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1、19:53NPU-ZhaoMing1目录目录绪论绪论压气机压气机涡轮涡轮燃烧室燃烧室尾喷管尾喷管总体结构总体结构受力分析受力分析航空发动机结构分析航空发动机结构分析西北工业大学西北工业大学19:53NPU-ZhaoMing2概论概论发发动动机机是是飞飞机机上上的的动动力力装装置置。自自从从人人类类尝尝试试进进行行有有翼翼飞飞行行器器飞飞行行以以来来，经经历历了了无无数数次次失失败败，只只是是在在使使用用了了活活塞塞式式内内燃燃机机以以后后，才才在在2020世世纪纪初初把把第第一一架架飞飞机机送上蓝天。送上蓝天。二二战战后后,由由于于喷喷气气发发动动机机的的迅迅速速发发展展,活活塞塞式式发发动动
2、机逐渐被淘汰。机逐渐被淘汰。2020世世纪纪6060年年代代，由由于于涡涡扇扇发发动动机机的的问问世世，大大大大降降低低了了耗耗油油率率，才才有有可可能能设设计计制制造造成成大大型型喷喷气气飞飞机机，大大幅度提高载重量和航程。幅度提高载重量和航程。燃燃气气涡涡轮轮发发动动机机大大大大提提高高了了战战斗斗机机的的性性能能，使使其其飞飞行行速速度度达达到到2 2倍倍以以上上的的音音速速。直直到到现现在在还还被被广广泛泛应应用于各种类型的飞机上。用于各种类型的飞机上。19:53NPU-ZhaoMing3航空发动机的作用航空发动机的作用航航空空发发动动机机是是航航空空器器飞飞行行的的动动力力，也也是是
3、航航空空事事业发展的推动力；业发展的推动力；航航空空发发动动机机是是飞飞机机性性能能、可可靠靠性性和和成成本本的的决决定定性因素；性因素；航航空空发发动动机机的的发发展展对对冶冶金金、机机械械、电电子子、仪仪表表等行业的发展具有重要的带动和促进作用。等行业的发展具有重要的带动和促进作用。19:53NPU-ZhaoMing4 航空发动机研究工作的特点航空发动机研究工作的特点技术难度大技术难度大一台发动机内有一台发动机内有十几个部件十几个部件和系统及和系统及数万个零件数万个零件研研制制一一种种新新的的发发动动机机需需要要1 1万万小小时时的的整整机机试试验验和和1010万万小小时的部件和系统试验。
4、时的部件和系统试验。周期长周期长先先进进发发动动机机的的研研制制周周期期为为9-159-15年年，F119F119从从19861986年年开开始始到到20052005年投入使用，前后达年投入使用，前后达1919年。年。费用高费用高F119F119的的研研制制费费用用超超过过2020亿亿美美元元；发发动动机机的的研研究究和和发发展展费用占航空总费用的费用占航空总费用的1/41/4。19:53NPU-ZhaoMing5军用发动机军用发动机设计要求设计要求 A A 性性能能要要求求，包包括括地地面面台台架架性性能能和和空空中中飞飞行行性性能能（推推力力和和耗耗油油率率）、起起动动性性能能、加加减减速
5、速性性能、引气量、功率提取和过载；能、引气量、功率提取和过载；B B 适适用用性性要要求求，包包括括发发动动机机在在飞飞行行包包线线内内稳稳定定工工作作和和油油门门杆杆使使用用不不受受限限制制，加加力力接接通通、切切断断不不受受限限制制，飞飞行行状状态态变变化化、极极限限机机动动状状态态等等时的发动机稳定工作；时的发动机稳定工作；C C 结结构构和和安安装装要要求求，包包括括安安装装节节位位置置、外外廓廓尺寸、重量和重心位置；尺寸、重量和重心位置；19:53NPU-ZhaoMing6 D D 可可靠靠性性要要求求 包包括括发发动动机机寿寿命命和和工工作作循循环环、发动机各状态连续工作时间和平均
6、故障时间；发动机各状态连续工作时间和平均故障时间；E E 维维修修性性要要求求，包包括括发发动动机机外外场场可可更更换换件件的的更更换换时时间间、每每飞飞行行小小时时的的平平均均维维修修工工时时和和更更换换发动机时间等；发动机时间等；F F 其其他他要要求求，如如满满足足飞飞机机隐隐身身要要求求的的红红外外信信号和雷达反射特性以及飞行控制的矢量推力。号和雷达反射特性以及飞行控制的矢量推力。19:53NPU-ZhaoMing7航空发动机分类：航空发动机分类：在在过过去去的的一一个个航航空空百百年年里里，人人类类所所使使用用的的主要的航空发动机，可分为两大类主要的航空发动机，可分为两大类:1 1、
