩余的氧气再次燃烧，以进一步提高燃气温度，增大喷气速度，增加推力的作用。在以往的超声速飞机上，加力燃烧室不可或缺。2.原理：加力燃烧室的燃烧过程是由扩压，燃烧和排气三部分组成。从涡轮流出的高温高速低压的燃气，经扩压后速度降低，截面积增大，并在该处形成回流区，稳定火焰，喷油雾化后再次燃烧，增加气流速度，以此来增加再次增加推力。 3.鉴于加力燃烧室工作的特殊性，其工作特点和构造要求：1，为使燃油充分燃烧，加力燃烧室须有足够的长度。2，在构造上须采取措施在各种飞行条件下可靠启动，并使加力燃烧室损失小。3，保证其有足够的强度和刚度。4，必须有可调尾喷口与其协同工作。4.加力燃烧室主要零件常用材料：扩压器和加力燃烧室外壳可用耐热不锈钢制成，扩压器的内锥体，整流支板，预燃室等，目前采用GH30，GH39等高温合金