第3章 压气机

.,第3章压气机,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，提高气体压力主要指标：增压比、效率、可靠性、维修性、外廓尺寸和重量等。压气机基本类型：轴流式WP6，WP8，WP7，WP13，斯贝离心式WP5混合式ALF502根据转子的数目：单转子WP6，WP8双转子WP7，WP13，斯贝三转子本课程主要研究轴流式压气机结构，对离心式和混合式只做一般介绍。,.,3.1概述,轴流式压气机转子:高速旋转对气流做功的组合件。低压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高压转子静子包括机匣和整流器单转子涡喷发动机中：进气装置、整流器机匣和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（将内、外涵道的气流分开）中介机匣（将气流由低压引入高压）,.,.,3.2轴流式压气机转子,3.2.1转子的基本结构形式转子设计的基本矛盾尺寸小、重量轻转速高、负荷大惯性力和力矩、气体力（轴向力和扭矩）要求可靠的强度和结构刚性良好的定心、定位传力、传扭可靠良好的平衡性基本结构形式：鼓式、盘式、鼓盘式,.,.,3.2轴流式压气机转子,3.2.1转子的基本结构形式1.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1.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2.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2.盘式转子,.,加强盘式转子中盘与轴的联接（定心）发夹型结构门型结构轴向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3.鼓盘式转子,.,3.2.1转子的基本结构形式3.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，特别在现代涡扇发动机的高压压气机上。分类1.不可拆卸的转子2.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,.,3.2.2鼓盘式转子1.不可拆卸的鼓盘式转子,.,3.2.2鼓盘式转子1.不可拆卸的鼓盘式转子级间联接：圆柱面紧度配合+径向销钉，焊接，整体加工成型圆柱面紧度配合+径向销钉法定心：圆柱面加径向销钉传扭：径向销钉和配合面的摩擦力优点：结构简单，工作可靠，加工方便缺点：转子的零件较多，制造偏差会影响转子的定心和平衡解决方法：焊接法，整体加工成型法,.,3.2.2鼓盘式转子1.不可拆卸的鼓盘式转子,.,3.2.2鼓盘式转子1.不可拆卸的鼓盘式转子刚度研究：鼓筒与轮盘的位置,恰当半径内：鼓径向变形小，盘大；鼓加强盘恰当半径外：盘径向变形小，鼓大；盘加强鼓,.,3.2.2鼓盘式转子1.不可拆卸的鼓盘式转子装配紧度研究,恰当半径内：鼓径向变形小，盘大；盘压入鼓恰当半径外：盘径向变形小，鼓大；鼓压入盘,.,3.2.2鼓盘式转子1.不可拆卸的鼓盘式转子装配定心：径向销钉原理,.,3.2.2鼓盘式转子,2.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损分解的转子。分类（1）用拉杆联接JT3D（2）短螺栓联接JT9D高压（3）长轴螺栓联接低压,.,3.2.2鼓盘式转子,2.可拆卸的鼓盘式转子（1）用拉杆联接JT3D刚度：拉杆的拉紧力传扭：端面摩擦定心：圆柱面流道变化，多根拉杆联接,.,3.2.2鼓盘式转子,2.可拆卸的鼓盘式转子（2）短螺栓联接JT9D高压刚性：螺栓预紧力定心、传扭：螺栓,.,3.2.2鼓盘式转子,2.可拆卸的鼓盘式转子（3）长轴螺栓联接低压转子,定心、传扭：端面圆弧齿,.,3.2.2鼓盘式转子,2.可拆卸的鼓盘式转子关键件：拉杆预紧力：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。影响因素计算截面的弯矩值拉杆所在半径大小转子上的气体轴向力所选材料（应与鼓筒、轮盘尽量一致）装配方法3.2.2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。,.,3.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；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求。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,.,3、混合式的鼓盘转子（1）的低压压气机转子,三大段，焊接或整体制造，再用短螺栓联接,3.2.2鼓盘式转子,.,3、混合式的鼓盘转子（2）CFM56和V2500的高压压气机转子,两大段，短螺栓联接,三大段，12级钛合金焊接，49级不锈钢焊接，与3级短螺栓联接,3.2.2鼓盘式转子,.,3、混合式的鼓盘转子（3）的高压压气机转子,三大段，一段（13级），二段（46级），三段（79级）短螺栓长螺栓,3.2.2鼓盘式转子,.,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转子叶片构造：叶身+榫头工作可靠性：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。1、叶身的构造特点（1）要求：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；为减轻重量，叶尖的弦长要比根部的短，厚度比根部的薄。