7、活塞式发动机、活塞式发动机冷却方式（液冷式、气冷式）。冷却方式（液冷式、气冷式）。气缸排列方式气缸排列方式(星形、星形、V V形、直列式、对列式、形、直列式、对列式、X X形形)2 2、空气喷气式发动机、空气喷气式发动机无压气机（冲压式发动机、脉动式发动机）。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、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、浆扇发动涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、浆扇发动机）机）。19:53NPU-ZhaoMing819:53NPU-ZhaoMing9 航空燃气涡轮发动机的基本类型航空燃气涡轮发动机的基本
8、类型按照做功方式分五种基本类型按照做功方式分五种基本类型涡轮喷气发动机（涡轮喷气发动机（涡喷涡喷）（）（WPWP）涡轮螺浆发动机（涡轮螺浆发动机（涡浆涡浆）（）（WJWJ）涡轮风扇发动机（涡轮风扇发动机（涡扇涡扇）（）（WSWS）涡轮轴发动机（涡轮轴发动机（涡轴涡轴）（）（WZWZ）螺浆风扇发动机（螺浆风扇发动机（浆扇浆扇）(JS)(JS)19:53NPU-ZhaoMing10 1 1、WPWP主主要要部部件件：进进气气装装置置、压压气气机机，燃燃烧烧室室，燃燃气气涡涡轮轮，尾尾喷喷管管,(,(加加力力燃燃烧室烧室)特点：特点：(1)(1)涡涡轮轮只只带带动动压压气气机机压缩空气。压缩空气。(
9、2)(2)发发动动机机的的全全部部推推力力来来自自高高速速喷喷出出的的燃燃气气所所产生的反作用力。产生的反作用力。19:53NPU-ZhaoMing11 2 2、WJWJ主要部件：主要部件：压气机压气机,燃烧室燃烧室,燃气涡轮燃气涡轮,尾喷管尾喷管,减速器减速器特特点点：涡涡轮轮不不仅仅带带动动压压气气机机压压缩缩空空气气，还还带带动动螺螺浆浆产产生拉力。生拉力。发发动动机机推推力力来来自自两两个个部部分分，一一部部分分是是由由高高速速喷喷出出的的燃燃气气所所产产生生的的反反作作用用力力（10%10%），一一部部分分涡涡轮轮带带动动螺螺浆浆产生前进的拉力（产生前进的拉力（90%90%）。）。1
10、9:53NPU-ZhaoMing123 3、WSWS主主要要部部件件：风风扇扇、外外涵涵道道、内内涵涵道道（压压气气机机、燃燃烧烧室室、涡轮），涡轮），尾喷管尾喷管特点：发动机的推力是内外涵道气流反作用力的总和。特点：发动机的推力是内外涵道气流反作用力的总和。涵道比涵道比（流量比）：外、内涵道空气流量之比。（流量比）：外、内涵道空气流量之比。19:53NPU-ZhaoMing134 4、WZWZ发动机发动机主主要要部部件件：进进气气道道、压压气气机机、燃燃烧烧室室、动动力力涡涡轮、自由涡轮、尾喷管轮、自由涡轮、尾喷管特特点点：通通常常带带有有自自由由涡涡轮轮，而而其其他他形形式式的的涡涡轮轮喷
11、气发动机一般没有自由涡轮。喷气发动机一般没有自由涡轮。19:53NPU-ZhaoMing145 5 桨扇发动机桨扇发动机 螺桨风扇发动机是一种介于螺桨风扇发动机是一种介于涡扇发动机涡扇发动机和和涡桨发涡桨发动机动机之间的一种发动机形式。之间的一种发动机形式。它既可看作带它既可看作带除去外涵除去外涵道的大涵道比涡扇发动机道的大涵道比涡扇发动机，又可看作，又可看作高速先进螺桨的高速先进螺桨的涡桨发动机涡桨发动机，因而兼有前者，因而兼有前者飞行速度高飞行速度高和后者和后者耗油率耗油率低低的优点。的优点。目前正处于研究和实验阶段。目前正处于研究和实验阶段。桨扇发动机的概念研桨扇发动机的概念研究始于究始
12、于7070年代中期。年代中期。8080年年代后半期已完成地面和飞代后半期已完成地面和飞行验证试验，基本达到预行验证试验，基本达到预期目标。由于航空公司的期目标。由于航空公司的综合经济因素和公众接受综合经济因素和公众接受心理等种种原因，桨扇发心理等种种原因，桨扇发动机尚未进入实用阶段。动机尚未进入实用阶段。19:53NPU-ZhaoMing15 桨扇发动机的关键部件是先进桨扇发动机的关键部件是先进高速螺桨高速螺桨，它带有多个宽，它带有多个宽弦、薄叶型的后掠桨叶，能在飞行马赫数弦、薄叶型的后掠桨叶，能在飞行马赫数0.80.8下保持较高的效下保持较高的效率，见图率，见图1 16 6。桨扇桨扇由涡轮驱
13、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。19:53NPU-ZhaoMing16使用最广泛的燃气涡轮发动机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喷发动机加力的涡扇发动机加力的涡扇发动机燃气涡轮发动机的共同特点燃气涡轮发动机的共同特点：获得高温高压燃气；获得高温高压燃气；利利用用着着部部分分燃燃气气产产生生推推力力或或机机械械功功（在在尾尾喷喷管管内内继继续续膨膨胀胀，高高速速喷喷出出产产生生推推力力；或或者者在在后后续续涡涡轮轮内内继继续续膨膨胀胀获获得
