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1、航空发动机核心机压 气 机,1,主要内容,第一节 概述 第二节 压气机工作原理 第三节 压气机构造 第四节 压气机防喘措施 第五节 压气机气流控制系统 第六节 压气机附属装置 第七节 离心式压气机,2,第四节 压气机防喘措施 压气机喘振的定义产生喘振的机理 防喘措施,一、压气机喘振,压气机喘振是气流沿压气机轴向发生的低频率、高振幅的气流振荡现象，它产生很大的激振力，导致强烈的机械振动，破坏性很大。,4,压气机喘振的主要特征,音调低而沉闷； 非常强烈的机械振动； 转速不稳定； 推力突然下降并大幅波动。 压气机出口总压和流量大幅度波动；,攻角：压气机工作叶轮进口处的相对速度的方向与叶片弦线之间的夹
2、角。 压气机工作叶轮进口处相对速度的方向与叶片弦线之间的夹角。,攻角的物理意义：当正攻角过大时，会引起叶背处发生分离；此时，受转子叶片移动速度的作用，分离有愈加恶化的趋势。负攻角过大时，在叶盆处发生分离；此时，则不会越来越严重。,影响攻角的因素： 压气机转速、进气量、进气速度。,喘振是发动机的一种不正常的工作状态，是由压气机内的空气流量和压气机转速偏离设计状态过多而引发的。喘振是发动机的致命故障，严重时可能导致发动机空中停车甚至发动机损坏。衡量发动机喘振性能的指标叫做“喘振裕度“，就是说发动机的进气口流量变化多少会引发喘振，这个值一般都要求达到15甚至 20以上。,二、喘振的产生,喘振的根本原
3、因是由于气流攻角过大，在叶背处发生分离，而且这种气流分离扩展到整个叶栅通道。此时压气机叶栅完全失去扩压能力，不能将气流推向后方，克服后面较强的反压，于是流量急剧下降。由于动叶叶栅失去扩压能力，后面的高压气体倒流至前面，造成压气机后面的反压降的很低，整个压气机流路瞬间变得通畅；由于压气机仍保持原来的转速，大量的气流被重新吸入压气机，流入动叶的气流负攻角很快增加到设计值，压气机后面也建立起高压气流，这时喘振过程中气流重新吸入状态。然而发生喘振的流动条件没有改变，随着压气机后面的反压不断升高，压气机流量又开始减小，喘振再次发生，如此反复。,二、喘振的产生,13,喘振机理当多级轴流式压气机中的某些级产
4、生旋转失速并进一步发展时，压气机整个通道受阻，阻碍前方气流流入，使气流拥塞在这些级的前方。与此同时，由于前方气流暂时堵塞，出口反压不断下降，当出口反压比较低时，压气机堵塞状况被解除，被拥塞的气流克服了气体惯性一拥而下，于是进入压气机的空气流量又超过了压气机后方所能排泄的流量，压气机后方空间里的空气又“堆积”起来，反压又急剧升高，造成压气机内气流的再次分离堵塞。,喘振机理通过压气机的气流反复堵塞又畅通，使的通过压气机的流量大、流速高、可压缩的空气在本身惯量和压气机给予的巨大能量作用下产生了周期行的震荡。,3、 压气机防喘系统,防喘措施： 1、放气机构 2、旋转一级或数级导流叶片 3、机匣处理 4
5、、采用双轴或三轴结构,防喘措施 1、放气机构从压气机某一个或数个中间截面放气 目的：避免气流堵塞，增加前几级压气机的空气流量，避免前几级因攻角过大而产生气流分离。 放气机构类型：放气活门双转子发动机，WP7放气带WP6，WP8放气窗大涵道比涡扇发动机，低压压气机出口放气使用注意点：在发动机起动和低转速范围内打开，接近发动机设计状态时关闭；放气孔的位置和排出空气的数量需要根据具体情况经过试验进行选择；优缺点：比较简单、效果好。使用中不经济，需要把已经压缩过（1025%）的空气放 到周围大气中去，损失了压缩这部分空气的机械功。不经济。,放气活门,解决方法：1、中间级放气,18,放气带,19,WP6