,.,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1、叶身的构造特点（2）特点减震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1、叶身的构造特点（2）特点宽弦风扇叶片（V2500）优点：没有增重、减震特性好、叶栅通道面积大、喘振裕度宽、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1、叶身的构造特点（2）特点可控扩散叶型（亚音速的叶型设计中）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1、叶身的构造特点（2）特点端部过弯叶身的叶片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。,.,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2、榫头的构造（1）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2、榫头的构造（2）分类a.燕尾形榫头,依靠槽侧面定位、传力榫头和榫槽可以过渡配合、也可以小间隙配合,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2、榫头的构造（2）分类a.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,.,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2、榫头的构造（2）分类a.燕尾形榫头,槽向固定：防止在叶片气动力和离心力的槽向分力下沿槽向移动，或振动脱落。,.,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2、榫头的构造（2）分类a.燕尾形榫头,大流量比涡扇发动机：能单个拆除带冠叶片的锁紧结构。,.,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2、榫头的构造（2）分类b.销钉式榫头,简单，但是承载能力有限，尺寸和重量大,.,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2、榫头的构造（2）分类c.枞树型榫头,周向尺寸小，重量轻，能承受较大的载荷，但是多靠榫齿传力，应力集中严重，工艺性差。,.,3.3轴流式压气机静子,组成：机匣和静子叶片（整流器）3.3.1整流器机匣1.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2.对机匣的基本要求,.,3.3轴流式压气机静子,3.3.1整流器机匣2.整流器机匣的分类整体式分半式分段式转子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3.整流器机匣分类（1）分半式机匣WP6装配简单，容易选择整流器和转子的结构方案结合面的连接、定位和密封安装边和螺栓联接工作受热时，机匣刚性不均增加纵向加强肋和采用横向加强肋整流器机匣后段双层机匣CFM56前段为钛合金锻件机械加工；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2.整流器机匣的方案（1）分半式机匣CFM56整流器机匣后段双层机匣（外匣为承力件）,.,3.3轴流式压气机静子,3.3.1整流器机匣2.整流器机匣的方案（2）分段式机匣解决周向刚性不均,.,3.3轴流式压气机静子,3.3.1整流器机匣2.整流器机匣的方案（2）分段式机匣,机匣间的联接、定位和密封安装边和螺栓联接,.,3.3轴流式压气机静子,3.3.1整流器机匣2.整流器机匣的方案（3）整体式机匣,.,3.3轴流式压气机静子,3.3.1整流器机匣3.整流器机匣的方案研究影响因素：转子和整流器的方案机匣的材料和工艺机匣的铸造工艺分：铸造，板料焊接，锻造后经机械加工近代发动机机匣双层机匣包容机匣,.,3.3轴流式压气机静子,3.3.2整流器1.叶片与机匣的固定方案（1）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1.叶片与机匣的固定方案（2）直接固定法螺帽联接wp6的整流叶片用螺纹轴颈和矩形板直接装在机匣内壁环槽内，用螺帽拧紧。焊接固定WP13的1,3,4,5级除了1级空心整流叶片用螺帽联接外，均用焊接固定,.,3.3轴流式压气机静子,3.3.2整流器1.叶片与机匣的固定方案（3）间接固定wp7发动机第2级整流器,.,3.3轴流式压气机静子,3.3.2整流器2.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，提高压气机效率。,.,3.3轴流式压气机静子,3.3.2整流器3.整流器的方案总结,.,3.4压气机防喘系统,3.4.1压气机的喘振基元级攻角落后角失速：攻角过大时，气流从叶背分离，导致压气机效率降低、工作不稳定、旋转失速、喘振。旋转失速：失速区向叶片旋转相反方向移动的现象。喘振：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离和堵塞。,.,3.4压气机防喘系统,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堵塞。当发动机偏离设计工作状态而降低转速时容易发生喘振。因为增压比的变化与流道变化不匹配。因此，低增压比（240度：TA2、TA6、TA8、TC4、TC6450度：30Cr、30CrMnSi、30CrMnSiNi2Cr17Ni2、18CrNiWA、40CrNiMoA13Cr14NiWVBA、0Cr3Mo等转子鼓轴、螺栓、拉杆：18CrNiWA、40CrNiMoA、0Cr3Mo前机匣：300度：30CrMnSi、1Cr13、2Cr13、3Cr13静子叶片材料与转子叶片材料相同。,.,3.6压气机主要零件的常用材料,发动机材料的发展趋势,.,3.7离心式压气机,3.7.1概述离心式压气机特点：单级增压比高、轴向尺寸短、特