14、得机机械械功功，带动风扇、螺浆或其它装置）带动风扇、螺浆或其它装置）19:53NPU-ZhaoMing17 核心发动机核心发动机（燃气发生器）：（燃气发生器）：发发生生燃燃气气的的部部件件，即即压压气气机机、燃燃烧烧室室和和涡涡轮轮称称为为燃燃气气发发生生器器。由由于于它它处处于于发发动动机机的的核核心心部位，故又称为部位，故又称为核心发动机核心发动机。对对单单转转子子发发动动机机来来讲讲，就就是是指指压压气气机机、主主燃燃烧烧室的带动压气机的涡轮；室的带动压气机的涡轮；对对双双转转子子发发动动机机来来讲讲，就就是是指指高高压压压压气气机机、主主燃烧室和高压涡轮。燃烧室和高压涡轮。以以核核心心
15、机机为为基基础础，增增添添不不同同类类型型的的部部件件就可以发展成不同类型的发动机。就可以发展成不同类型的发动机。19:53NPU-ZhaoMing18燃气涡轮发动机的主要性能参数燃气涡轮发动机的主要性能参数推力推力 单位推力单位推力推重比推重比单位迎面推力单位迎面推力单位燃油消耗率单位燃油消耗率增压比涡轮前燃气温度增压比涡轮前燃气温度涵道比19:53NPU-ZhaoMing19燃气涡轮发动机的基本机理燃气涡轮发动机的基本机理-喷气推进原理：喷气推进原理：喷喷气气推推进进是是牛牛顿顿第第三三定定律律（作作用用在在物物体体上上的的每每一一个个力力都都有有一一方方向向相相反反大大小小相相等等的的反
16、反作作用用力力）的的实实际际应应用。用。喷喷气气式式飞飞机机飞飞行行时时，它它向向后后高高速速喷喷出出大大量量气气体体，这这表表明明发发动动机机对对喷喷出出的的气气体体作作用用了了“力力”。根根据据牛牛顿顿第第三三定定律律（就就飞飞机机推推进进而而言言，“物物体体”是是通通过过发发动动机机时时受受到到加加速速的的大大气气中中的的空空气气），该该高高速速气气体体也也必必然然会会给给发发动动机机一一个个大大小小相相等等方方向向相相反反的的反反作作用用力力，使使飞飞机机向向前前运运动动。高高速速喷喷出出的的气气体体给给发发动动机机的的这这一一反反作作用用力力，就就称称为为喷喷气气发发动动机机的的推推
17、力力，喷喷出出的的气气体体越越多多，速速度度越越大，所产生的推力也就越大。大，所产生的推力也就越大。19:53NPU-ZhaoMing20燃气涡轮发动机的工作循环燃气涡轮发动机的工作循环 19:53NPU-ZhaoMing21压气机作用压气机作用：用用来来提提高高进进入入发发动动机机内内的的空空气气压压力力，供供给给发发动动机机工工作时所需要的压缩空气。作时所需要的压缩空气。为为座座舱舱增增压压、涡涡轮轮散散热热和和其其它它发发动动机机的的起起动动提提供供压压缩空气。缩空气。结构类型结构类型：p轴流式轴流式p离心式离心式p混合式混合式主要性能指标主要性能指标：增压比增压比效率效率外廓尺寸和重量
18、外廓尺寸和重量工作可靠性工作可靠性制造和维修费用制造和维修费用19:53NPU-ZhaoMing22轴流式压气机的特点轴流式压气机的特点:增压比高、效率高、单位空气流量大增压比高、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。19:53NPU-ZhaoMing23离心式压气机的特点离心式压气机的特点:u结结构构简简单单、结结实实可可靠靠，容容易易制制造造和和发发展展，生生存存力力强强、特性比较平稳、
19、级增压比高等优点特性比较平稳、级增压比高等优点。u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混合式压气机。19:53NPU-ZhaoMing24轴流式压气机的构成：由转子和静子组成。轴流式压气机的构成：由转子和静子组成。转转子子是是一一个个高高速速旋旋转转对对气气流流作作功功的的组组合合件件，包包括括轮轮盘盘、鼓鼓筒筒、叶叶片片等等。从从受受力力的的角角度度分分析析：转转子子都都是是在在高高速速转转速速下下工工作作，惯惯性性负负荷荷（离心力很大，而气体力不大。（离心力很大，而气体力不大。静静子子是是静静子子组组合合件件的