6、放气窗口,20,2、旋转一级或数级导流叶片（可调静子叶片） 进口可转的导流叶片或变弯度导流叶片目的：当压气机在非设计状态工作时，通过改变叶片角度（或叶身扭转）来使压气机进口预旋量相应改变，使第一级转子叶片进口气流的攻角恢复到接近设计状态的数值，消除了叶背上的气流分离，避免喘振。,2、旋转一级或数级导流叶片（可调静子叶片） 进口可转的导流叶片或变弯度导流叶片,2、旋转一级或数级导流叶片（可调静子叶片） 多级可调静子叶片可以使第一级后面的若干级转子叶片进口气流的攻角也接近设计状态的数值。,3、机匣处理,机匣处理,25,4、双转子或三转子压气机,26,4、采用双轴或三轴结构将压气机分成两个或三个转子
7、，分别由各自的涡轮来带动，使得一台高增压比的压气机成为两个或三个低增压比的压气机。,4、双转子或三转子压气机,28,为了提高压气机的工作效率并增加发动机喘振裕度，人们想到了用双转子来解决问题，即让发动机的低压压气机和高压压气机工作在不同的转速之下，这样低压压气机与低压涡轮联动形成低压转子，高压压气机与高压涡轮联动形成高压转子。由于低压压气机和高压压气机分别装在两个同心的传动轴上，当压气机的空气流量和转速前后矛盾时，它们就可以自动调节，推迟了前面各级叶片上的气流分离，从而增加了喘振裕度。,4、双转子或三转子压气机,29,然而双转子结构的发动机也并不是完美的。在双转子结构的涡扇发动机上，由于风扇通
8、常和低压压气机联动，风扇为了迁就压气机而必须在高转速下运行，高转速带来的巨大离心力就要求风扇的叶片长度不能太大，涵道比自然也上不去，而涵道比越高的发动机越省油。低压压气机为了迁就风扇也不得不降低转速和单级增压比，单级增压比降低的后果就是不得不增加压气机的级数来保持一定的总增压比。这样一来压气机的重量就难以下降。,4、双转子或三转子压气机,30,为了解决压气机增压比和风扇转速的矛盾，人们很自然的想到了三转子结构。所谓三转子就是在双转子发动机上又多了一级风扇转子。这样，风扇、低压压气机和高压压气机都自成一个转子，各自都有各自的转速。因此，设计师们就可以相对自由地设计发动机风扇转速、风扇直径以及涵道
9、比。而低压压气机的转速也就可以不再受风扇的掣肘。,4、双转子或三转子压气机,31,为了解决压气机增压比和风扇转速的矛盾，人们很自然的想到了三转子结构。所谓三转子就是在双转子发动机上又多了一级风扇转子。这样，风扇、低压压气机和高压压气机都自成一个转子，各自都有各自的转速。因此，设计师们就可以相对自由地设计发动机风扇转速、风扇直径以及涵道比。而低压压气机的转速也就可以不再受风扇的掣肘。,4、双转子或三转子压气机,32,但和双转子发动机相比，三转子发动机的结构进一步变得复杂。三转子发动机有三个相互套在一起的共轴转子，支撑结构更加复杂，轴承的润滑也更加困难。三转子发动机比双转子发动机多了很多工程上的难
10、题，可是英国的罗尔斯罗伊斯公司还是对它情有独钟。罗罗公司的RB-211涡扇发动机上用的就是三转子结构，转子数量的增加带来了风扇、压气机和涡轮的优化。该型发动机装备在许多型号的客机上。,4、双转子或三转子压气机,33,为了千方百计提高压气机的喘振裕度，除了采用双转子压气机外，中间级放气以及机匣处理等措施已逐渐被广泛运用。在很多现代化的发动机上人们都保留了放气活门以备不时之需。比如在JT9D涡扇发动机上，普拉特惠特尼公司就分别在高、低压压气机的第4、9、15级上保留了三个放气活门。“昆仑“发动机也采用了先进的机匣处理措施，以及数字式防喘控制系统。,4、双转子或三转子压气机,第五节 压气机气流控制系
11、统 压气机容易发生喘振的工作状态和外部条件起动及低功率状态 发动机转速（推力）下降过程 民用飞机打开反推 军机打开加力 歼击机作大过载机动飞行 使用操作不当措施：中间级放气，双转子，进口可调导流叶片和多级可调整流叶片并用气流控制系统,第五节 压气机气流控制系统 一般组成： 放气系统（起动放气，程序放气，打开反推放气） 可变静子叶片系统,第六节 压气机附属装置,1、 封气装置 2 、间隙控制装置 3 、防冰系统,1、 封气装置目的：避免压气机转子和静子之间的级间漏气损失，提高压气机效率。 有效措施：减少漏气面积和减少压力差 密封装置分类 接触式：涨圈式密封 非接触式： 篦齿封严 蜂窝封严 石墨篦