20、的总总称称，包包括括机机匣匣和和整整流流器器。静静子子所所承承受受的的负负荷荷基基本本上上是是气气体体力力和和力力矩，以及周期性的惯性力。矩，以及周期性的惯性力。19:53NPU-ZhaoMing25压压气气机机的的主主要要特特点点:从从结结构构设设计计的的角角度度来来讲讲，转转速速高高，每每分分钟钟达达数数千千或或数数万万转转（如如JT8D-9JT8D-9发发动动机机高高、低低压压转转速速分分别别为为1225012250、86008600r/minr/min）。）。转速高的优点转速高的优点：可以使压气机在尺寸小重量轻的条件下，得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
21、流量和增压比），满足发动机到所需的性能（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性能设计的最基本要求。转速高的缺点转速高的缺点：在高转速条件下，转子零件及其连接处要承：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，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，转子就会发生剧烈横向刚性不足
22、，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。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。转子结构设计的基本问题就是针对这些缺点而进行的。19:53NPU-ZhaoMing26压气机转子上的负荷压气机转子上的负荷:见图见图3 35 5转子结构设计所需要解决的基本矛盾：转子结构设计所需要解决的基本矛盾：在在考考虑虑到到尺尺寸寸小小、重重量量轻轻、结结构构简简单单、工工艺艺性性好好的的前前提提下下，转转子子零零、组组件件间间其其连连接接处处应应保保证证可可靠靠的的传传力力（对对结结构构设设计计起起决决定定作作用用的的负负荷荷是是叶叶片片和和转转子子
23、的的离离心心力力、弯弯矩矩和和扭扭矩矩），良良好好的的定定心心和和平平衡衡、足足够够的的刚刚性性。这这些些就就是是压压气气机机转转子子方方案案设设计计所所应应遵遵循循的的基基本本原原则则，也也是是分分析析各各种种转转子子方方案案的基本原则。的基本原则。19:53NPU-ZhaoMing27压气机转子的基本结构型式压气机转子的基本结构型式1 1 鼓式转子鼓式转子2 2 盘式转子盘式转子3 3 盘鼓式（混合式）转子盘鼓式（混合式）转子压气机转子的基本型式19:53NPU-ZhaoMing28转子叶片与轮盘的连接转子叶片与轮盘的连接转子叶片的组成转子叶片的组成：转子叶：转子叶片是轴流式压气机最重要片
24、是轴流式压气机最重要的零件之一。它主要由的零件之一。它主要由叶叶身身和和榫头榫头组成。在有些长组成。在有些长叶片上，或者在激振力比叶片上，或者在激振力比较强的区域内工作的叶片较强的区域内工作的叶片叶身上还带有叶身上还带有阻尼台阻尼台。19:53NPU-ZhaoMing29轴流式压气机转子叶片榫头的型式轴流式压气机转子叶片榫头的型式（1 1）销钉式榫头销钉式榫头结构简单、工艺简单；尺寸重量大，承载能力低结构简单、工艺简单；尺寸重量大，承载能力低（2 2）燕尾形榫头燕尾形榫头尺寸小、重量轻，承载能力强，加工方便，根部有尺寸小、重量轻，承载能力强，加工方便，根部有应力集中。应力集中。（3 3）枞树形
25、榫头枞树形榫头尺寸重量小，承载能力最强。应力集中最严重，加尺寸重量小，承载能力最强。应力集中最严重，加工精度高工精度高19:53NPU-ZhaoMing3019:53NPU-ZhaoMing3119:53NPU-ZhaoMing32静子部件的组成静子部件的组成：静子是压气机中不旋转的部分。静子是压气机中不旋转的部分。整流器机匣，整流器整流器机匣，整流器（由（由机匣机匣和和静子叶片静子叶片组成）组成）机匣机匣静子叶片静子叶片19:53NPU-ZhaoMing33整流器机匣的结构整流器机匣的结构（1）是一个是一个圆柱形或圆锥形的薄壁圆筒圆柱形或圆锥形的薄壁圆筒（2）前后与其它机匣）前后与其它机匣联
26、接联接，（3）内壁上有固定整流叶片的各种型式的）内壁上有固定整流叶片的各种型式的构槽构槽，（4）发动机转子）发动机转子支承支承在机匣内，有些发动机的安在机匣内，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。装节以及一些附件和导管还固定在机匣外壁上。整流器机匣的负荷整流器机匣的负荷n静子的重量、惯性力、静子的重量、惯性力、内外空气压差、扭矩、内外空气压差、扭矩、轴向力、弯矩、热载荷、轴向力、弯矩、热载荷、振动载荷。振动载荷。n它是发动机的主要承它是发动机的主要承力壳体之一，也是气流力壳体之一，也是气流通道的外壁。通道的外壁。19:53NPU-ZhaoMing34整流器机匣的结构设计的基
27、本要求整流器机匣的结构设计的基本要求（1 1）重量轻，具有足够的强度，可靠承受各种载荷；）重量轻，具有足够的强度，可靠承受各种载荷；（2 2）具有足够的刚度，保证在各种载荷作用下，机匣具有足够的刚度，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的径向、横向变形在允许范围之内；（3 3）保证各段机匣之间的同心和机匣与转子的同心；）保证各段机匣之间的同心和机匣与转子的同心；（4 4）具有包容性，保证在叶片折断或轮盘破裂不被击具有包容性，保证在叶片折断或轮盘破裂不被击穿；穿；（5 5）采取措施减少漏气损失和与转子之间的径向间隙，）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
28、；提高压气机效率；（6 6）装配方便装配方便,工艺性好工艺性好,维修性好维修性好,具有可检测性具有可检测性。19:53NPU-ZhaoMing35整流器机匣的结构方案整流器机匣的结构方案(1)(1)整体式整体式(2)(2)分半式分半式(纵剖结构纵剖结构)(3)(3)分段式分段式(横剖结构横剖结构)19:53NPU-ZhaoMing36整整流流器器安安装装在在机机匣匣内内，位位于于两两级级转转子子之之间间，因因此此转转子子和和机机匣匣的的方方案案决决定定整整流流器器的的方方案案。在在铸铸造造的的分分半半机机匣匣内内，由由于于机机匣匣壁壁较较厚厚，整整流流叶叶片片可可以以用用不不同同形形式的榫头直
29、接固定在机匣内壁的特制环槽内。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整流叶片在机匣上的直接固定形式1 1、用榫头；、用榫头；2 2、用螺钉；、用螺钉；3 3、通过焊接。、通过焊接。19:53NPU-ZhaoMing37整流器的固定方式整流器的固定方式有些整流器是有内环的有些整流器是有内环的（双支点双支点）；）；有些则没有内环有些则没有内环（单支点单支点）；）；有些整流器前几级为双支点，后几级则为单支有些整流器前几级为双支点，后几级则为单支点。点。作用在整流器叶片上的作用在整流器叶片上的气动负荷是不大气动负荷是不大的，的，但是由于但是由于气流脉动导致叶片振动裂纹气
30、流脉动导致叶片振动裂纹却往往是却往往是叶片损坏的一个主要原因。因此，将叶片损坏的一个主要原因。因此，将叶片内端叶片内端联接起来组成双支点整流器，是提高叶片自振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频率的一个基本措施。19:53NPU-ZhaoMing38应用附属装置的应用附属装置的原因原因为保证压气机正常而有效地工作，除主要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组合件外，在轴流式压气机上还有一些附属装置和系统。装置和系统。主要的附属装置和系统主要的附属装置和系统封气装置封气装置防冰系统防冰系统防喘振系统防喘振系统压气机气流控制系统压气机气
31、流控制系统间隙控制装置间隙控制装置19:53NPU-ZhaoMing39封气装置封气装置 原因原因：在压气机转子和静：在压气机转子和静子之间，转子前、后端面子之间，转子前、后端面与机匣间都存在着漏气损与机匣间都存在着漏气损失，严重影响着压气机的失，严重影响着压气机的效率。效率。减少漏气量的方法减少漏气量的方法：1 1、正确选择合适的间隙、正确选择合适的间隙2 2、采用封气装置、采用封气装置19:53NPU-ZhaoMing40防冰系统防冰系统原因：冰层会破坏发动机的性能。原因：冰层会破坏发动机的性能。（1 1）冰层会引起发动机进气面积缩小，减小了通过发冰层会引起发动机进气面积缩小，减小了通过发
32、动机的空气流量，从而引起发动机性能损失并可能使动机的空气流量，从而引起发动机性能损失并可能使发动机发生故障发动机发生故障。（2 2）由于发动机振动，冰层可能破裂，破裂的冰块可由于发动机振动，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能被吸入发动机内，打伤叶片，甚至使整台发动机破坏。坏。防冰系统必须保证在飞机飞行范围内有效地防冰系统必须保证在飞机飞行范围内有效地防止结冰。防止结冰。19:53NPU-ZhaoMing41功能功能：涡轮是将高温高压燃气的能量转变为动能和机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械能的叶轮机械。气流在涡轮中转弯膨胀产生机械功