12、齿 刷式封严,1、 封气装置,1 、 封气装置,1. 封气装置,各种不同的典型密封装置,1.封气装置,各种不同的典型密封装置,蜂窝封严和刷式封严,2 、 间隙控制装置 目的：减少叶尖漏气，进一步提高发动机的性能和效率。 分类： 主动间隙控制：高压压气机后段采用双层机匣，外层承力件，内层是压气机气流通道外廓，双层间形成环形腔。在发动机不同状态下，向环形腔内通以不同温度和压力的空气，与转子内腔配合，使机匣与转子的径向变形协调一致，从而保证较小的间隙值。 被动间隙控制：双层机匣采用特殊结构（悬臂式机匣，环形顶板缓冲器）隔热材料和隔热罩,防冰系统,当飞机穿过含有冷水汽的云层，或在空气湿度较高和气温接近
13、零度的条件下工作时，发动机进口部分，就会出现结冰现象。,防冰方法,对容易结冰的零件表面进行加温。 常用热源有：压气机热空气、电加热和滑油加热。,46,第六节 压气机附属装置,3. 防冰系统常用防冰方法 对零件表面加温 热空气防冰WS9，WP6，WP7 热滑油防冰 电加热防冰 WJ 组合防冰 减小零件表面水的附着力 在零件表面涂憎水剂WP7整流罩,需要进行防冰的部位,热空气防冰,热空气、滑油和电加热混合型防冰,不需要采用防冰措施,第七节 离心压气机,52,离心式压气机由导风轮、叶轮、扩压器等组成(下图)。,第七节 离心压气机,53,空气由进气道进入压气机、经过与叶轮一起旋转的导风轮的导引进入叶轮
14、。在高速旋转叶轮作用下，空气由叶轮中心被离心力甩向叶轮外缘，压力也逐渐提高，由叶轮流出的空气进入扩压器后速度降低，压力再次提高，最后由出气管流出压气机。,第七节 离心压气机,第七节 离心压气机,55,离心式压气机的空气流量为数公斤至数十公斤每秒。亚音速离心式压气机的增压比约为4.5,超音速离心式压气机可达810，效率约为0.78。,离心式压气机的特点及应用 与轴流压气机相比具有迎风面积尺寸大、效率低的特点 不宜用于高速飞行的大推力发动机上 具有特性平缓、结构简单、工艺性好等优点 在早期中小推力发动机以及近期小型发动机上得到了应用 早期离心式压气机单级增压比为3.0-4.5，效率为0.75-0.
15、78 60年代借助于数值流场计算技术使增压比达到6-8 组合压气机（前面加上1-2级超跨音速轴流压气机），应用于性能良好的小型风扇发动机,第七节 离心压气机,定义： 空气在工作叶轮内沿远离叶轮旋转中心的方向流动 离心式压气机的组成 由进气装置, 工作叶轮, 扩压器, 集气管等部分组成 叶轮和扩压器是其中两个主要部件,图41 离心式压气机,第七节 离心压气机,一、 离心式压气机的组成,1、进气装置 安装在叶轮的进口处，其通道是收敛形的 功用 使气流拐弯并以一定方向均匀进入工作叶轮, 以减小流动损失 此过程中气流加速，防止出现拐弯分离流 气流参数变化 空气在流过它时速度增大,而压力和温度下降,一、
16、 离心式压气机的组成,2、工作叶轮 高速旋转的部件 工作叶轮上叶片间的通道是扩张形的 空气在流过它时, 对空气作功, 加速空气的流速, 同时提高空气的压力 从结构上叶轮分单面叶轮和双面叶轮两种 两面进气,这样可以增大进气量 对于平衡作用在轴承上的轴向力也有好处,一、 离心式压气机的组成,工作叶轮,一、离心式压气机的组成,3、扩压器 位于叶轮的出口处 其通道是扩张形的 空气在流过它时, 速度下降, 压力和温度都上升 4、集气管 使气流变为轴向, 将空气引入燃烧室,一、 离心式压气机的组成,离心式压气机的主要优点： 单级增压比高 一级的增压比可达4:15:1, 甚至更高 同时离心式压气机稳定的工作范围宽 结构简单可靠 重量轻, 所需要的起动功率小,一、 离心式压气机的组成,主要缺点： 但它的流动损失大, 尤其是级间损失更大, 不适于用多级, 最多两级 效率较低, 一般离心式压气机的效率最高只有8385, 甚至不到80 单位面积的流通能力低, 故迎风面积大, 阻力大,