33、从而带动压气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。机、风扇、螺旋桨、直升机旋翼及附件传动系统等。19:53NPU-ZhaoMing42涡轮部件的基本构成涡轮部件的基本构成转子部件转子部件转子叶片转子叶片涡轮盘涡轮盘涡轮轴涡轮轴轴承系统、封严系统的构件轴承系统、封严系统的构件。静子部件静子部件 ：导向叶片（又称静子叶片、简称导叶）导向叶片（又称静子叶片、简称导叶）涡轮机匣涡轮机匣轴承座轴承座承力机匣及各种静子件；承力机匣及各种静子件；有叶片排的流道构成了涡轮的有叶片排的流道构成了涡轮的主燃气气流流道主燃气气流流道；一排导向叶片及紧跟其后的一排转子
34、叶片构成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；一个涡轮级；多级涡轮多级涡轮是由多个涡轮级组成。是由多个涡轮级组成。含导向叶片排的组件称为含导向叶片排的组件称为导向器导向器；含转子叶片的组件称为含转子叶片的组件称为工作轮工作轮。19:53NPU-ZhaoMing43轴流式涡轮和向心（径向式）涡轮轴流式涡轮和向心（径向式）涡轮结构类型：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。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）：径向式涡轮（又称向心式涡轮）：燃气通常由外围流向中心燃气通常由外围流向中心。特点：特点：级功率大，工作可靠性好级功率大，工作
35、可靠性好。应用：应用：小型航空发动机、小型燃气轮机等小型航空发动机、小型燃气轮机等。轴流式涡轮轴流式涡轮特点：特点：尺寸小，流尺寸小，流量大，效率高。量大，效率高。应用：应用：大型航空发大型航空发动机、大功率的动动机、大功率的动力装置等。力装置等。19:53NPU-ZhaoMing44涡喷涡喷6 6发动机涡轮部件发动机涡轮部件组成：组成：单转子双级轴流单转子双级轴流式涡轮，由转子、静子式涡轮，由转子、静子两部分组成。两部分组成。涡轮转子涡轮转子是悬臂不可拆是悬臂不可拆卸的鼓盘式转子，两级卸的鼓盘式转子，两级转子叶片借枞树形榫头转子叶片借枞树形榫头安装在相应的轮盘上，安装在相应的轮盘上，并用锁片
36、固定。并用锁片固定。涡轮静子涡轮静子由前后两段组由前后两段组成，前段为能传递负荷成，前段为能传递负荷的一级导向器，后段为的一级导向器，后段为具有双层冷却机匣的二具有双层冷却机匣的二级导向器。级导向器。图4-2涡喷6发动机涡轮部件19:53NPU-ZhaoMing45盘与轴连接的方式盘与轴连接的方式：不可拆式、可拆式：不可拆式、可拆式不可拆式：焊接、径向销钉、盘轴锻制成整体件不可拆式：焊接、径向销钉、盘轴锻制成整体件 径向销钉径向销钉优点优点：结构简单、：结构简单、加工方便，强度、加工方便，强度、刚度均较满意，刚度均较满意，具有一定的热节具有一定的热节流作用。流作用。应用应用：WP6WP6WP7
37、WP7 19:53NPU-ZhaoMing46组成组成：涡轮机匣（涡轮外环或涡轮壳体）、导向器、涡涡轮机匣（涡轮外环或涡轮壳体）、导向器、涡轮的支承及传力系统轮的支承及传力系统设计要求设计要求：(与压气机静子相比与压气机静子相比)设计中要解决以下特殊矛盾设计中要解决以下特殊矛盾(1)(1)涡轮机匣除要求刚性均匀，不产生翘曲变形外，还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，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。又要保证工作时转子与静子不致碰坏。(2)(2)导向器承受高温燃气冲击，要处理好传力和自由膨导
38、向器承受高温燃气冲击，要处理好传力和自由膨胀的问题。胀的问题。(3 3)在结构上不仅要满足导向器排气面积的变化在结构上不仅要满足导向器排气面积的变化,而且要而且要考虑热应力、热疲劳、热变形以及热冲击等的影响。考虑热应力、热疲劳、热变形以及热冲击等的影响。19:53NPU-ZhaoMing47涡轮机匣涡轮机匣大多采用大多采用整体式整体式。为了装配方便，采用。为了装配方便，采用轴向分段轴向分段。近代发动机采用近代发动机采用单元体结构设计单元体结构设计，一般将高低压涡轮划分为两，一般将高低压涡轮划分为两个单元，因此个单元，因此涡轮机匣按高低压段沿轴向划为两段涡轮机匣按高低压段沿轴向划为两段。分段处采
39、分段处采用圆柱面定心用圆柱面定心。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，再用精密螺精密螺栓固定栓固定（见图（见图4-324-32），有的发动机靠安装边上的），有的发动机靠安装边上的紧度销钉紧度销钉来定来定心（见图心（见图4-334-33）。）。19:53NPU-ZhaoMing48涡轮机匣结构分析的两个主要问题：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大。根据估计，一台先进的双级涡轮发动机若径向间隙增加1
40、1mmmm，则涡轮效率降低约则涡轮效率降低约2 2.5%5%，将引起发动机耗油率增加约，将引起发动机耗油率增加约2 2.5%5%，所以在进行涡轮机匣分析时：，所以在进行涡轮机匣分析时：1 1、要保证、要保证涡轮的径向间隙沿圆周方向均匀分布涡轮的径向间隙沿圆周方向均匀分布；2 2、要要尽量减小径向间隙尽量减小径向间隙，又不使转子与机匣发生碰撞事故。，又不使转子与机匣发生碰撞事故。19:53NPU-ZhaoMing49影响影响涡轮的涡轮的径向间隙的因素径向间隙的因素主要有：主要有：1 1、工作时由于离心力和热膨胀引起叶片和轮盘的伸长；、工作时由于离心力和热膨胀引起叶片和轮盘的伸长；2 2、工作时机
41、匣受热膨胀及不均匀变形工作时机匣受热膨胀及不均匀变形；3 3、高温工作带来转子的蠕变伸长等、高温工作带来转子的蠕变伸长等4 4、转子和静子的偏心度（由于加工误差、机匣刚性、支点径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；向间隙、转子重量造成下垂所引起）及椭圆和翘曲变形等；5 5、结构型式带来的工作中径向间隙的变化。、结构型式带来的工作中径向间隙的变化。6 6、发动机工作状态发动机工作状态。径向间隙还随发动机工作状态的变化而变化径向间隙还随发动机工作状态的变化而变化.特别是当发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
42、化的动机过渡工作时，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。响应及静子机匣对温度变化的响应速度。19:53NPU-ZhaoMing50根据发动机的工作状态，人为地控制机匣和转子的膨胀量，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，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，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、开式回路闭式回路闭式回路：感受间隙、调节间隙：感受间隙、调节间隙开式回路开式回路：间
43、隙按照预先给定的程序进行调整，调节的精度取：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。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、机械式主动间隙控制装置：气动式、机械式气动式气动式：通过环绕在机匣外面的几根导管向机匣喷射冷却空气，：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。以控制机匣的膨胀。机械式机械式：为：为RB211RB211发动机可移动式叶尖间隙控制环，其特点是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，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，
44、以调整叶尖间隙。以调整叶尖间隙。19:53NPU-ZhaoMing51涡轮导向器涡轮导向器功能功能：导向器的功用是使气流的部分热能变成动能，并以一：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。定的方向流出，推动工作轮做功。组成组成：它是由内、外环和一组导向叶片组成的环形静止叶栅：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：主要问题：高温燃气作用下，不作为承力件高温燃气作用下，不作为承力件 热变形不协调，自由热补偿热变形不协调，自由热补偿 交变温度、热冲击、热疲劳、加温冷却交变温度、热冲击、热疲劳、加温冷却设计要求设计要求 足够的强度与刚性；减小热应力
45、；导向叶片不作传力件；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。可分解的、便于制造和更换。材料材料：高温合金：高温合金结构结构：实心叶片（铸造方便、但叶片内热应力较大）：实心叶片（铸造方便、但叶片内热应力较大）空心叶片空心叶片(精铸工艺复杂，但叶片的工作温度较低、精铸工艺复杂，但叶片的工作温度较低、热应力较小热应力较小)19:53NPU-ZhaoMing52第一级导向器第一级导向器设计要求：设计要求：1 1、采用有效的冷却措施、采用有效的冷却措施：因为第一级导向器紧接在因为第一级导向器紧接在燃烧室的出口，工作温度燃烧室的出口，工作温度最高，温度最不均匀，通最高
46、，温度最不均匀，通常都采用有效的冷却措施；常都采用有效的冷却措施；2 2、支承形式、支承形式：为了保证：为了保证叶片具有足够的刚性，采叶片具有足够的刚性，采用了两端与机匣（即双支用了两端与机匣（即双支点）的结构；点）的结构；3 3、可调排气面积、可调排气面积：第一：第一级导向器的排气面积对发级导向器的排气面积对发动机的性能影响较大，因动机的性能影响较大，因此要求较严、结构上通常此要求较严、结构上通常允许调整。允许调整。导向叶片的联接方式导向叶片的联接方式1 1、两端自铰支、两端自铰支2 2、一端固定、一端铰支、一端固定、一端铰支3 3、叶片组：由两片或更多片导向、叶片组：由两片或更多片导向叶片
47、固接在一起形成叶片组。叶片固接在一起形成叶片组。19:53NPU-ZhaoMing53涡轮是发动机中涡轮是发动机中热负荷热负荷和和动动力负荷力负荷最大的部件。随着最大的部件。随着推重比推重比的逐年提高，的逐年提高，涡轮前进口燃气温涡轮前进口燃气温度度也逐年提高，不仅由于也逐年提高，不仅由于高温材高温材料性能料性能的改进，更重要的是的改进，更重要的是冷却冷却技术技术的提高。的提高。为了研究有效的冷却技术，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热应力，以及它们与冷却措施间的关系。的关系。据统计，涡轮前温度平均每据统计，涡轮前温度
48、平均每年升高大约年升高大约2525，其中，其中1515左右左右是依靠冷却技术的进步取得的。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19:53NPU-ZhaoMing54典型零件的温度分布与热应力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。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：确定零件温度分布的方法有两种：计算法计算法和和试验法试验法。转子叶片的温度分布转子叶片的温度分布 由图可见（当燃气
49、温度沿径向不由图可见（当燃气温度沿径向不变时），沿大部分叶高，温度都是变时），沿大部分叶高，温度都是不变的，只有从距叶根不变的，只有从距叶根1/31/3处开始，处开始，温度才向叶根按立方规律下降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。叶根温度同轮盘的冷却方式有关。19:53NPU-ZhaoMing55涡轮盘温度的分布涡轮盘温度的分布 燃气中的热量由转子叶片经过燃气中的热量由转子叶片经过榫头传到涡轮盘，因此榫头传到涡轮盘，因此轮盘边缘温轮盘边缘温度高、中心温度低度高、中心温度低。当燃气温度当燃气温度=820-900=820-900度，采用度，采用径向吹风冷却的轮盘，轮缘温度为径
50、向吹风冷却的轮盘，轮缘温度为500-600500-600度，轮心温度为度，轮心温度为200-400200-400度，度，温度随半径的变化规律大致按二次温度随半径的变化规律大致按二次抛物线规律变化。抛物线规律变化。轮缘处的温度由叶片根部的温轮缘处的温度由叶片根部的温度和榫头中的温降决定。度和榫头中的温降决定。19:53NPU-ZhaoMing56涡轮部件冷却的目的涡轮部件冷却的目的1 1、提高涡轮前的温度，进而提高发动机的性能、提高涡轮前的温度，进而提高发动机的性能2 2、降低零件工作温度、降低零件工作温度3 3、使零件温度分布均匀，减小热应力、使零件温度分布均匀，减小热应力涡轮部件冷却原则涡轮